ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ВСПЕНИВАЮЩЕЙСЯ СМОЛЫ «GEOFOAM» НА УФИМСКОМ КОСОГОРЕ КУЙБЫШЕВСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Земляное полотно и железнодорожный путь Куйбышевской дороги на участке 1622 – 1629 км проходит по Уфимскому карстово-оползневому косогору в области распространения сильно карстующихся гипсоносных пермских пород.

Борьба с деформациями железнодорожного полотна, вызываемыми карстовыми провалами, способствует не только совершенствованию методики изучения закарстованных участков, но и разработке системы противокарстовых мероприятий. В целях стабилизации косогора и обеспечения его устойчивости все существующие искусственные сооружения играют положительную роль и требуют постоянного контроля.

В последние годы наблюдается активизация карстово-суффозионных процессов вблизи железнодорожного полотна, в результате которых в руслах на подходах к искусственным сооружениям появилось много карстовых воронок и понор, что способствует нарушению стока поверхностных вод и не гарантирует устойчивость земполотна и безопасность движения поездов на участке [2, с. 43 – 57]. Из-за неблагоприятных геологических условий, косогор неоднократно подвергался деформациям.

Уфимский крутой косогор площадью 7 км² с востока омывает река Уфа, а с запада река Белая. Анализ геологического строения Уфимского косогора показывает, что склоны в нижней части обрывистые с отложениями пермского и четвертичного возраста. Многочисленные обнажения представлены пестроцветными породами уфимского яруса верхней перми и гипсами кунгурского яруса нижней перми. Косогор расчленён 16 оврагами, имеющими протяжённость от 200 до 1500 м, десять из которых карстового происхождения. Поверхностный сток в них отсутствует, вода поглощается воронками и понорами. К четвертичным отложениям относятся аллювиальные и элювиальные отложения, представленные суглинками с включениями щебня известняка, песчаника и мергеля [5, с. 54 – 58].

По данным проектно-изыскательской организации «Ленгипротранс» 4018 тыс. м³ воды в год поступает на Уфимский косогор, из них карстовыми воронками на косогоре поглощается 450 тыс. м³ воды в год.

Рисунок 1. Данные баланса стока

Частое переслаивание пород различного состава в разрезе уфимского яруса обуславливает наличие в них преимущественно безнапорных межпластовых вод. Воды кунгурского водоносного горизонта не имеют естественных выходов на поверхность. Поверхность трещинно-карстовых вод кунгурского яруса находится в пределах абсолютных отметок 82 – 113 м. Питание подземных вод кунгурского яруса происходит как за счёт инфильтрации атмосферных осадков на участках выхода гипсов на поверхность и поглощения вод ручьёв в оврагах карстовыми воронками, так и за счёт перетока вод уфимского яруса по трещинам [4, с. 64 – 68]. Водоносный горизонт, приуроченный к аллювиальным отложениям, имеет глубину залегания от 0,2 до 8 – 10 м. Питание его осуществляется за счёт инфильтрации поверхностных вод и атмосферных осадков. Воды, приуроченные к элювиально-делювиальным отложениям, залегают на различных отметках в склоновых отложениях оврагов, где они выходят на поверхность в виде источников.

В целом гидрогеологическая обстановка косогора характеризуется интенсивным водообменом и свободной разгрузкой трещинно-карстовых вод, что способствует значительному увеличению образования карстовых провалов непосредственно в пределах железнодорожного полотна.

На косогоре наблюдаются три карстовые формы: поверхностные (воронки, котловины и карстово-эрозионные овраги); глубинные (пещерные полости и пустоты); погребные (воронки, полости). Более чем за 30 лет зафиксировано около 200 карстовых проявлений.

Рисунок 2. Диаграмма карстовых проявлений на Уфимском косогоре участка 1622 км – 1629 км Куйбышевской железной дороги

С 2001 года увеличивается количество карстовых провалов – более 5 случаев на 1 км² в год, что непосредственно связано с изменением климатических условий и количества выпадающих атмосферных осадков. По результатам наблюдений можно сделать вывод, что участок склона относится к I – неустойчивой и II – весьма неустойчивой категориям относительно карстовых провалов.

Результаты наблюдений свидетельствуют о том, что процесс карстообразования на косогоре беспрерывный, и указывают на заметную активизацию проявлений карста на поверхности за последние годы (рис. 3).

Для снижения активности развития карста и повышения устойчивости территории вдоль железной дороги необходима ликвидация очагов поглощения поверхностного стока в наиболее распространённой и доступной поверхностной категории карстовых форм. Это, в основном, воронки и поноры, а также необходимо упорядочение пропуска вод по оврагам.

Воронки встречаются самой разнообразной формы: конусообразные, чашеобразные, блюдцеобразные, реже шахтообразные колодцы. В большинстве случаев воронки конусообразные, сопровождающиеся гравитационным сдвижением грунтов на бортах провалов. В пределах земполотна наименьший диаметр воронки 3,8 м при глубине 1,4 м, а максимальный диаметр – 7,1 м при глубине 3,6 м. В настоящее время вдоль железнодорожного полотна на протяжении 1622 – 1629 км насчитывается около 40 воронок (рис. 2).

Рисунок 3. Количество вновь выявленных воронок в период с 2010 по 2017 год

Вместо традиционных методов применяемых технологий на участке вдоль Уфимского косогора, а именно заполнения пустот цементным раствором, в данной работе предлагается заполнение поверхностных воронкообразных карстовых форм только вдоль железнодорожного полотна с помощью органоминеральной двухкомпонентной вспенивающейся смолы Geofoam.

Основным преимуществом смолы является высокая кратность вспенивания при низком расходе материала. А высокая скорость отверждения полимерного состава позволяет быстро проводить работы по заполнению значительных объёмов пустот. Geofoam состоит из двух жидких невозгораемых компонентов: компонент А – модифицированное жидкое стекло, компонент В – модифицированный изоцианат, которые в объёмном соотношении 1:1 при помощи двухкомпонентного насоса подаются раздельно по шлангам, смешиваются в смесителе и затем путём набрызга наносятся в заполняемую полость. Реакция компонентов происходит с увеличением объёма полимерного состава. Параметры реакции: время начала реакции при 15^о С – 02'' +/– 10''; время окончания реакции –  1'25''+/– 20''; кратность вспенивания около 40; расход на образование 1 м³ затвердевшего раствора при 12 – 15^о С составляет 50 – 60 кг исходного материала; плотность компонентов при 25° С, 1140 – 1455 кг/м³; предел прочности на сжатие 0,35 – 0,4 МПа.

Так же предлагается снижение стоимости мероприятия за счёт послойного заполнения некоторого объёма воронок гранитным щебнем фракции 25 – 60 мм с дальнейшим нагнетанием силикатной смолы (рис. 4). Через минуту после смешивания смола начинает вспениваться, при нагнетании проникает под давлением пены в воронку, заполняет пустоты между щебнем, склеивает трещины в стенках воронки, происходит увеличение заполнения объёма воронки за счёт подъёма щебня при увеличении объёма смолы при вспенивании.

Рисунок 4. Опытный пример совместной работы щебня и смолы Geofoam

В результате расчётов стоимости заполнения конусообразной воронки использовались средние значения диаметра – 5 м при глубине – 2,5 м.

V _{конуса/воронки} = 1/3πR²H  ,                                            

где   R – радиус основания конусообразной воронки; H – высота конусообразной воронки; π = 3,14.

V _{воронки}  = 1/3   3,14 ∙ 2,5² ∙ 2,5 = 16,35 м³

Предлагается послойное заполнение воронки гранитным щебнем объёмом 6,5 м³ и силикатной смолой объёмом 7 м³. Учитывая кратность вспенивания, равной 40, происходит увеличение объёма вспенённых компонентов А и В к первоначальному объёму, к концу твердения объём композиции составит 9,8 м³. В результате воронка заполнится смолой и щебнем на 16,35 м³ с небольшой погрешностью.

Таблица 1

Расчёт стоимости заполнения воронок по усреднённым показателям (щебень + смола Geofoam)

Примечание: форма поставки Geofoam: компонент А – канистра 35 кг; компонент В – 30 кг.

Современная активность провалообразований на Уфимском карстовом косогоре достаточно высока и в последние годы имеет тенденцию к значительному увеличению. Предложенный вариант ликвидации воронок не является самым дешёвым, но отличается простотой и долговечностью выполненных работ, а добавление гранитного щебня способствует уменьшению стоимости. Для удешевления мероприятия по стабилизации обстановки рекомендуется воронки, не распространяющиеся вдоль земполотна, заполнять местным грунтом в виду отсутствия непосредственной угрозы.

Список литературы:

1. ГОСТ 8267 – 93. Щебень и гравий из плотных горных пород для строительных работ. Технические условия (с Изменениями № 1–4).
2. Скворцов Г. Г. Вопросы инженерно-геологического изучения и оценки карста в основании железнодорожных сооружений // Специальные вопросы карстоведения. – Изд-во АН СССР, 1962. – С. 43 – 57.
3. Смирнов А.И. Оценка воздействия карстового процесса на населённые пункты Республики Башкортостан // Материалы междунар. симпозиума «Карстоведение – XXI век. Теоретическое и практическое значение». – Пермь, 2004. – С. 325 – 328.
4. Смирнов А.И. Опыт прогноза проявлений сульфатного карста на примере Уфимского косогора // Разведка и охрана недр. – М., 2011. – № 3. – С. 64 – 68.
5. Смирнов А.И., Абдрахманов Р.Ф. Карстоопасность территории Республики Башкортостан // Вестник АН РБ. – Уфа, 2007. – С. 54 – 58.