TECHNOLOGIES OF PROTECTION OF HIGHWAYS FROM ROCKFALLS

Full Text

Обвалы образуются в результате быстрого внезапного обрушения и перемещения крупных массивов горных пород из-за отрыва от коренного массива с образованием у подножия нагромождения этих обломков. К обвалам относят камнепады, оползни грунта, скальные осыпи, а также обрушение ледников и снежных лавин. Образованию обвалов способствует размыв поверхностными и подземными водами, техногенные воздействия, быстрая смена температур, сейсмические процессы, антропогенное воздействие и изменчивый климат. В целом для обвалов характерна сплоченность обрушивающегося материала и, как следствие, характер его движения. При камнепадах движение крупных каменных глыб, отдельных камней, обломков пород и щебня сопровождается неоднократными «прыжками» со скоростью 40-60 м/с (150-200 км/ч). Энергия воздействия камня и траектория его падения на горную автодорогу - это основные параметры изучения камнепадных процессов, позволяющих проектировать системы защитных сооружений (СП 116.13330.2012. Свод правил. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. Основные положения Актуализированная редакция СНиП 22-02-2003) (рис. 1). Рис. 1. Траектория падения каменных обломков 29 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 Т.В. Шеина, Е.А. Авдеева Для безопасной эксплуатации горных автодорог необходим комплексный анализ факторов риска камнепадов с целью выбора наиболее эффективной системы защиты [1-3]. Неустойчивость каменных массивов оказывает влияние на поверхность склонов и общую устойчивость скальных образований. Системы защиты от камнепадов позволяют обеспечить безопасность от поверхностных обрушений склона и с целью защиты от разрушений коренной части массива. До принятия технического решения по устройству защитной конструкции от камнепадов должно быть четко определено различие между пассивными и активными защитными системами (рис. 2). Рис. 2. Последствия камнепада на автодорогах С целью улавливания и остановки падающих скальных обломков на объекты инфраструктуры используют систему пассивной защиты - стальной геокомпозит из комбинации двойного кручения сетки и вплетенных в нее тросов. Стабилизацию разрушаемой поверхности скального массива проводят активной защитой - глубинным армированием отдельных его частей, с применением стальных канатных панелей и дополнительных металлических анкеров. Пассивная противообвальная защита необходима, если полностью не исключается возможность ликвидации скально-обвальных явлений. У подошвы откоса или склона высотой до 60 м и крутизной более 35° используют системы пассивной защиты в виде улавливающих полок и траншеи с бордюром, а при крутизне 25-35° применяют улавливающие стены. Их можно располагать на пологих участках склонов на высоте в пределах 30-50 м над автодорогой. У подошвы крутых (более 40-45°) и сравнительно невысоких откосов или склонов в пределах 25-30 м устанавливают оградительные стены для предотвращения осыпания скального грунта в случае их выветривания. Стабильность такой системы определяется расчетом на прочность и устойчивость при полном завале скальными грунтами улавливающей пазухи (застенного пространства). Улавливающие валы устраивают у подошвы не менее опасных источников обвалов - затяжных склонов высотой более 60 м или над автодорогой на высоте в пределах 30-50 м у склонов крутизной до 25° [1]. Местные условия диктуют применение улавливающих траншей и полок с бордюром заглубленного типа или устройство оградительных конструкций на уровне автодороги. У подошвы откоса или склона возводят сборные железобетонные стены высотой 6-8 м, уголковый профиль таких стен конструируют с меньшей высотой. Их омоноличивают и усиливают арматурой диаметром более 20 мм. В труднодоступных местах используют бутобетонные и габионные стены, которые возводят из местного камня (СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02- 85* Введ. 01-07-2013; СП 47.13330.2012. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 11- 02-96. Введ. 01-07-2013). Противообвальные галереи из штучных материалов, сборного и монолитного железобетона устраивают на трассах с крутыми косогорами в тех случаях, когда другие, более простые сооружения нецелесообразны по экономическим и практическим соображениям. Топографические и геологические условия, а также нагрузки и технологические процессы определяют выбор галерей следующих видов конструкций: арочные, балочные, рамные, полурамные, консольные и гибкие подвесные (рис. 3) [3, 6]. Система простой драпировки - эффективный и экономически приемлемый вариант, позволяющий собрать упавшие осыпи фракцией не более 0,6 м3 у основания склона и снизить обрушение скальных массивов, вызванных водной и ветровой эрозией, колебаниями температур, гидростатическим давлением и сейсмической активностью. Укрепление скальных массивов направлено на консолидацию их поверхности, которая потенциально может быть подвержена обрушению. Укрепление скальных массивов позволяет не только предотвратить возможность отрыва обломков и увеличить несущую способность поверхности склона, но и укрепить пологую поверхность склона. Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 30 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Компания Маккаферри предлагает различные решения для укрепления склонов с целью противокамнепадной защиты. Одним из них является простая драпировка, представляющая собой сетчатое полотно, закрепленное анкерами по верхней и по нижней кромкам. Такое решение представляет собой один из самых экономически выгодных вариантов драпировки. Упавшие обломки тормозятся сетчатым заслоном и собираются у подножия склона, образуя «карманы», которые периодически можно вычищать. Система Стилгрид HR (Highly Resistant, от англ. «высокопрочный») - еще одна разновидность устройства простой драпировки, которую используют для укрепления и защиты от обрушений скальных откосов. Такая система перераспределяет и передает нагрузки на сетку двойного кручения благодаря вплетению в продольном направлении стальных тросов, прижимающихся анкерами с пластиной к склону. Синергетический эффект от совместной работы сетки и троса повышает не только прочность конструкции, но и поверхностную устойчивость склона, а также способствуют эффективному применению системы анкеров. Удержать скальные породы на склоне любой крутизны позволяют несколько рулонов сетки, соединенных продольно с помощью HR-скрепок и HR-зажимов. Модельный ряд системы Стилгрид® HR представлен Стилгрид HR150, в котором тросы диаметром 8,2 мм с шагом 150 см, а также Стилгрид® МО - менее прочным вариантом с шагом тросов 30, 50 и 100 см. Камнеулавливающие гибкие барьеры защищают автомобильные дороги, перехватывая маленькие обломки и большие камни искусственных и естественных откосов, а также склонов с крутыми откосами. Камнеулавливающие гибкие барьеры RMC различных конфигураций по своей конструкции аналогичны системе Стилгрид HR, в которой комбинации сетки, стальных кабелей и анкеров с высокой степенью сопротивления деформациям выдерживают энергию в пределах от 500 до 5000 кДж. Эти системы камнеулавливающих барьеров компании Маккафери были разработаны на основе проектирования и проведения испытаний в соответствии с передовыми европейскими нормами. Расчеты по специализированной программе Rockfall позволяют установить все возможные траектории падения обломков и с учетом распределения эпюры скоростей и кинетической энергии выбрать оптимальное место расположения и модель барьера. Барьеры устанавливают у основания склона в тех случаях, когда, с одной стороны, невозможно точно установить место отрыва и падения обломков, а с другой - покрыть его драпировкой. Нагрузка, действующая от каменных блоков на барьер, распределяется между стойками равномерно, а система поглощения энергии работает за счет деформации сменных энергогасителей, обеспечивая длительный срок службы. Подобная конструкция барьера может устанавливаться практически на любом уклоне склона и подстилающей поверхности. Все модели барьеров соответствуют международному стандарту качества UNI EN ISO 9001, а также ETA 11/0370. Каждая модель барьера имеет свои конструкционные особенности. Барьеры различаются по высоте (2-8 м), типу стоек (профиль круглого сечения Ø114,3х4 или многугольные типа НЕА-200) и типу перехватывающей панели: сетка DT с канатами, сетка DT с кольчужной сетью (кольчужная сеть типа 3-4-350/200-500), сетка двойного кручения, а также по количеству гасителей энергии (запатентованное устройство Маккаферри) и диаметру удерживающих тросов 16-22 мм. Все элементы барьеров имеют плотное антикоррозионное цинковое покрытие. Стандартное расстояние между стойками - 10 м (в зависимости от проекта может быть изменено до 8-12 м). Рекомендуемая длина барьера от 30 до 100 м. Барьеры поставляются в разобранном виде и собираются на объекте. К барьеру обязательно прикладывается подробная инструкция по установке для выбранной модели. Инженеры компании «Маккаферри» готовы оказывать шеф-монтаж (рис. 4) [5, 8-10]. Рис. 3. Противообвальные галереи 31 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 Т.В. Шеина, Е.А. Авдеева Камнеулавливающие гибридные барьеры - это вид барьеров, плавно переходящих в драпировку. Гибридные барьеры предназначены для гашения кинетической энергии падающего обломка. Данный вид барьеров сочетает в себе камнеулавливающие барьеры с возможностью снижения обслуживания сетчатой панели. Вместо традиционного крепления к нижней опоре, защитная сетка простирается вниз по склону. В данном случае падающие камни и обломки не будут остановлены так же, как с помощью камнеулавливающих барьеров, но после взаимодействия с барьером обломок продолжает свое движение под драпировкой, замедляя его вплоть до полной остановки у подножия склона. Данный вид барьеров применяется на склонах, где есть доступное пространство для установки вдоль склона, где обломки могут быть остановлены или безопасно собраны. Высота, местоположение, энергопоглощающая мощность барьера определяются с помощью специально разработанной программы - Rockfall. Для оптимизации защиты может быть установлена комбинация из защитных барьеров (в виде каскада), обеспечивая экономическую эффективность и безопасность инфраструктуры (рис. 5) [1]. Рис. 4. Камнеулавливающие гибкие барьеры Рис. 5. Гибридные барьеры Пассивные системы - камнеулавливающие насыпи используют в тех случаях защиты, когда улавливание падающих скальных обломков или предотвращение их отрыва от массива невозможно из-за того, что склон имеет большой уклон и структура поверхности отвесного типа. Камнеулавливающие насыпи позволяют выдерживать экстремальные удары обломков практически неограниченных размеров, предельной скорости и энергии. В отличие от камнеулавливающих барьеров, камнеулавливающие насыпи могут выдерживать систематические камнепадные события без ремонта. Специальный анализ, проведенный компанией Маккаферри, доказал, что армирование грунта с помощью камнеулавливающих насыпей выдерживает нагрузку более 20 000 кДж. При наличии достаточного пространства могут быть возведены насыпи, имеющие практически неограниченное поглощение энергии [9, 10]. Маккаферри предлагает следующие системы армирования грунта для возведения насыпей: Террамеш®, Зеленый Террамеш®, Парагрид® & Парадрейн®, МакГрид® WG и габионные сооружения (рис. 6). К активной защите относят: удерживающие сооружения (облицовочные стены, анкерные крепления, контрфорсы, опояски, поддерживающие стены, подпорные стены и заанкерные подпорные стены), системы драпировки с дополнительным армированием (Стилгрид БО и НR, НЕА-панели), системы Rope Net и Mighty Net. Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 32 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ Активная противообвальная защита целесообразна для стабилизации неустойчивых откосов и склонов, угрожающих массовым обрушением или их выветриванием. Снизить объем работ позволяют поддерживающие стены, используемые для нависающих карнизов и пластов. Замедлить процессы выветривания пород позволяют пломбы, которыми заполняют углубления в откосах и склонах. Подпорные стены позволяют удержать застенные призмы грунта в случае сложности их уборки при выемке откоса. Заанкеровка подпорных стен эффективна при большой высоте откоса. Для подпирания отдельных неустойчивых скальных массивов используют контрфорсы, а в случае их неоднородного залегания - комбинация контрфорсов с подпорными и облицовочными стенами [3]. Система MAC.RO.TM (компания Маккафери и ведущие исследовательские институты) предназначена защитить от четырех различных типов камнепадов. Основа системы - сетка двойного кручения с антикоррозионным покрытием, в сочетании с другими различными материалами [10, 11]. Системы драпировки и камнеулавливающие барьеры относятся к постоянным сооружениям, их срок службы более 25 лет, а камнеулавливающих насыпей - более 50 лет. Точное определение необходимости устройства анкерной системы драпировки (активная защита), а также определение площади, подлежащей такому типу защиты, выполняется на основании оценки реальных условий на стройплощадке и должно отвечать основным руководящим принципам проектирования. Основными факторами при проектировании являются: 1. Оценка касательных напряжений от постоянной нагрузки: вес всей сетки при рекомендуемом факторе безопасности 1,35. 2. Оценка касательных напряжений от временных нагрузок: вес обломков пород, находящихся у подножия откоса, и вес снега (для склонов менее 60°) с рекомендуемым фактором безопасности 4. Динамические нагрузки, возникающие с обрушением скальных пород на систему драпировки, учитываются только в тех случаях, если отсутствует должная надежность этой системы. Основная нагрузка на анкерные панели в остальных случаях проявляется в процессе аккумуляции у подошвы склона скальных обломков. Объем каменных обломков рассчитывается, чтобы спроектировать систему драпировки, а также определить тип и параметры системы защиты от камнепадов. Необходимо иметь обоснованное представление допустимой высоты и геометрических размеров «камнеудерживающего мешка» и предусмотреть последствия от возможных обрушений частей массива, принимая во внимание физико-механические параметры системы по абсорбированию кинетической энергии падающих обломков. Принято считать, что соотношение ширины к высоте «камнеудерживающего мешка» должно быть 1:3, т е. на 1 п. м по основанию 3 м по высоте. Сила, воздействующая но защитную систему драпировки, зависит от угла ее наклона и должна быть оценена с использованием существующих условий на объекте [11-14]. HEA-панели (High Energy Absorption) сплетены из канатов и способны значительно поглощать энергию. Целесообразно их использовать с дополнительными анкерами как драпировку на скально-обвальных участках автодороги. В случае меньшей агрессивности среды рекомендуется использовать канаты диаметром 10 мм с цинковым или ПВХ покрытием, а также покрытием «Гальмак®». Узлы стыковых соединений панелей передают равномерно нагрузку на всё полотно и, таким образом, гасят энергию. Панели способны выдерживать длительные статические Рис. 6. Камнеулавливающие насыпи 33 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 Т.В. Шеина, Е.А. Авдеева Рис. 7. HEA-панели нагрузки. Они не утяжеляют склон, являясь альтернативой кольчужной сетке [15]. Канатные панели обладают высокой степенью защиты, их применяют для закрепления курумовых склонов и оползневых участков, а также для укрепления крутых откосов, сложенных из пород с высокой трещиноватостью (рис. 7). Жесткие плетеные НЕА-панели из стальных канатов эффективнее сетки двойного кручения, хотя последняя надежнее сетки рабицы. Двухосный Стилгрид ВО (компания Маккаферри) - это синергетика механических свойств сетки двойного кручения и НЕА-панелей из стальных канатов с шагом продольных канатов 150 см, поперечных - 150, 200 или 300 см [11]. Если проблему обрушения невозможно решить с помощью пассивной защитной системы, рассматривается вариант устройства активной системы (т.е. дополнительное армирование поверхности анкерами, канатными панелями и пр.). В итоге завершенная защитная система представляет собой комбинацию стальных анкеров, НЕА-панелей и сетки двойного кручения. Для определения технически правильного выбора защитной системы необходимо оценить неподвижность или жесткость системы драпировки и усилия, передаваемые на анкерные тоннели.В этом случае система драпировки обеспечивает высокое сопротивление с минимальными деформациями и предотвращает отрыв и движение скальных обломков. Драпировка с дополнительным армированием крепится анкерами не только по верхней и нижней кромкам, но и по всему склону с определенным шагом. Такой тип защиты закрепляет неустойчивые блоки, препятствуя отрыву обломков от массива. Преимущество системы Стилгрид® BО заключается во введении в структуру сетки дополнительных поперечных канатов, что повышает эффект от анкеровки. Для изготовления сетки используется проволока со следующими характеристиками: временное сопротивление на разрыв 35 - 50 кг/мм2, удлинение должно составлять не менее 9 %, чтобы увеличить сопротивление на разрыв у конечного материала. Проволока может иметь дополнительное покрытие ПВХ. Дополнительными аксессуарами, удерживающими тросы, являются анкера с гайками и пластинами, а также зажимы HR-grip и HR-link, скрепки и вязальная проволока [16-18]. Система Mighty Net направлена на воссоздание природного ландшафта и предотвращение камнепадных процессов. Основой Mighty Net служит гибкая высокопрочная стальная сетка, повторяющая рельеф поверхности, с плотным прилеганием к ней. Такая конструкция системы позволяет укрепить как отдельно лежащие на поверхности неустойчивые массивы и камни, так и рыхлые породы. Небольшой размер ячейки сетки даёт возможность удерживать мелкие камни, землю и песок. Особенно эффективно использовать данную систему в местах с сильным выветриванием. Канатно-анкерная система Rope Net состоит из отдельных канатов, закрепляемых на склоне анкерами. Она фиксирует крупные подвижные камни на склоне, обеспечивая его укрепление. Применение вместе с Rope Net стальной сетки позволит удерживать не только большие рыхлые породы, но и небольшие камни [19]. Вывод. Описанные технические решения, позволяющие обеспечить защиту территорий от опасных природных воздействий, в частности от камнепадных процессов, требуют дальнейшего изучения в связи с возрастающими технологическими возможностями для реализации таких конструкций. Замена использовавшихся ранее массивных железобетонных конструкций на более рациональные аналоги позволит существенно снизить затраты на инженерную защиту, сократить сроки строительства и свести к минимуму воздействие на окружающую среду. Возросший в последнее время интерес застройщиков к освоению горных участков, необходимость прокладки новых автомобильных и железных дорог на местности с переменным рельефом определяют необходимость выполнения более эффективных и экономичных мероприятий. Ввиду слабой изученности камнепадных явлений необходимо более детально исследовать траектории камнепадного процесса, а также разрабатывать и уточнять расчетные методики по оценке энергии воздействия обломка на защитное сооружение и фундаменты защитного сооружения. Особую важность имеет процесс геотех- Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 34 СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ нического мониторинга территории, подверженной риску камнепадных воздействий. Периодические наблюдения позволяют уточнить расчетные параметры, опираясь на фактические данные. Взаимоувязка перечисленных выше этапов в рамках единой системы позволяет при минимализированных затратах обеспечить максимальную безопасность площадных и линейных объектов.

About the authors

Tatyana V. SHEINA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Elena A. AVDEEVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files