Россия снова научилась наводить мосты
Возведение Крымского моста оживило интерес к крупному и особо крупному мостостроительству в России. Обсуждается проект моста на Сахалин, реанимирован проект моста через Лену в Якутске, выдвигаются даже идеи моста в Японию и моста через Берингов пролив на Аляску. Опыт российского мостостроительства показал: у нашей страны есть научный задел и квалифицированные кадры для возведения уникальных мостов.
В России за последние годы построен целый ряд мостов, в которых применены передовые научно-технические решения. Это, например, Бугринский мост в Новосибирске, где использована система веерно-наклонных подвесов; вантовый мост через бухту Золотой Рог во Владивостоке; вантовый мост через Корабельный фарватер в составе Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурге; Коммунальный мост в Красноярске. Еще можно назвать мост на остров Русский (самый большой в мире пролет вантового моста), двухъярусный мост в Калининграде, мост через Амур в Хабаровске ("Амурское чудо", Алексеевский мост), мост через Иртыш в Ханты-Мансийске ("Красный дракон"), мост через Обь в районе Сургута.
Согласно Градостроительному кодексу РФ к уникальным относятся, в частности, сооружения с пролетами более 100 м.
Уникальные мосты требуют серьезной научной проработки и являются катализаторами развития новых научных направлений. Например, при строительстве моста на остров Русский впервые в отрасли была применена томография строительных конструкций, и эта эффективная технология затем была использована при строительстве транспортного перехода через Керченский пролив.
Причем научное сопровождение работ на столь сложных сооружениях охватывает все стадии — от обоснования целесообразности строительства до подписания акта Госкомиссии о сдаче моста в эксплуатацию.
В этой статье рассмотрены три выдающихся моста: Крымский, Сургутский и мост на остров Русский.
Крымский мост
Фото: Виктор Коротаев, Коммерсантъ
19 марта 2014 года президент России поставил задачу построить транспортный переход через Керченский пролив в автомобильном и железнодорожном вариантах.
Государственным заказчиком проекта было назначено управление федеральных автомобильных дорог "Тамань" (ФКУ упрдор "Тамань" Росавтодора), единственным исполнителем — ООО "Стройгазмонтаж", которое, в свою очередь, привлекло для разработки проектной документации ЗАО "Гипростроймост-Санкт-Петербург".
Транспортный переход запроектирован в виде двух параллельных мостов — автомобильного и железнодорожного, созданных по единой конструктивной схеме. Пролетные строения под автомобильную дорогу — балочные сталежелезобетонные разрезные и неразрезные индивидуальной проектировки. Над акваторией Керченского пролива пролетные строения металлические с ортотропной плитой. Расчетный пролет от 54,21 м до 64,20 м. Пролетные строения выполнены раздельными под каждое направление движения. В поперечном сечении пролет представляет собой две двутавровые главные балки, объединенные поперечными балками и системой вертикальных и горизонтальных связей.
Пролетные строения под железнодорожные пути — разрезные цельнометаллические, с ортотропной плитой, с ездой на балласте. Расчетный пролет от 54,6 м до 62,56 м. Пролетные строения раздельные под каждый путь, объединены на опорах домкратными балками. Главные балки пролетного строения коробчатого сечения, расчлененные по высоте на два блока, исходя из условия транспортировки.
Арочные пролетные строения длиной 227 м располагаются над Керчь-Еникальским каналом и обеспечивают подмостовой габарит 185х35 м.
Категория железнодорожной линии — II; категория автомобильной дороги — 1Б.
Общая длина перехода в границах проектирования — 19 км. Длина автомобильного моста — 16 857,28 м (последний участок автодороги идет по насыпи); длина железнодорожного моста — 18 118,05м.
Заместитель директора по проектированию АО "Институт "Гипростроймост-Санкт-Петербург"" Виктор Галас рассказал эксклюзивно для "Науки", в чем специалисты усматривают научную новизну Крымского моста, в трех аспектах: конструкция, способ сооружения / технологии, материалы / вещества:
— Крымский мост, безусловно, объект уникальный и знаковый для нашего мостостроения. Вообще, любой внеклассный мост, а тем более такого масштаба, можно считать уникальным, ведь он требует адаптации под себя существующих технологий, их совершенствования, разработки новых методов работы. В первую очередь это связано с конкретными природными условиями, в которых строится мост. В нашем случае — это специфичная ледовая обстановка, сложная геология, высокая сейсмика, непростой климат, небольшие глубины в Керченском проливе. С учетом этого был принят вариант с двумя мостами, идущими параллельно, с балочными пролетными строениями, за исключением фарватерного участка.
Строить 19-километровый мост мы решили широким круглогодичным фронтом. То есть мост не "растет" от берега к берегу, он поднимается снизу вверх. Стройка развернута одновременно по всей длине, и десятки технологических процессов запараллелены. Для строительства свайных фундаментов и опор были разработаны технологические комплексы и вспомогательные мосты. Такая технология редко применяется в мостостроении, но именно она позволила свести к минимуму зависимость от дорогостоящего техфлота, от значительной ветровой нагрузки — частых штормов, и выдержать сжатый график без ущерба качеству.
Три временных моста общей длиной почти 5 км, по которым сейчас осуществляется доставка рабочих, грузов, с которых выполняются разные технологические операции, начали возводить еще на этапе подготовки к стройке, в 2015 году. Это наши надежные помощники в акватории, способные выдержать и груженый самосвал, и тяжелый гусеничный кран. Каждый такой мост тяжелее металлической конструкции Эйфелевой башни.
Для создания фундаментов опор мы применили несколько тысяч металлических трубчатых свай большого диаметра. Если сложить их в одну линию, получится нить длиной 335 км. Это больше, чем от Керчи до Севастополя на автомобиле.
Трубчатые сваи были погружены на большую глубину — до 105 м — передвижными агрегатами с применением вибропогружателей и гидромолотов. Каждая свая поэтапно наращивалась из секций путем сварки кольцевых стыков, выставлялась под нужным градусом и забивалась до проектной отметки. Сварка кольцевых стыков выполнялась непосредственно на стройплощадке на трубосварочных базах типа БТС с применением автоматической двухсторонней сварки под флюсом. Такая технология характерна для процесса прокладки газонефтетрубопроводов. В мостостроении она применялась впервые.
Участок сваи, который работает в агрессивной морской среде, имеет антикоррозийную защиту в виде порошкового покрытия. Оно наносилось на поверхность труб в непосредственной близости от стройплощадки. На Таманском полуострове был развернут мобильный цех, технология нанесения покрытия включала восемь последовательных фаз.
В числе новых решений — антисейсмические устройства индивидуального проектирования, установленные между пролетами и опорами автодорожной части моста. Они работают по принципу ремней безопасности в автомобиле. В спокойном состоянии шок-трансмиттеры позволяют металлическим пролетам "дышать" при температурных расширениях метала, а если происходят резкие и сильные толчки, трансмиттеры жестко фиксируют конструктив, обеспечивая его целостность.
К новым решениям можно отнести и обтекатели — конструкции на фасадах самых больших, арочных пролетов моста. Обтекатели работают по принципу крыла самолета и обеспечивают безопасную работу конструкций с высокой парусностью в ветровом потоке.
Габаритные судоходные арки общим весом более 10 тыс. тонн были собраны на суше. Их транспортировка и установка на опоры над фарватером на высоту 35 м от уровня воды — это первая в истории отечественного мостостроения такая морская операция. Для ее проведения была изготовлена специальная плавсистема, а также разработана система мониторинга всех элементов арок. Сотни датчиков в режиме реального времени следили за перемещением конструкций по воде и их подъемом на проектную высоту домкратами. Все это уникальный опыт, полезный для будущих проектов, для развития мостостроения в нашей стране.
Мост через реку Обь у Сургута
Фото: Коммерсантъ / Геннадий Шишкин / купить фото
Фото: Марина Лысцева/ТАСС
Оригинальные конструкции и не менее оригинальный внешний вид делают Сургутский мост уникальным в мировом мостостроении. В мире есть несколько подвесных мостов с одним пилоном. В целом самый длинный из них в Германии, проложенный через Рейн. Но там длина основного пролета 360 м, а в Сургуте — 408 м. Общая длина всего Сургутского моста — более 2 км. Для поддержки конструкции потребовалось поднять над рекой 15 опор.
Проект моста был создан еще в 1980-х годах. Воплотить замысел взялся сургутский трест "Мостострой-11" (кстати, позднее мостоотряды треста принимали участие и в строительстве Крымского моста). Строительство моста началось в 1995 году, движение открыто в сентябре 2000 года. Впервые в условиях севера на сооружении конструкций моста была применена автоматическая сварка. Тросы толщиной около 7 см работают и в жару более +40 градусов, и в морозы до -60 (их изготовила английская фирма Bridon International Ltd.").
Мостовое сооружение с рекордным главным пролетом однопилонной вантовой системы отличается меньшим расходом металла балки жесткости, чем у зарубежных аналогов. Это потребовало внедрения ряда новых научных разработок.
Разработана и реализована новая технология навесного монтажа вантового пролетного строения, а также новый проект эксплуатации моста в части динамического мониторинга вантового пролетного строения.
Здесь впервые в России разработана технология и осуществлена сборка балки жесткости методом навесного монтажа из укрупненных блоков — и это в условиях севера. При этом были отработаны все особенности подъема блоков, их перемещения, фиксации и геодезического контроля.
Впервые в практике отечественного мостостроения в условиях Севера была отработана технология автоматической сварки монтажных соединений под флюсом с применением гранулированной металлохимической присадки, с использованием которой было выполнено более 25 км сварного шва.
Научно обоснована и реализована сборка блоков пилона на сплошных подмостях в уровне устанавливаемого блока с последующим его поворотом вокруг шарнира, установленного в основании блока.
Еще новинка: реализована технология демпфирования колебаний вант.
Для защиты металлической ортотропной плиты от коррозии и надежного сцепления металла с асфальтобетонным покрытием была отработана технология нового типа гидроизоляции на основе российских полимерных материалов серии "Поликров".
Создана конструкция аппарата и разработана технология покраски вант отечественным методом, коренным образом отличающимся от зарубежного.
Разработана и реализована технология надвижки пролетов длиной 132 м без временных опор и шпренгеля с устройством тросового гасителя колебаний. Создана конструкция узла дополнительной заделки вант.
Практическая ценность проекта заключается в том, что внедрение новых технологий позволило обеспечить сооружение моста через Обь у Сургута на год раньше нормативного срока — это позволило раньше открыть движение и обеспечить более раннюю окупаемость затрат. Проектирование и сооружение сургутского моста позволило вывести российское мостостроение на новый уровень — в области расчетов, экспериментальных исследований, изготовления и монтажа сложных конструкций в северных условиях. Важно отметить и то, что сургутский мост помог ученым и инженерам преодолеть психологический барьер, который отделял нашу страну от других стран, где строятся уникальные мосты.
Мониторинг состояния моста за 2000-2004 годы выявил наличие высокочастотных и низкочастотных колебаний вант и балки жесткости вантового пролетного строения. Эти колебания вызывают ускоренный износ вант и негативно влияют на работу вантового пролета в целом. Причиной их возникновения является ветровая нагрузка, параметры и динамика которой — из-за отсутствия отечественного опыта в проектировании вантовых мостов — были учтены не в полной мере. Однако высокочастотные колебания вант удалось позднее снять постановкой гасителей (демпферов).
Выявленные низкочастотные колебания носят кратковременный и редкий характер, тем не менее для обеспечения долговременной работы моста необходимо и их устранение.
Опыт строительства и эксплуатации моста используется в ОАО "Мостострой-11" (Сургут), а также в профильных вузах при изложении вопросов монтажа пролетных строений.
Мост на остров Русский
Юрий Сафонов, кандидат технических наук, главный инженер ФКУ упрдор "Тамань", принимавший участие и в строительстве моста на остров Русский, рассказал "Науке", какие инновационные решения были применены при создании автодорожного моста через пролив Босфор Восточный во Владивостоке.
— Впервые в российской практике для сооружения буронабивных свай опоры М-7 использовалась технология бурения с воды.
На рейде острова Русский был создан целый производственно-строительный комплекс. На морской стройплощадке пилона размером 90х40 м удалось сконцентрировать необходимое количество техники и оборудования. Здесь были задействованы пять кранов грузоподъемностью от 30 до 280 тонн (из них три плавкрана), на смонтированные прямо в море рабочие мостики выведены четыре буровые установки Junttan PM 26.
На полуострове Назимова глубина бурения скважин для буронабивных свай опоры М-6 доходила до 77 м при диаметре 2,2 м. Все работы велись на площадке 120х60 м, где было сконцентрировано шесть мощных машин реверсивного бурения, три обсадных стола, шесть кранов грузоподъемностью от 100 до 250 тонн, более 40 единиц специальной вспомогательной техники.
Специально "под мост" были спроектированы и изготовлены у ведущих мировых производителей Potain и Kroll высотные краны грузоподъемностью до 50 тонн, способные "расти" до 350 м. Бетонирование пилонов производилось с помощью оригинальной самоподъемной опалубки. Ее использование позволило повысить качество и в полтора раза снизить сроки сооружения монолитных железобетонных конструкций.
Для сооружения железобетонной балки жесткости применялись передвижные подмости. Их конструкция была выполнена в виде пространственной системы из 13 двутавровых балок, объединенных поперечными и диагональными связями. Для сокращения сроков монтаж подмостей был выполнен на земле, а подъем наверх конструкции весом более 900 тонн осуществлялся по технологии Heavy Lifting в течение одних суток.
При изготовлении блоков центрального пролета использовалась технология объемного лазерного сканирования.
Для центрального пролетного строения длиной 1104 м была применена усовершенствованная, так называемая компактная вантовая система. Вантовая система принимает на себя все статические и динамические нагрузки, именно от них зависит само существование моста. Компактная конфигурация вант с использованием оболочки меньшего диаметра способствует уменьшению ветровой нагрузки на 25-30%. При этом стоимость материалов пилона, балки жесткости и фундаментов снижается на 35-40%. Высокие показатели прочности, выносливости, коррозионной стойкости обеспечивают высокую долговечность — не менее 60 лет.
Сталежелезобетон — строительный материал, соединяющий железобетон и сталь и сочетающий их достоинства. Возможны различные варианты: железобетонная плита + стальной лист (листы), железобетонная плита в сочетании со стальными балками либо профилями и т. д.
Ортотропная плита. Ортотропия, частный случай анизотропии,— это неодинаковость физических свойств в перпендикулярных направлениях. Ортотропная плита сконструирована так, что ее жесткость различна в перпендикулярных направлениях. Применяется при строительстве мостов.
Двутавровая балка — балка с поперечным сечением в форме буквы Н. Название от латинского taurus (бык), двутавровая балка двурогая с обеих сторон.
Мост с ездой на балласте — мост, в котором поверх (стале)железобетонного полотна насыпается балласт — сыпучий материал, обычно щебень — и уже в него укладывается железнодорожный путь.
Керчь-Еникальский канал — углубленный участок Керченского пролива, морской судоходный канал, связывающий Азовское и Черное моря.
Категория железнодорожной линии II — вторая сверху по грузонапряженности и иным показателям категория железной дороги. Всего в российской классификации пять категорий.
Категория автомобильной дороги 1Б — вторая сверху по основным показателям категория автодороги. Всего в российской классификации семь категорий.
Трубосварочная база — комплекс оборудования для сварки из отдельных труб более длинных секций (обычно трубопровода).
Шок-трансмиттер — устройство (обычно гидравлическое) для перераспределения внезапных динамических нагрузок на строительную конструкцию. Используется, в частности, для повышения сейсмической стойкости строений.
Пилон — несущий элемент мостовой конструкции, опора вантового или висячего моста в виде рамы или отдельно стоящей стойки.
Вантовый мост — висячий мост, состоящий из пилона (или нескольких пилонов), соединенного с дорожным полотном стальными тросами — вантами.
Шпренгель — вспомогательная конструкция треугольной, трапецеидальной или многоугольной формы, присоединяемая к основной конструкции с целью ее усиления. Воспринимает на себя часть нагрузки.
Системы контроля уникальных мостов
Мосты — сооружения повышенного риска. При строительстве мостов в России создана многоуровневая система контроля качества, включающая контроль как со стороны генподрядчика и заказчика, так и со стороны государственных надзорных ведомств. Спектр применяемых приборов на таких сооружениях очень большой. Юрий Сафонов, кандидат технических наук, главный инженер ФКУ Упрдор "Тамань", рассказал "Науке" о томографии монолитных железобетонных конструкций и сварных соединений.
Еще в 1928 году профессор Ленинградского электротехнического института Сергей Соколов предложил для контроля строительных работ использовать ультразвук. Суть идеи в следующем: в исследуемый объект подаются ультразвуковые волны, ультразвук отражается от противоположной стенки и от внутренних пустот. Отраженные волны принимаются и выводятся на экран в форме эхограмм. Дефекты, встречающиеся на пути волны, влияют на эхограмму. По форме принятого сигнала можно судить о внутреннем состоянии объекта. Идея Соколова в послевоенные годы была применена на практике. С 1950-х годов ультразвук используется для измерения толщины металла, контроля сварных швов и поиска внутренних дефектов в металлах.
Но бетон, в отличие от металла, крайне неоднородный материал. Заполнители разных размеров, формы и плотности порождают хаотичное волновое отражение и ослабляют ультразвук, рассеивая и поглощая его. Все эти проблемы были решены в низкочастотном ультразвуковом томографе А1040 MIRA разработки научно-производственной фирмы "Акустические контрольные системы". Он позволил провести контроль конструкций из бетона, железобетона и камня при одностороннем доступе к ним — для определения целостности материала, поиска инородных включений и полостей, а также измерения толщины объекта. Данные представляются в виде томограмм по разрезам и в трехмерном виде.
В состав приборного обеспечения в последние годы входит высокочастотный ультразвуковой томограф на фазированных решетках. Его применение в разы (до 20 раз) увеличивает скорость контроля, а электронное сканирование сводит к минимуму человеческий фактор. Цель применения ультразвуковой фазированной решетки — надежное выявление дефектов разных типов, форм и ориентаций. Для этого проводят контроль объекта с разными углами ввода ультразвука. В обычных же пьезоэлектрических преобразователях угол ввода задается конструктивно, и для его изменения нужно использовать разные преобразователи, то есть проводить многократный контроль. А с помощью ультразвуковой фазированной решетки можно практически одновременно генерировать лучи под любыми углами, нужными для надежного выявления дефектов.