Облегченные насыпи из XPS-блоков в железнодорожном строительстве

Фото: rbc.ru

Введение

Проблема не нова, но ее масштабы растут с развитием железнодорожного сообщения и реконструкцией железных дорог. Сегодня значительная доля железнодорожных участков в регионах Северо-Запада, Центральной России и Поволжья проходит в особых грунтовых условиях – по иольдиевым глинам, торфяникам, водонасыщенным, заболоченным и другим слабым грунтам, которых много в России (рис. 1). Так, на долю только одних болот приходится 10 % территории нашей большой страны или около 1,4 млн км², что примерно равно площади всей Западной Европы (!). В таких регионах регулярно возникают осадки, и даже небольшие изменения естественных условий (нагрузки на поверхности, поверхностного стока и т.д) могут привести к нарушению геометрии пути, снижению допустимых скоростей движения поездов и росту затрат на содержание железнодорожных линий.

На слабых, в том числе водонасыщенных, грунтах возведение традиционных насыпей сопряжено с целым комплексом сложностей. Прежде всего, часто оказывается недостаточной несущая способность основания, что ведет к риску выпора грунта из-под насыпи. Консолидация таких оснований и связанные с ней остаточные деформации растягиваются на годы – в отдельных случаях осадки продолжаются до 6–8 лет, требуя постоянных выправок пути и ограничений скорости поездов. На рис. 2 схематично представлены эти процессы, где штриховая линия черного цвета показывает исходный профиль насыпи на слабом основании.

Все это неизбежно снижает пропускную способность железнодорожных линий и многократно увеличивает эксплуатационные издержки. Такие участки в скором времени требуют реконструкции. Особенно сложно проходит реконструкция на грузонапряженных линиях, где невозможно остановить движение поездов, а изменение распределения нагрузок и вибрационные воздействия при производстве работ могут спровоцировать «перекос» эксплуатируемого пути и потерю устойчивости насыпи. Классические решения – пригрузочные бермы или свайно-ростверковые конструкции – требуют больших объемов земляных работ, длительных сроков возведения и значительных площадей для размещения вспомогательных сооружений. В связи с этим поиск конструктивно-технологического решения, сочетающего надежность, экономичность и скорость реализации, является не просто актуальным, а стратегически необходимым.

Принципиально новое решение для железных дорог открывает обустройство облегченных насыпей с использованием экструдированного пенополистирола (XPS) – технологии, успешно используемой в автодорожном строительстве уже более 20 лет в России и порядка 40 лет за рубежом.

Технология строительства облегченных насыпей из блоков XPS

Суть данной технологии заключается в замене части грунтовой массы объемным, сверхлегким заполнителем – блоками из XPS (см. справку). Разница в объемной плотности значительна: у 1 м³ грунта она составляет от 1500 до 2000 кг, тогда как у 1 м³ XPS – не более 45 кг. Таким образом, нагрузка на основание многократно снижается – до 45 раз. Это приводит к значительному сокращению осадки основания и насыпи в целом и ускорению их стабилизации, позволяя вводить объект в эксплуатацию уже на ранних этапах.

Справка

XPS (экструдированный пенополистирол) – легкий и прочный вспененный ПС, широко используемый в строительстве, чаще всего в качестве эффективной теплоизоляции. Его уникальные свойства обусловлены внутренней структурой, которая формируется при экструзии, в процессе которой исходные гранулы ПС расплавляются и насыщаются вспенивающим агентом, обычно газом CO₂. При выходе из экструдера эта масса вспенивается, образуя сплошной пласт («язык») с равномерной структурой из полностью замкнутых ячеек размером 0,1–0,2 мм. Именно эта мелкоячеистая структура придает материалу высокие прочностные, влагостойкие и теплоизоляционные свойства. После остывания этот непрерывный «язык» нарезают на плиты стандартных размеров, готовые к монтажу в качестве теплоизоляционного слоя. В таком виде XPS чаще всего и применяется в строительстве. Однако для создания облегченных насыпей, которым посвящена статья, технология идет дальше: после нарезки плиты сваривают в крупные блоки методом тепловой сварки нагретым инструментом. В этом непрерывном процессе плиты под нагревом и давлением соединяются в монолитный блок за счет частичного оплавления контактных поверхностей, что обеспечивает высокую прочность соединения. Эти массивные блоки и служат основным объемным заполнителем, обеспечивающим необходимые свойства облегченных насыпей.

Технология оказывается востребованной не только в регионах II–IV дорожно-климатических зон, но и в регионе I – в южной части зоны многолетнемерзлых грунтов (ММГ), где кровля мерзлоты значительно заглублена и применяется второй принцип проектирования, допускающий оттаивание грунта основания при строительстве и эксплуатации. В таких условиях талый слой зачастую обладает низкой несущей способностью, и предлагаемая технология также актуальна. При этом она не требует сложной строительной техники, не предполагает «мокрых» процессов и исключает вибрационное воздействие на соседние сооружения.

Конструктивно насыпь формируется следующим образом (рис. 3, а):

• XPS-блоки укладываются «вразбежку» в форме усеченной пирамиды и фиксируются стальными стержнями или зубчатыми соединениями;
• снизу устраивается выравнивающий и дренирующий слой поверх геотекстиля;
• после формирования полного профиля блоки покрываются геомембранами для защиты от внешних воздействий;
• сверху размещаются несущий и защитный слои, после чего укладывается верхнее строение пути.

В переходных к грунтовым насыпям зонах предусматривается ступенчатое изменение толщины массива из XPS-блоков, что обеспечивает плавное перераспределение жесткости подшпального основания и исключает концентрацию напряжений в местах перехода с грунтовой насыпи на облегченную.

Инженеры-проектировщики, участвующие в опытно-конструкторских работах, отмечают: «Мы не просто заменяем грунт – мы перекраиваем баланс сил в системе „насыпь–основание“. Это позволяет сохранить геометрию пути даже на самых проблемных участках».

При проектировании облегченных насыпей проводятся те же расчеты, что и для традиционных решений: оценивается несущая способность основания, устойчивость откосов, сроки консолидации и предельные осадки насыпей. Однако для данной конструкции дополнительно выполняются проверки на всплытие при подтоплении и определяется минимальная толщина защитного слоя, способного выдержать как строительно-монтажные, так и эксплуатационные нагрузки.

За рубежом данная технология применяется с 1980-х гг. – в первую очередь на подходах к мостам и путепроводам, где сочетание высокой насыпи (и, соответственно, значительной нагрузки) со слабым основанием делает традиционные решения ненадежными или экономически нецелесообразными. Именно в этих зонах перехода «жесткое сооружение – деформируемая насыпь» XPS-конструкции демонстрируют наибольшую эффективность, обеспечивая плавную передачу нагрузок и минимизируя осадки. То же касается заболоченных участков, мест уширения существующих насыпей, зон прокладки коммуникаций и даже сейсмически активных районов.

В России описываемая технология внедрена в дорожном строительстве с 2003 г. и показала значительные эффекты: снижение трудоемкости до 50 %, уменьшение зависимости от тяжелой техники, сокращение капитальных затрат до 20 % и, что особенно важно, ускорение ввода объектов за счет резкого уменьшения нагрузки и времени консолидации (см. рис. 3, б). Нормативную базу сегодня составляют ГОСТ Р 59697–2021 и ГОСТ Р 59698–2021, регламентирующие технические условия на XPS-блоки и правила их применения в облегченных насыпях, а также СТО 72746455-4.6.1-2013, содержащее методики расчета устойчивости, осадок, всплытия и защитных слоев. В железных дорогах эта технология пока не применялась, но уже включена в СП 119.13330.2024, который допускает использование облегченных насыпей как специальной меры при положительном технико-экономическом сравнении, а СП 238.1326000.2015 задает критерии по деформативности.

Технология в настоящий момент проходит адаптацию для железнодорожного транспорта. Научное сопровождение осуществляет Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС) при поддержке РАПЭКС. В рамках текущей научно-исследовательской работы специалисты ПГУПС анализируют мировой опыт применения XPS в железнодорожном строительстве, разрабатывают типовые сечения насыпей и методики испытаний, проводят лабораторные исследования материала при имитации железнодорожных нагрузок – на прочность, модуль упругости, ползучесть, водопоглощение и долговечность, а также формируют технико-экономическое обоснование рациональных областей применения.

Технико-экономические преимущества облегченных насыпей из блоков XPS

Уже сегодня известно, что при корректном подборе марки XPS демонстрирует предсказуемое и благоприятное поведение под нагрузкой, обеспечивает контролируемые деформации, а вариативность конструкций позволяет оптимизировать их под конкретные геологические условия. Взаимодействие блоков с грунтом обеспечивает устойчивую работу как в области малых, так и больших деформаций. Согласно литературным данным, при ограничении долговременных напряжений до 30–50 % от прочности и защите от агрессивных сред XPS сохраняет работоспособность не менее 100 лет.

Сравнение с классическими решениями подчеркивает преимущества облегченных насыпей. Так, применение пригрузочных берм связано со значительным объемом работ, а консолидация насыпи занимает годы, что неизбежно ведет к ограничениям скоростей железнодоожного транспорта и частым выправкам пути. Свайно-ростверковые конструкции насыпей обеспечивают их стабильность, но резко увеличивают сроки строительства и капитальные затраты. В отличие от них, облегченные XPS-блоки позволяют возводить высокие насыпи без многолетнего ожидания стабилизации: крупноформатные блоки быстро монтируются, удельная нагрузка на основание снижается кратно, а расчетные осадки уменьшаются до нескольких сантиметров, что не влияет на пропускную способность пути и позволяет сразу же вводить его в эксплуатацию.

Экономический эффект подтверждается расчетами: для показательного участка с иольдиевыми глинами стоимость строительства 1 км земляного полотна в виде облегченной насыпи из XPS-блоков составляет около 158 млн руб., что всего на 20 % превышает вариант с пригрузочными бермами, но в 3,5 раза ниже стоимости свайно-ростверковой конструкции. При этом интегральный эксплуатационный экономический эффект оценивается в 5,9 млн руб. на километр пути в год за счет снижения затрат на содержание путей, отсутствия ограничений скорости поездов и сокращения простоев. Чистый дисконтированный доход проекта остается положительным даже при реалистичных ставках дисконтирования, а срок окупаемости составляет 7,4 года.

Выводы

Таким образом, облегченные насыпи из XPS-блоков – это не инженерная фантазия, а зрелое, проверенное и масштабируемое решение, уже доказавшее свою эффективность в автодорожной отрасли и открывающее новые горизонты для железнодорожного строительства (рис. 4). Они позволяют радикально сократить сроки ввода в эксплуатацию, минимизировать риски нестабильности на всех этапах жизненного цикла и снизить совокупные издержки – от проектирования до содержания. Первые шаги к адаптации уже сделаны: идет разработка расчетных методик, испытания материалов, формирование технико-экономического обоснования. Впереди – реализация пилотных участков с комплексным инструментальным мониторингом и включение решений в профильные стандарты.

Внедрение технологии должно быть поэтапным и обоснованным, начиная с технико-экономического сравнения на стадиях ТЭО и проекта, продолжая реализацией опытного участка с мониторингом и завершая разработкой и утверждением специализированных отраслевых стандартов. Будущее железнодорожных трасс на слабых грунтах – не в усложнении конструкций, а в их оптимизации.

Lightweight Embankments Made of XPS Blocks in Railway Construction

Ya. S. Khomyakov

Modern road infrastructure development is not just about expanding the road network, but also overcoming increasingly difficult geological and economic conditions. This problem is especially acute in the construction and reconstruction of railway lines on weak, water-saturated soils, where traditional methods are either too costly or insufficiently effective. In this case, the optimal solution may be to use blocks of lightweight extruded polystyrene foam (XPS) in the construction of embankments.

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 1 (320) 2026 г., с. 44-47.