На дороге имеются тоннели постройки конца прошлого и начала текущего столетия, пройденные в прочной скальной породе без устройства обделок. Поверхность выработок безобделочных тоннелей подверглась процессам естественного выветривания, в результате чего начали происходить отколы и падения отдельных лещевидных обломков породы весом до 20 кг, небезопасные для проходящих поездов и обслуживающего персонала.
Континентальные климатические условия, при которых в зимнее время происходят многократные замораживания и размораживания поверхности обнаженной породы и притекающих к ней по микротрещинам подземных вод, а также пар и сернистые газы из топок паровозов, эксплуатировавшихся до недавнего времени, являются основной причиной развития естественного выветривания.
По заданию службы пути для одного из таких тоннелей проектным институтом было в 1965 г. запроектировано укрепление в виде монолитной бетонной обделки полуциркульного очертания расчетной толщины 0,50 м (рис. 15).
Из-за сложности устройства бетонной обделки и необходимости предоставления продолжительных «окон» к выполнению работ по разработанному проекту не приступали.
Для обеспечения безопасности движения поездов при помощи передвижных подмостей было произведено сплошное обстукивание поверхности выработки с целью удаления породы с мест, где она издавала бунящий звук. Это мероприятие не решило в полной мере задачу по надежной защите.
Поскольку запроектированная обделка не предназначалась для восприятия нагрузки, а должна была служить только защитным покрытием, новаторы-путейцы предложили использовать в тоннеле накопившийся на дороге опыт по защите скальных и полускальных откосов выемок от процессов выветривания нанесением на них покрытии из аэрированных цементно-песчаных растворов. Было принято решение в опытном порядке покрыть поверхности безобделочных тоннелей аэрированным цементно-песчаным раствором («аэроцемом»).
В отличие от многих других известных способов устройства защитных покрытий в виде торкрет-бетона или шприц-бетон а покрытия из аэрированных цементнопесчаных растворов обладают рядом существенных преимуществ. При нанесении на очищенную от загрязнителей и хорошо промытую поверхность эти растворы обладают большой способностью сцепления, стойкостью к периодическим замораживаниям и оттаиваниям, а также к агрессивным средам. После схватывания становятся водонепроницаемыми. Механическая прочность покрытия подбором ее состава может быть доведена до 200 и даже 250 кгс/см2.
Аэрированные цементно-песчаные растворы представляют собой достаточно устойчивую эмульсию из воды, цемента, песка и специальной вспенивающей добавки. Их приготовляют из следующих материалов: портландцемента марки 300, песка речного с модулем крупности 2,7, предварительно просеянного через сито с ячейками 3 мм, вспенивающей добавки СПС — алкилбензосульфоната с содержанием натриевых алкилбензольфокислот 49,96 %.
Для покрытия поверхностей безобделочных тоннелей применяют аэрированные смеси двух составов: смесь № 1 для инъекций в трещины и нанесения первого слоя; смесь № 2 — для второго, выравнивающего слоя (см. таблицу).
Работы по нанесению аэрированного цементного песчаного раствора выполнялись по следующей технологии.
В подготовительный период неустойчивую (издающую глухой звук) породу убирают вручную с применением ломов, кирок, кувалд, затем сжатым воздухом очищают поверхность и отмывают ее водой со щелочью для удаления сажи и пыли.
Перед нанесением покрытия поверхность дополнительно увлажняют водой. Работы по нанесению покрытия выполняет бригада из трех рабочих по загрузке смесителя, дизелиста, обслуживающего механизмы, и сопловщика.
Аэрированный цементно-песчаный раствор приготовляют следующим образом. В барабан смесителя заливают необходимое количество воды и засыпают вспенивающую добавку. После запуска двигателя образуется пена, которая поднимается до уровня верхнего края барабана смесителя. Специальные перемеливающие лопатки приводят пену во вращательное движение и перемещают ее сверху вниз вдоль вала, что создает поперечное завихрение и проникновение воздуха в пену. Пену перемешивают в течение 1 мин. В барабан вначале подают песок, а затем цемент. После загрузки всех компонентов за счет аэрации в течение 4 мин получается раствор необходимой плотности. Микроскопические воздушные пузырьки, образующиеся при аэрации раствора, действуют как пластификатор, заменяя в смеси тонкие фракции, отделяя зерна песка таким образом, что раствор приобретает при низком водо-цементном отношении хорошую текучесть, устойчивость и прилипаемость.
Приготовленный раствор из смесителя перегружают в пневморастворонагнетатель, укладывают сферический диск и закрывают крышку, которую зажимами плотно закрепляют. Затем редуктором регулируют требуемое давление в пневморастворонагнетателе, открывают выпускной кран и смесь под давлением транспортируется шлангом к пистолету, а из него — на покрываемую поверхность.
При нанесении раствора сопло направляют перпендикулярно к обрабатываемой поверхности и перемещают по спирали. Сопло от поверхности должно находиться на расстоянии 0,30—0,70 м. Давление в пневморастворонагнетателе в зависимости от дальности транспортирования аэрированной смеси колеблется от 1,5 до 5 ат.
Боковая выработка ствола тоннеля обрабатывается без перерыва движения в такой последовательности: под давлением 4—5 ат инъектируют раствор во все имеющиеся трещины и одновременно наносят первый слон покрытия толщиной 5—7 см из аэрированной смеси состава № 1. На второй день после смачивания первого слоя наносят второй слой из аэрированной смеси состава № 2, толщиной 3—5 см под давлением 3—5 ат.
Нанесение покрытия на поверхность кровли тоннельной выработки производят таким же образом с применением подмостей, оборудованных на двухосном прицепе к дрезине АГМу, в «окно» продолжительностью 1— 1,5 ч.
Конструкция съемочных подмостей на дрезине АГМу (рис. 16) разработана новаторами-путейцами дороги и служит для облегчения осмотра и выполнения ремонтных работ в верхней части инженерных сооружений.
Рис. 16. Съемные подмости, устанавливаемые на дрезине АГМу.
Технико-экономические расчеты показывают, что защита поверхности безобделочных тоннелей от процессов выветривания и проникновения к ней подземных вод нанесением покрытий из аэрированных цементно-песчаных растворов обходится в 8—10 раз дешевле устройства монолитных обделок и в 3—4 раза дешевле торкретных покрытий. Таким раствором была успешно устранена серьезная деформация каменного свода в одном из перевальных тоннелей дороги. Начавшийся процесс сближения стен привел к образованию сквозной трещины в своде тоннеля шириной до 1,5 м и длиной 156 пог. м. Эту трещину в своде тоннеля полностью заполнили аэрированным цементно-песчаным раствором, нагнетавшимся под давлением около 6 ат, без устройства каких-либо опалубочных приспособлений.
Пятилетний опыт эксплуатации аэрированных покрытий показывает их бесспорное преимущество в техническом, производственном и экономическом отношениях в сравнении со всеми другими известными способами укреплений и, в частности, с устройством одевающих стен и торкретированием.
Нет сомнения, в том, что аэрированные цементнопесчаные растворы найдут широкое применение при осуществлении в путевом хозяйстве различных противодеформационных мероприятий.
Защита речных берегов от размывов.
Рис. 17. Скользящие массивы инж. С. А. Журавлева:
а — поперечный разрез; б — вид со стороны реки; 1 — брускн-салазки; 2 — направляющие бетонные балки или рельсы; 3 — бетонные балки 14X22 см
Горные реки характеризуются крутыми уклонами, порогами, большими скоростями течения, значительной извилистостью русел, резкими колебаниями уровня воды, что способствует возникновению размывных явлений.
Для защиты земляного полотна и сооружений железных дорог, проложенных вдоль горных рек, от разрушения в результате размыва берега строят различные защитно-укрепительные и регуляционные сооружения.
При проектировании речных берегозащитных сооружений наиболее сложным является определение глубины донного размыва, которая зависит на бурных горных реках не столько от грунтовых характеристик ложа русел рек, сколько от непрогнозируемых процессов их возможных переработок, вызываемых изменениями динамических условий стекания. Поэтому многие берегозащитные сооружения в виде речных стен, дамб, перемычек и шпор при постройке закладывались на значительной глубине, не вызывавшейся практической необходимостью, что вело к их значительному удорожанию, другие же наоборот заглублялись недостаточно, в результате чего подвергались подмыву и опрокидыванию.
В целях устранения этого недостатка на дороге запроектированы и построены оригинальные бесфундаментные сооружения, рассчитанные на автоматическое перекрытие мест размывов.
Рис. 18. Конструкция подпорно-оседающей стены инж. Каканова
Скользящие массивы конструкции инж. С. А. Журавлева, которые с 1939 г. строят на участках бурных горных рек Закавказья (рис. 17), укладывают под углом 45° к горизонту. По мере подмыва основания укрепленного откоса насыпи или берега реки эти массивы под действием собственного веса опускаются по направляющим брусьям и, врезаясь в грунт, препятствуют распространению размыва в сторону берега. Осевшие массивы сверху наращивают до проектных отметок.
Рис. 19. Самопогружающиеся трибары ТМО-2: а — поперечный разрез; б — вид со стороны реки
Подпорно-оседающие стены инж. Н. А. Кана нова располагают под углом 60—65° к горизонту, в связи с чем по мере подмыва основания откоса и опускания с врезанием в грунт массивов стены с помощью ножа (уголка), расположенного в их нижней части, эти массивы продолжают выполнять функцию подпорной стены (рис. 18).
Подпорно-оседающие стены, построенные на станции Боржоми в 1966 г., показали высокую эффективность при проходе катастрофического паводка 1968 г. в защите сильно размывающегося прежде берега.
На речных берегах с прижимным характером течения, подверженных постоянному размыву с отклонением русла реки к полотну железной дороги и образованием значительных глубин, исключавших возможность постройки укрепительных сооружений гравитационного типа, на Закавказской дороге по предложениям новаторов применяются следующие оригинальные способы защиты от размыва: гибкие шпоры из бетонных массивов; самопогружающиеся трибары (рис. 19), которые по мере наступления размыва медленно опускаются по откосу, предохраняя его от размыва; ныряющие буны (рис. 20), весьма эффективные в отжатии прибрежных течений и накоплении за ними наносного материала. Наклонное положение верхней грани ныряющей буны в сторону речного потока и ее конструктивная обтекаемость ослабляют вредное действие водоворотов, возникающих у головы буны, поэтому не развиваются глубинные размывы в этих местах.
Рис. 20. Ныряющие буны