Монахов В. В., Овчинников В. И., Урусова А. В. («НПЦ ГЕОТЕХ»); Савин А.Н. (МИИТ)

В современных условиях эксплуатации железных дорог Российской Федерации земляное полотно испытывает интенсивное воздействие поездных нагрузок. В сочетании с влиянием множества техногенных, погодно-климатических и геологических факторов это приводит к возникновению в земляном полотне деформаций, в том числе создающих угрозу безопасности движения поездов.

Для стабилизации участков земляного полотна, где происходят деформации, разрабатываются и применяются противодеформационные мероприятия, основной базой для эффективного и рационального проектирования которых является детальное исследование инженерно-геологических условий. Однако, проведение такого обследования с достаточной полнотой традиционными геологическими методами требует значительного объема бурения, что связано с большими временными и стоимостными затратами. Кроме того, из-за невозможности размещения буровой техники в непосредственной близости от железнодорожного пути, бурение производится легкими станками или вручную, что не всегда обеспечивает необходимую глубину изучения разреза. Еще один момент, связанный с дискретностью получения геологической информации при бурении, создает определенные затруднения при пространственной интерпретации данных. Поэтому решение вопросов полноты изысканий, по нашему мнению, связано с необходимостью привлечения методов инженерной малоглубинной геофизики, которые обеспечивают проведение изысканий в труднодоступных условиях и позволяют получать непрерывную информацию как об основных элементах геологического строения, так и о физико-механических свойствах среды «in situ» И только совокупность геолого-геофизических данных позволяет достаточно надежно установить причины деформаций и принять правильное проектное решение по стабилизации земляной насыпи.

В данной публикации приводятся результаты геофизических исследований, которые проводились на участках деформаций железнодорожного пути с различными инженерно- геологическими условиями: на 1780 – 1781 км линии Армавир - Туапсе Северо – Кавказкой железной дороги (СКЖД) и на 22 км направления Москва-Курск Московской железной дороги (МЖД). Основной задачей изысканий являлось изучение геологического строения с целью выявления причин происходящих там деформаций земляного полотна.

На указанном участке СКЖД деформации земляного полотна начались сразу после окончания строительства в 1911 году и выражаются в просадках обеих рельсовых нитей со сдвижкой пути в плане, которые вызваны подвижками грунтов косогора, активизирующимися во время выпадения значительных количеств осадков. Результаты этих негативных процессов показаны на рис.1, где наблюдаются существенные нарушения защитных инженерных сооружений.

Для решения поставленной задачи был выполнен достаточно объемный комплекс исследований, включающий сейсмические наблюдения КМПВ и электрические зондирования по методике СЭЗ, выполненные по сети профилей, ориентированных как вкрест так и вдоль железнодорожного пути, георадиолокационные наблюдения по профилям, проложенным вдоль осей 1-го и 2-го пути и в междупутье, бурение в объеме 1-3 скважины на каждом поперечном сейсмическом профиле.

Результаты исследований показали, что данный участок имеет сложное геологическое строение, обусловленное:

• схожестью литологического состава пород оползневых тел и подстилающих ненарушенных пород коренной основы, что привело к неоднозначной корреляции данных бурения;
• незначительной глубиной залегания поверхности грунтовых вод, а также наличием переувлажненных участков выше по разрезу;
• значительной мощностью (до 30-35м) сложнопостроенных оползневых отложений;
• наличием сложного ступенчатого рельефа коренных пород, способствующего образованию зеркал скольжения оползневых тел .(рис. 2а)

Рис. 2. Результаты геофизических исследований на оползневом участке Северо-Кавказской.железной дороги: А- сейсмические разрезы по 1 и 8 профилям наблюдения; Б - фрагмент радарограммы с результатами интерпретации; В - схематическая карта участка работ

Общая геологическая ситуация достаточно наглядно отражена на схематической карте участка, приведенной на рис. 2в. Склон расположенный выше железнодорожного пути характеризуется неглубоким (5-7 м) залеганием кровли коренных малоизмененных пород и достаточно высокими скоростными характеристиками поверхностных отложений, являющихся корой выветривания пород коренной основы. Уровень грунтовых вод в возвышенной части участка располагается в коренных породах на глубине порядка 12-15 м. Такое положение границ в разрезе этой части участка позволяет говорить о том, что вовлечение этих отложений в оползневой процесс маловероятно при сохранении сложившихся здесь геологических и гидрогеологических условий.

При переходе в зону развития оползневых отложений, поверхности кровли ненарушенных отложений и УГВ сближаются, затем пересекаются и по мере понижения дневного рельефа расходятся (рис. 2а, 2в). Области пересечения этих границ являются зонами интенсивного водонасыщения рыхлых отложений, что может способствовать активизации процесса оползнеобразования, особенно в породах с низкими скоростными характеристиками.

Непростая гидрогеологическая ситуация складывается в районе ростверка, где образуется локальный подъем зеркала подземных вод, что связано, по-видимому, с тем, что противодеформационные сооружения являются барьером для водотока (рис. 2а).

По результатам георадиолокационного обследования в строении насыпи выделяются две достаточно протяженные (около 300м) аномальные зоны (рис. 2б, 2в), где фиксируются наиболее значительные изменения в ее конструктивных слоях. Деформации в первой зоне (sp 1a – sp 3) могут провоцироваться достаточно близким к поверхности положением УГВ. Вторая аномальная зона (sp8 – sp10), где фиксируются пониженные значения скоростей упругих волн в верхней части разреза, связана с активизацией оползневых процессов.

Представленные результаты геолого-геофизических исследований достаточно убедительно показывают эффективность примененного комплекса изысканий на участках развития оползневых процессов и связанных с ними деформациями земляного полотна железной дороги.

Ниже рассматриваются результаты геолого-геофизических работ, которые были проведены в совершенно иной инженерно-геологической ситуации.

На 22 км направления Москва-Курск МЖД между станциями Покровская и Красный строитель (Южный Административный округ г. Москвы) были выполнены геолого- геофизические исследования на участке деформаций четырехпутного земляного полотна, выражающиеся в оседаниях опор контактной сети и рельсовых нитей.

В геологическом отношении верхняя часть разреза этого района г. Москвы представлена толщей четвертичных пород, которая сложена переслаиванием моренных суглинков и глин, водно-ледниковых песков и супесей, аллювиальных и озерных песков и суглинков. Общая мощность этих отложений пространственно изменчива и составляет 5 - 20 м. В изучаемой области также почти повсеместно распространены покровные суглинки, образующие маломощный (1-2, местами до 3-4 м) чехол.

В комплекс изысканий наряду с бурением инженерно-геологических скважин были включены сейсморазведочные работы методом преломленных волн (МПВ) и георадиолокация с набором различных антенных блоков.

Сейсмическими методами на обследуемом участке предполагалось решить следующие задачи: изучение геологического строения до глубин 20 - 25 м с определением глубины залегания и прослеживанием уровня грунтовых вод (УГВ) и поверхности плотных пород.

Перед георадиолокационной съемкой ставилась задача детального изучения строения земляного полотна железной дороги с выявлением аномальных (просадки, повышенное влагонасыщение и т.д.) зон в конструктивных слоях.

Для решения поставленных задач была отработана сеть профилей, ориентированных вкрест предполагаемому простиранию зоны деформации параллельно железнодорожным путям.

Полевые наблюдения проводились сейсмостанцией “Лакколит-24М” по методу преломленных волн (МПВ) с возбуждением и регистрацией как продольных (Z- компонента), так и поперечных (Y-компонента) волн.

Рис.2 . Результаты геофизических исследований на оползневом участке Северо-Кавказской.железной дороги: А- сейсмические разрезы по 1 и 8 профилям наблюдения; Б - фрагмент радарограммы с результатами интерпретации; В - схематическая карта участка работ

На рис.3 представлены результирующие сейсмический (А) и георадиолокационный (Б) разрезы по профилю, который был отработан между вторым и третьим путями и проходил непосредственно через инженерно-геологическую скважину. На сейсмическом разрезе преломляющая поверхность, построенная по поперечным волнам с граничной скоростью 300 – 350 м/с, испытывает погружение на пикетах 60 – 140, связанное, по-видимому, с погребенным эрозионным врезом. Северный борт этой структуры крутой, противоположный - пологий, максимальная амплитуда погружения составляет около 6м. Рассматривая ее морфологию, можно заметить, что это не что иное, как перекрытое рыхлыми отложениями палеорусло древнего водотока. По-видимому, существующий в свое время водоток при освоении территории был заключен в бетонную трубу и перекрыт насыпью. Такая ситуация, как указывается в [1], благоприятна для возникновения линейной суффозии вдоль засыпанных водотоков. Развитие этого процесса вызывает оседание поверхности земли на локальных участках, сопровождающееся деформированием как наземных, так и подземных коммуникаций, что мы наблюдаем на земляном полотне железной дороги. На представленных фотографиях (рис.4а, б) зафиксированы деформации элементов железобетонной трубы, проложенной под насыпью, и вынос мелкозернистого материала из затрубного пространства, что подтверждает версию о развитие здесь процесса линейной суффозии.

В области крутого борта палеорусла отмечается зона шириной до 20 м, где значения граничных скоростей поперечных волн понижаются с 340-350м/с до 250-280м/с. Пониженные значения скоростей упругих волн указывают на нарушение сплошности отложений и, соответственно, на их повышенную проницаемость, что способствует суффозионному процессу.

Сейсмическая граница, построенная по продольным волнам с граничной скоростью 1600- 1700м/с, связана с уровнем подземных вод и отображает его поведение Как видно из рис.3А, зеркало грунтовых вод фиксируется гипсометрически выше ложа палеорусла, испытывая локальное понижение над нарушенной зоной. Такое явление может быть связано с оттоком в проницаемой области. Здесь же наблюдается понижение значений граничных скоростей продольных волн вдоль рассматриваемой сейсмической границы, также указывая на аномальность центральной зоны.

Аналогичная картина наблюдается и на параллельных профилях, отработанных справа и слева по основанию насыпи. Анализ информации, полученной по всем профилям, позволил получить пространственную ориентацию выявленных структур и аномальных зон.

Для детального изучения верхней части разреза земляного полотна железной дороги были проведены сейсмические наблюдения по методике профилирования на постоянной базе.

Рассчитаны значения скоростей продольных волн на двух базах: 4 и 8 м. Графики распределения этих значений вдоль профиля представлены на рис. 3А, которые отображают скоростное строение верхней части разреза на глубину около 2 м. Наиболее контрастным является график, рассчитанный на базе 4 м, который характеризует приповерхностный слой. В целом, по скоростным характеристикам на отработанном участке выделяются две области: относительно высокоскоростная с пикета 96 до конца профиля, где скорости (база 4м) принимают значения 230 – 280 м/с, и низкоскоростная (ПК 0 – 96) со значениями скоростей 140 – 180 м/с. В центре профиля (ПК 66 – 96) фиксируется зона с аномально низкими (<150 м/с) значениями скоростей продольных волн, где, собственно, и происходит оседание грунта вместе с опорами контактной сети и рельсовыми нитями. Пониженные значения скоростей в северной части профиля (ПК 0 – 96) связаны, вероятнее всего, с тем, что здесь в грунтах происходит нарушение структурных связей и их разрыхление за счет выноса геологического материала, то есть вся эта область, достаточно обширная, вовлечена в процесс суффозии, причем наиболее активная область выноса (ПК 66-96) характеризуется самыми низкими значениями скоростей продольных волн.

Георадиолокационная съемка производилась георадаром серии «ОКО» с различными антенными блоками по профилям, параллельным железнодорожным путям.

На разрезе георадиолокационной съемки (рис.3Б) аномальная зона в центре профиля отображается в виде локального погружения отражающих горизонтов с нарушением их сплошности, образуя воронкообразную форму.

Представленные результаты исследований, проведенные в различных инженерно- геологических условиях, на наш взгляд, наглядно демонстрируют широкие возможности и эффективность применения геофизических методов в комплексе с геологическими при изучении геологического строения проблемных участков железных дорог с целью установления причин деформаций земляного полотна.

Литература

1. Осипов В.И., Медведев О.П. и др.
   «Москва. Геология и город», Москва, АО «Московские учебники и картолитография», 1997 г.
2. Горяинов Н. Н., Ляховицкий Ф.М.,
   «Сейсмические методы в инженерной геологии», Москва, «Недра», 1979 г.
3. Коншин Г.Г.,
   «Вибросейсмическая диагностика эксплуатируемого земляного полотна», Москва, «Транспорт», 1994 г.