Proposals for the creation of high-speed transport highways in the Arctic zone: constructions and technologies

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одним из самых грандиозных проектов нашего новейшего времени является создание трансконтинентальной высокоскоростной магистрали через Берингов пролив.

Еще в начале ХХ века Российский Царь Николай Александрович Романов высочайше одобрил предложение о строительстве Сибирско-Аляскинской железной дороги от мыса Принца Уэльского на Аляске в Иркутск через туннель под Беринговым проливом через Верхнеколымск и Якутск. Но в связи с началом Первой Мировой войны проект был отменен.

24 апреля 2007 года в Москве состоялась Международная конференция «Трансконтинентальная Магистраль Евразия – Америка через Берингов пролив» [1], которая определила необходимость формирования единой глобальной сухопутной транспортной сети с целью обеспечения связи транспортных и энергетических систем Евразии и Америки. Предложено построить около 6 тыс. км железных дорог от Якутска до ближайшего узла североамериканской сети железных дорог через Магадан, Чукотку, Берингов пролив и Аляску в едином коридоре с линиями электропередачи и оптоволоконной связи. Техническая осуществимость такого проекта в настоящее время не вызывает сомнений у международного сообщества [1].

В марте 2015 года Президент РАН В.Е. Фортов (1946–2020) передал главе государства В. В. Путину четыре больших масштабных проекта, нацеленных на глобальное развитие страны, включая предложения по строительству скоростной железной дороги через Сибирь с выходом на Берингов пролив. Этот проект «Развитие», проект весьма затратный, но позволяющий решить многие проблемы по развитию огромного региона страны [2].

В Санкт-Петербургском государственном архитектурно-строительном университете (СПбГАСУ) в рамках студенческих научных исследований по теме «Инновационные предложения по созданию высокоскоростной транспортной системы Санкт-Петербурга», в частности, выполняются инициативные разработки альтернативных предложений по созданию окружной надземной высокоскоростной транспортной магистрали (ВСТМ) [3, 4]. Городские ВСТМ системы «Роса» проектируется на движение высокоскоростных пассажирских электропоездов с максимальной скоростью 500 км/ч, подлежащих разработке с применением технологий Маглев и ЕТТ (Evacuated Tube Transportation) [3–20]. Так в первой авторской статье под названием «К вопросу создания высокоскоростной транспортной магистрали в Санкт-Петербурге», опубликованной в электронном журнале «Транспортные системы и технологии» [3], разработана основная концепция ВСТМ «Роса» и представлены результаты научно-исследовательских работ (НИР) за 2017–2019 гг. по вышеуказанной теме (Часть 1). Были разработаны: окружная «кольцевая» схема и технологическая система магистрали, жесткая главная балка путепровода, представляющая собой составную многотрубную конструкцию с рельсовым путем 1520 мм и пониженным внутренним давлением на скоростных участках в каждой трубе, составляющим 1/10 от нормального атмосферного. В области строительных конструкций выполнено вариантное проектирование вантово-стержневых систем с выбором основного арочно-вантового варианта эстакадной конструктивной схемы, обеспечивающего жесткую поддержку балки путепровода [3].

Во второй статье «Предложения по строительству эстакадных конструкций и транспортно-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали в Санкт-Петербурге» [4] в продолжении данной темы представлены результаты НИР за 2019–2021 гг. (Часть 2), а именно: модернизация схемы прокладки транспортной магистрали; архитектурная компоновка зданий транспортно-пересадочных узлов (ТПУ); исследование предварительно-напряжения затяжек и вант на снижение основных усилий и деформаций элементов; расчеты конструкций наиболее высокого и нагруженного морского участка.

В настоящей статье по итогам исследований в 2021–2022 годах (Часть 3) выполнен анализ влияния наклона транспортной магистрали на внутренние усилия в элементах, исследования эстакадных конструкций и транспортных-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали для применения на Арктических участках при скорости движения на грузовых путях до 160 км/ч и пассажирских – до 1000 км/ч.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ВСТМ

Предложенная ранее ВСТМ [3, 4] обеспечивает удобные, быстрые и безопасные высокоскоростные транспортные связи мегаполиса с пригородами и близлежащими поселениями Ленинградской области. Такая магистраль относится к внеуличной сети, так как построена на высотных и большепролетных конструкциях на эстакадной основе, которые обеспечивают оптимальное преодоление естественных и искусственных преград, включая высотную высокоплотную застройку.

На Рис. 1 представлены конструктивно-технологические элементы или технологическая структура ВСТМ, обеспечивающая возможность ее функционирования на сложных площадках с перепадами высот H и уклонами i. Посредством указанных элементов обеспечивается работоспособность функциональных зон ВСТМ, характеризующихся как уровнем давления воздуха во внутренней полости транспортных труб (1/10 нормального давления воздуха) и соответствующим скоростным режимом движения составов, так и возможностью для составов подниматься на более высокие отметки либо опускаться вниз, например в депо.

 

Рис. 1. Основная технологическая структура транспортно-энергетической магистрали:

1 – балка-путепровод;

2 – многопролетная эстакада;

3 – здание ТПУ с кольцевым пандусом, позволяющим подъем-спуск состава по вертикали при движении по спирали (вариант 1);

4 – то же, с Т-образным перекрестком (вариант 2);

5 – здание ТПУ с кольцевым перроном для разворота составов (вариант 3);

6 – то же, для поворота магистрали (вариант 4);

7 – здание депо;

8 – состав из транспортных модулей;

9 – перрон для посадки и высадки пассажиров;

10 – спиральный пандус;

11 – опорные колонны здания ТПУ с лестницами и лифтами;

12 – ответвление путепровода;

13 – воздушная линия электропередачи;

14 – кабельная линия электропередачи;

h – высота положения балки-путепровода относительно земной поверхности;

Н – перепад высот по высоте между двумя положениями балки-путепровода магистрали

 

Главная балка выполнена четырехтрубной с рельсовым основанием в каждой трубе, отведенным под транспортные нужды, включая обратное направление. Для высокоскоростных цилиндрических модулей с пассажирами используются две трубы, расположенные по горизонтали, а для движения скоростных цилиндрических модулей с грузом, например с полезными ископаемыми, - две трубы, расположенные по вертикали, с устройством специального прохода для ремонтного персонала (рис. 2). Как вариант, для городских и пригородных условий целесообразно построение поперечной схемы балки-путепровода с двумя трубами для маломобильных пассажиров при скорости движения до 100 км/ч.

 

Рис. 2. Поперечное сечение балки-путепровода, усиленной предварительно-напряженными стальными канатами (затяжками), с центральным коридором

 

Конструктивно-технологическая схема ВСТМ на прямолинейном участке – перегоне между станциями ТПУ составлена из большепролетных арочно-вантовых эстакад пролетами 180 м и 360 м, обеспечивающих надежную и безопасную подвеску балки-путепровода. Процесс скоростного движения является равноускоренным с максимальным ускорением при движении пассажирских составов, составляющим a = 4,63 м/с² (0,47g) в течение 0,5 мин (30 с). Здесь предельное значение ускорения (замедления) назначается не превышающим 50 % (0,5 g) от ускорения свободного падения g, что является допустимым для пассажирского транспорта. Поезд набирает максимальную скорость V_max = 500 км/ч, но технология магнито-левитационной подушки с использованием пониженного давление в трубах позволяет достигать скорости 1000 км/ч и более. При движении на такой скорости достигается наименьшая продолжительность поездки, поэтому имеет смысл рассматривать более протяженные прямолинейные участки для обеспечения наибольшего времени движения на максимальной скорости.

Пассажирский состав общей длиной 88,0 м из 8 вагонов – модулей (общая вместимость 64 посадочных места в составе) внешне подобен скоростному поезду «Сапсан», но поперечный размер выполнен более узким, почти в 1,5 раза. Здесь обеспечен продольный проход с аварийными выходами в первом и последнем вагонах с двухрядной посадкой пассажиров. Цилиндрический транспортный модуль изготовлен на основе металлической трубы с продольным проходом и дверями типа «крылья чайки», которые поднимаются вверх при посадке – высадке.

Назначение г. Гатчина столицей Ленинградской области определило необходимость усовершенствования схема магистрали вокруг Санкт-Петербурга с добавлением нового участка ТПУ «Рыбацкое» – ТПУ «Павловск» – ТПУ «Татьянино» (Гатчина) (Рис. 3).

 

Рис. 3. Визуализация участка ВСТМ с ТПУ «Татьянино» (Гатчина) и интерьер перрона с пассажирским составом на разворотном кольце ТПУ «Татьянино»

 

Как правило, здания ТПУ имеют цилиндрическую форму исполнения и содержат в себе спиральные пандусы для спуска подвижных составов в обслуживающее депо на поверхности земли, например ТПУ «Рыбацкое» (Рис. 1, вариант 1). Ввиду стесненных условий промежуточная станция в Павловске выполнена в форме открытой книги по стандартной схеме без изменения высотного уровня путепровода магистрали, но обеспечивающая поворот направления движения поездов транспортной магистрали (Рис. 1, вариант 4). ТПУ «Татьянино» выполнено с платформой для посадки пассажиров и стоянки составов в виде разворотного кольца (Рис. 1, вариант 3) по форме в виде гриба также в связи со стесненностью площадки.

Следует заметить, что местность от Павловска к г. Гатчина представляет собой весьма возвышенную территорию с отметками до 110,0 м выше Балтийского уровня (Рис. 4).

 

Рис. 4. Принципиальная схема магистрали на участке ТПУ «Рыбацкое» – ТПУ «Павловск» – ТПУ «Татьянино» (Гатчина) на физической карте с высотами местности

 

Преодоление значительных вертикальных препятствий производится при учете допустимого продольного наклона путепровода в интервале 3–40 ؉ (промиле), принимаемого для водоотведения аналогично нормативным требованиям п. 5.3.9 СП120 «Метрополитены» и преодоления высоких мест (Рис. 5).

 

Рис. 5. Профиль рельефа местности магистрали на участке ТПУ «Рыбацкое» – ТПУ «Павловск» – ТПУ «Татьянино» (Гатчина) со зданиями ТПУ и осью путепровода с уклоном всего 3 ؉ (высоты и расстояния, в м)

 

В феврале 2022 года в Механической лаборатории СПбГАСУ имени профессора Н.Н. Аистова завершен модельный эксперимент для выяснения распределения усилий между элементами в сложных зданиях круговой формы. Целью эксперимента стало сравнение полученных результатов с теоретическими с подтверждением гипотезы о возможности расчета элементов кольцевого пандуса как кольцевых балок с жесткими опорами, что значительно упрощало понимание работы такой конструкции и ее проектирование. В процессе исследования принята модель ТПУ в масштабе 1:500 на основе первого варианта (Рис. 1), сваренная из стальных профилей коробчатого сечения размером 25х25х2 мм для стоек модели и 16х16х1 мм для балок пандуса (Рис. 6).

 

Рис. 6. Испытательная модельная установка для исследования каркаса транспортно-пересадочного узла с кольцевым пандусом, загружаемая весовой нагрузкой, с тензометрическими измерениями напряжений

 

Результаты эксперимента и расчета на ПК LIRA 10.8 показали отклонение в 10,7 % в сторону запаса прочности, чем подтвердили возможность таких приближенных расчетов балок спирального пандуса как однопролетных балок с защемленными опорами (Рис. 7).

 

Рис. 7. Расчетная пространственная модель и результаты расчета в ПК LIRA 10.8

 

Эффективность работы высокоскоростной транспортной магистрали весьа высока. Так, при скорости 500 км/ч продолжительность переезда от ТПУ «Татьянино» до ТПУ «Рыбацкое» со станцией метро «Рыбацкое», составит не более 13 мин при расстоянии 39 км, а от ТПУ «Рыбацкое» до ТПУ «Кронштадт», расположенных на схеме ВСТМ диаметрально, с расстоянием 83,4 км всего за 27 мин [4].

СХЕМА АРКТИЧЕСКОЙ СКОРОСТНОЙ МАГИСТРАЛИ

На этой основе, представленной в предыдущем разделе, разработаны решения по высокоскоростной Арктической транспортно-энергетической магистрали (АТЭМ). Магистраль берет свое начало в Северо-Западном регионе России (морской порт Усть-Луга), проходит по Ленинградской, Вологодской, Архангельской областям, Заполярному региону Европейской части, Сибири и Дальнего Востока, через Берингов пролив и заканчивается на Аляске, соединяя собой два континента.

Еще в советское время руководство страны понимало какой прорыв в экономике отдаленных районов страны может дать использование Северного морского пути (СМП), а в настоящее время освоение СМП продолжается наиболее интенсивно. Так «Газпром», «ЛУКОЙЛ», «Роснефть», «Росшельф», Красноярский край, Якутия, Чукотка являются его основными пользователями. Эксплуатация СМП приведет к снижению стоимости добываемой и производимой в Арктической зоне продукции и, как следствие, повысит ее конкурентоспособность на внутреннем и мировом рынках.

В августе 2022 года правительство утвердило план развития Северного морского пути до 2035 года (распоряжение от 01.08.2022 № 2115-р). Всего план включает в себя 150 мероприятий, которые входят в пять ключевых разделов, одним из которых является транспортное и энергетическое обеспечение. При этом создание АТЭМ несомненно представляется весьма эффективным решением в рамках развития береговой транспортной, электроэнергетической и аварийно-спасательной инфраструктуры, связывающей морские порты СМП на побережье Белого моря и Северного ледовитого океана (Архангельск, Тикси, Диксон, Певек и т. п.).

На Рис. 8 представлены предложения по устроительству двух Арктических скоростных магистралей:

• надземная АТЭМ (протяженность 9683 км) с отечественным и зарубежным участками «Усть-Луга - о. Ротманова» (8422 км), «о. Ротманова – Fairbanks» (1261 км);
• надводная магистраль «Мурманск – Шпицберген» (1350 км), которая будет рассмотрена в следующих публикациях.

 

Рис. 8. Схемы трех магистралей:

• надземная высокоскоростная Арктическая транспортно-энергетическая магистраль «Усть-Луга – Fairbanks» (красный цвет);
• надводная скоростная магистраль «Мурманск-Шпицберген» (фиолетовый цвет);
• Северный морской путь из Архангельска (зеленый цвет)

 

Предлагаемая Арктическая транспортно-энергетическая магистраль позволит соединить ключевые транспортно-логистические морские центры и в кратчайшие сроки доставлять к ним персонал, грузы, оборудование, обеспечивать электроэнергией и выполнять аварийно-спасательные функции, например при помощи аварийно-восстановительных поездов и специальной техники для спасения на суше и на море. Представленный вариант прокладки маршрута АТЭМ основан на нескольких важных фундаментальных принципах:

• магистраль АТЭМ проходит через важные логистические центры и города на морском побережье Северного ледовитого океана, на которых устроены пристани для ледокольного флота или развита добыча природных ископаемых;
• устраиваются протяженные прямолинейные участки для сокращения количества ТПУ, ездой с максимальной скоростью и обеспечением минимизации продолжительности поездки;
• минимальные перепады высот рельефа и уход от природных препятствий (гор, водоемов) для минимизации времени поездки.

 Станции с остановками или ТПУ, расстояние между ними и продолжительность поездки представлены в Табл. 1.

 

Таблица. АТЭМ, протяженность и продолжительность проезда

№	Участок		Длина (км)	Время проезда (мин) при максимальной скорости (км/ч)
				160	500	1000
1		Усть-Луга – Гатчина	110	43,62	15,65	9,08
2		Гатчина – Тихвин	188	72,87	25,01	13,76
3		Тихвин – Череповец	239	92,00	31,13	16,82
4		Череповец – Архангельск	591	224,01	73,38	37,94
5		Архангельск – Нарьян-Мар	677	256,26	83,70	43,10
6		Нарьян-Мар – МореЮ	296	113,37	37,98	20,24
7		МореЮ – Байдарацкая Губа	316	120,87	40,38	21,44
8		Байдарацкая Губа – Полярный Урал	83	33,49	12,41	7,46
9		Полярный Урал – Салехард	167	64,99	22,49	12,50
10		Салехард – Надым	280	107,37	36,05	19,28
11		Надым – Новый Уренгой	202	78,12	26,69	14,60
12		Новый Уренгой – Дудинка	560	212,38	69,66	36,08
13		Дудинка – Новая Река	609	230,76	75,54	39,02
14		Новая Река – Хатанга	98	39,12	14,21	8,36
15		Хатанга – Юрюнг-Хая	368	140,38	46,62	24,56
16		Юрюнг-Хая – Анабарский Залив	128	50,37	17,81	10,16
17		Анабарский Залив – Оленек	98	39,12	14,21	8,36
18		Оленек – Дельта Лены	353	134,75	44,82	23,66
19		Дельта Лены – Порт Тикси	80	32,37	12,05	7,28
20		Порт Тикси – Горный Хребет	57	23,74	9,29	5,90
21		Горный Хребет – Найба	90	36,12	13,25	7,88
22		Найба – Янский Залив	115	45,49	16,25	9,38
23		Янский Залив – Тумат	195	75,49	25,85	14,18
24		Тумат - Хромская Губа	284	108,87	36,53	19,52
25		Хромская Губа - Черский	650	246,14	80,46	41,48
26		Черский - Колымский Залив	114	45,12	16,13	9,32
27		Колымский Залив – Чаунская Губа	280	107,37	36,05	19,28
28		Чаунская Губа – Быстрый	137	53,74	18,89	10,70
29		Быстрый – Пролив Лонга	174	67,62	23,33	12,92
30		Пролив Лонга – Лагуна Тыркунгин	189	73,24	25,13	13,82
31		Лагуна Тыркунгин – Колючинская Губа	355	135,50	45,06	23,78
32		Колючинская Губа – Чукотское Море	89	35,74	13,13	7,82
33		Чукотское Море – Мыс Икигур	94	37,62	13,73	8,12
34		Мыс Икигур – Берингов Пролив	115	45,49	16,25	9,38
35		Берингов Пролив – Остров Ратманова	41	17,74	7,37	4,94
36		Остров Ратманова – Alaska	53	22,24	8,81	5,66
37		Alaska – Shishmarev	118	46,62	16,61	9,56
38		Shishmarev – Kotzebue Sound	111	43,99	15,77	9,14
39		Kotzebue Sound – Imruk	116	45,87	16,37	9,44
40		Imruk – Golovin	110	43,62	15,65	9,08
41		Golovin – Koyukuk	332	126,87	42,30	22,40
42		Koyukuk – Yukon	256	98,37	33,17	17,84
43		Yukon – Fairbanks	165	64,24	22,25	12,38
		ИТОГО:	9683	3733,07	1267,50	687,54
		ИТОГО (в часах):		62,2 ч	21,1 ч	11,5 ч

 

Даже с учетом требований по прокладке магистрали, приведенных выше, рельеф остается довольно сложным, что вызывает дополнительные трудности и финансовые затраты, а главное – увеличивает количество ТПУ и продолжительность поездки. Кроме того, скоростное преодоление высоких горных склонов приводит к дополнительным конструктивным усложнениям конструкций и фундаментов магистрали (Рис. 9), повышая материалоемкость, и ухудшает качество поездки в связи с восхождением и понижением положения поезда.

 

Рис. 9. Сравнительные расчеты арочно-вантовых конструкций АТЭМ на ПК LIRA10.8 с малым уклоном i=0,003 (верхний рисунок) и максимально допустимым уклоном i=0,040 путепровода (нижний рисунок); представлены эпюры моментов в пятипролетной раме из арок пролетом 180 м, загруженной в середине

 

На основании сравнительных расчетов следует вывод, что с повышением уклона возрастают продольные усилия на 8–18 %, поперечные силы понижаются на 14–29 %, а изгибающие моменты в балке путепровода снижаются существенно на 36–61 %, что подтверждает необходимость индивидуального проектирования каждого участка Арктической магистрали.

Таким образом магистраль на большом участке от Усть-Луги до пос. Черский на Колыме в Якутии можно провести с небольшим уклоном i ≤0,003…0,004, который будет обеспечивать как дренирование внутреннего пространства труб, так и в прохождении относительно невысоких перепадов с отметкой до 250 м по Балтийской системе высот. Но после пос. Черский (ТПУ «Черский Залив») вертикальные отметки путепровода АТЭМ уже достигнут почти 700 м (Рис. 10). Для решения этой проблемы предлагается альтернативный вариант с морским участком - минимальным количеством ТПУ и сокращением продолжительности проезда до конечного пункта – города Fairbanks на Аляске за 8–9 часов при скорости 1000 км/ч. На этом участке АТЭМ проходит в подводном пространстве между нижней поверхностью арктических льдов и дном Восточно-Сибирского моря (Рис. 11).

 

Рис. 10. Профиль Арктической ТЭМ и возможный надземный вариант ее прокладки (красная огибающая линия – ось балки путепровода)

 

Рис. 11. Альтернативный вариант с морским подводным участком (красная пунктирная линия)

 

Подводное прохождение Арктической транспортной магистрали в водах Северного ледовитого океана потребует глубокого исследования данного вопроса в настоящей перспективе, так как представляется весьма сложной технической задачей [20].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. При проектировании глобальной сухопутной транспортной сети данные исследования подтверждают возможность использования технологии ЕТТ (Evacuated Tube Transportation), а также магнитной левитации (технология Маглев), для высокоскоростной Арктической транспортно-энергетической магистрали.
2. По предварительным технико-экономическим показателям продолжительность доставки грузов по Арктической скоростной магистрали до Берингова пролива по сравнению с Северным морским путем (СМП) сокращается в 5,5 раза, а пассажиров – почти в 30 раз, но при этом протяженность проектируемой скоростной магистрали почти в 1,6 раза выше в связи с необходимостью обхода высоких прибрежных горных массивов, особенно в шельфе Восточно-Сибирского моря.
3. Предложен вариант Арктической транспортно-энергетической магистрали, позволяющий в перспективе соединить ключевые транспортно-логистические морские центры Северного ледовитого океана и в кратчайшие сроки доставлять к ним персонал, грузы, оборудование, обеспечивать электроэнергией и выполнять аварийно-спасательные функции, а также обеспечить проезд пассажира от Санкт-Петербурга до города Fairbanks на Аляске почти за 11 часов.
4. В дальнейших исследованиях следует рассмотреть подводные трубные магистрали, которые будут иметь протяженные прямолинейные участки длиной более 500-1000 км с минимизацией количества транспортно-пересадочных узлов.
5. Трансконтинентальная магистраль через Берингов пролив в целях обеспечения связи транспортных и энергетических систем Евразии и Америки представляется как самый грандиозный проект за всю историю человечества, сопоставимый с освоением космоса!

БЛАГОДАРНОСТЬ

Работа выполнена в рамках конкурса грантов, утвержденного решением Ученого совета Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета Минобрнауки России от 23.12.2021 №03, в составе НИР «Экспериментально-теоретические исследования эстакадных конструкций и транспортно-пересадочных узлов высокоскоростной магистрали» (шифр № 2С22).

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Nikolai A. Senkin

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: senkin1952@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7086-1960
SPIN-code: 1344-9412

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Dmitry M. Andreev

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Email: andreevd_m@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2242-5731
SPIN-code: 2740-6795

Bachelor of Science

Russian Federation, St. Petersburg

Valery S. Vasilev

St. Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: valera-vasilev-99@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9247-9818

Bachelor of Science

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files