Что нам стоит мост построить

Сергей Кудияров
специальный корреспондент журнала «Эксперт»
12 марта 2018, 00:00

В ходе строительства Крымского моста используется целый ряд нетривиальных инженерных решений, зачастую пионерных в российской практике. Они могут быть тиражированы при возведении других крупных инфраструктурных объектов

ТАСС
Проект строительства Крымского моста уникален для России

В Южном федеральном округе полным ходом идет строительство Крымского моста между Крымским и Таманским полуостровами. Автомобильное движение по нему должно открыться уже в этом году, железнодорожное — в 2019-м.

Этот мостовой переход станет самым длинным в России и одним из крупнейших по интенсивности движения. Предполагается, что автомобильная часть моста будет состоять из четырех полос, ее пропускная способность достигнет 40 тыс. автомобилей в сутки, что является неплохим показателем для крупной автострады, — собственно, Крымский мост и будет продолжением автотрассы «Таврида», которая привяжет Крым к «большой земле».

Для сравнения: в 2017 году паромная переправа «Керченский пролив» обслуживала в среднем семь тысяч автомобилей в сутки. После ввода в эксплуатацию автодороги по Крымскому мосту интенсивность движения, по предварительным оценкам, может достигать 12–13 тысяч машин в сутки. Затем темпы роста стабилизируются и ежегодно будут составлять около 10–15%, так что к 2025 году автомобильный поток между Крымом и Кубанью в среднем прогнозируется на уровне 20 тысяч автомобилей ежесуточно.

Железнодорожная часть мостового перехода — это два электрифицированных пути с пропускной способностью до 47 пар поездов в сутки.

Ко всему прочему, проходя над фарватером Керченского пролива, мост не будет мешать судоходству — предусмотрены арочные пролеты длиной 227 м и высотой 35 м над уровнем воды.

На уникальность работ по строительству Крымского моста ранее уже указывал глава «Росавтодора» Роман Старовойт. По его словам, если бы проект мостового перехода через Керченский пролив реализовывался по стандартной схеме, это заняло бы «восемь–десять лет в лучшем случае».

«Эксперт» уже рассказывал об истории этого проекта (см. «Мост воссоединения» в «Эксперте» № 3 за 2018 год). Сегодня мы уделим основное внимание инженерным аспектам этого уникального проекта.

Зарываться не будем

Начать можно, пожалуй, с самой общей постановки вопроса: почему было принято решение строить именно мост, а не туннель под Керченским проливом?

Строители уверяют, что это было обусловлено соображениями инженерного характера. «Нам была поставлена задача — выбрать вариант по трем основным критериям: скорость строительства, надежность конструкции и, естественно, стоимость, — говорит председатель экспертного совета при научно-техническом совете “Автодора” по оценке инженерных изысканий и технико-экономического обоснования строительства транспортного перехода через Керченский пролив Олег Скворцов. — По всем критериям туннельный вариант имеет худшие показатели». Эксперт приводит три причины, по которым туннельный вариант нельзя было назвать оптимальным для Керченского пролива.

Во-первых, при таком решении невозможно обойти зоны тектонического разлома, а в этом случае конструкция становится ненадежной. Кроме того, когда строится туннель, швы герметизируют, под высоким давлением закачивают бетон с внешней стороны — создают защитную оболочку, которая не пропускает влагу. Специалисты высказали опасения, что существующие геологические условия (слабые грунты) не позволят обеспечить надежную гидроизоляцию из бетона, нагнетаемого под высоким давлением.

«Представляете, если случится землетрясение и произойдет разрыв туннеля. Маловероятно, что кто-то успеет выбраться. В нормах проектирования указано, что не рекомендуется строить туннель в таких геологических условиях. Это достаточно серьезный аргумент», — объясняет Олег Скворцов.

Второй причиной стала проверенная на опыте строительства различных туннелей возможность отклонения от проектной отметки (заданного проектом положения относительно исходного уровня) из-за слабых грунтов и вибрации оборудования. Вернуться на проектную ось можно, но это затраты и времени, и материальных средств. Скорость строительства туннеля была бы в полтора раза ниже, чем скорость строительства моста.

В-третьих, согласно нормам проектирования для функционирования двух параллельных туннелей длиной свыше 300 м для автомобилей и поездов необходим дополнительный туннель для эвакуации людей в случае пожара, аварии или иной нештатной ситуации. А это тоже дополнительные затраты времени и материальных средств.

Сам туннель при этом, с учетом грунтов Керченского пролива, пришлось бы строить на глубине порядка 100 м, что потребовало бы колоссальных затрат как на сооружение самого туннеля, так и на строительство подходов к нему, — шутка ли, при существующих ограничениях на наклон автомобильных и железных дорог опуститься от поверхности земли на такую глубину.

Шок-трансмиттеры обеспечат выживание моста при самых сильных землетрясениях 27-02.jpg
Шок-трансмиттеры обеспечат выживание моста при самых сильных землетрясениях

Две нитки дешевле одной двухъярусной

Фактически Крымский мост будет решен как два параллельных моста — автомобильный и железнодорожный. Почему же отказались от первоначально планировавшегося проекта единого двухъярусного моста? Технически это реализуемо — подобный мост, пусть и более скромный по масштабам, уже существует и успешно функционирует в Хабаровске (мост через Амур).

Однако такой вариант был бы заметно дороже. Проект строительства Крымского моста предусматривал использование свайных фундаментов на забивных металлических трубах. Вариант двух отдельных мостов позволил снизить требования по нагрузке на фундамент и использовать для свай трубы диаметром 1420 мм — фактически стандарта труб большого диаметра, широко используемого в России для строительства магистральных трубопроводов. Возведение совмещенного двухъярусного моста, напротив, потребовало бы использования труб диаметром 1720–2500 мм — нестандартных, куда менее распространенных и значительно более дорогих.

То же, как уверяют строители, можно сказать относительно прочих металлоконструкций: два моста позволяют использовать металлоконструкции по типовым технологиям, при этом также оптимизируются технологии строительно-монтажных работ.

Экономия относительно изначальной суммы составила 19 млрд рублей в ценах 2015 года — в значительной степени благодаря выбранному типу моста.

Стоит отметить, что в числе крупнейших мостов, пересекающих судоходные пути, Крымский мост оказывается единственным представителем конструкции ферменного типа. Обычно в мировой практике предпочтение отдавалось вантовым или иным висячим конструкциям — по крайней мере там, где мосты пересекают судоходный фарватер (см. таблицу).

Крымский мост станет редким примером фермового моста над судоходными путями 27-03.jpg ТАСС
Крымский мост станет редким примером фермового моста над судоходными путями
ТАСС

Больше опор, короче пролет

Крымский мост будет опираться на 595 опор, в том числе 288 под автомобильным и 307 — под железнодорожным мостом. Фундамент каждой опоры формируется «россыпью» свай из труб диаметром 1420 мм. Между Тузлинской косой и островом Тузла под каждой опорой восемь свай, в иных местах — двенадцать.

Сваи полностью собираются на стапеле на земле. После этого их поднимают краном грузоподъемностью 750 тонн с высотой стрелы 112 м на передвижную самоходную установку, которая применяется здесь вместо кондуктора (металлического каркаса, который «выставляет» сваю в проектное положение). Специалисты проверяют положение выставленных свай, после чего начинается их погружение с помощью вибропогружателя.

«Для формирования фундаментов опор мы используем три типа свай, — рассказывает заместитель директора по проектированию Института “Гипростроймост — Санкт-Петербург” Виктор Галас. — Глубина погружения буронабивных свай составляет в среднем 35 метров. Они сооружаются на участках, где прочные слои грунта залегают на сравнительно небольших глубинах, — это в основном таманский берег. На керченской стороне, где грунт наиболее благоприятен для строительства, возводятся опоры с фундаментами из призматических свай сечением 400 на 400 миллиметров. Их погружают в грунт на глубину в среднем 16 метров. А на остальных участках трассы моста используются стальные трубчатые сваи диаметром 1420 миллиметров с погружением до 94–95 метров в зависимости от геологии. Ну и еще одна особенность — сваи погружаются не только вертикально, но и с наклоном, что придает опорам дополнительную устойчивость».

Крупнейшие мосты через судоходные пути 27-04.jpg
Крупнейшие мосты через судоходные пути

Выбор типа фундамента и принятие решения о прямых или наклонных сваях зависит от конкретных условий.

«В условиях Керченского пролива возможно разжижение верхнего слоя песчаных грунтов, а наклонные сваи как раз способны более эффективно воспринимать горизонтальное сейсмическое воздействие, — поясняет технический директор института “Гипростроймост — Санкт-Петербург” Игорь Колюшев. — Наклонные трубчатые сваи достаточно широко применяются в мировом строительстве. Как пример — двухуровневый сталежелезобетонный мост через реку Падма в Бангладеш. Строительство ведется в районе с высокой сейсмической активностью и сложными грунтами: илистыми, песчаными, гравийными. Фундаменты опор у этого моста — свайные кусты из восьми наклонных стальных свай с глубиной погружения около 50 метров. В проекте Крымского моста глубина погружения трубосвай составляет от 50 до 90 м — зависит от того, где начинаются твердые глины сарматского яруса, выбранные в качестве несущего слоя. Не забываем и о ледовой нагрузке. Ростверки с наклонными сваями лучше сопротивляются воздействию льда».

Большое число опор, утверждает Виктор Галас, это тоже сознательное решение. При увеличении длины пролетов возрастает нагрузка на сократившиеся в числе опоры, пролетные строения в таком случае будут более тяжелыми, что потребовало бы как роста числа свай под каждой опорой, так и увеличения сечения свай.

В принятой конфигурации проекта, по словам заместителя генерального директора «Стройгазмонтажа» (компания — строитель моста) Леонида Рыженькина, преобладают пролетные конструкции весом порядка 150 тонн. При их возведении использовался преимущественно метод продольной надвижки, который заключается в следующем.

Элементы пролетов весом около десяти тонн доставлялись с заводов-изготовителей доставлялись автотранспортом на стройплощадку. На объекте они проходили входной контроль качества: проверялось их соответствие проектному решению, проводилась диагностика сварочных стыков и грунтовочного покрытия. Затем металлоконструкции поступали на сборочные стапели — специальные строительные леса, где проводилась их сборка в более крупные секции. Секции поднимались кранами и устанавливались на вспомогательные опоры в положение, близкое к проектному. Затем строители двигали их в акваторию по скользящим направляющим с помощью мощных домкратов — скорость движения составляла в среднем 0,25 м в минуту. На стенде тем временем укрупнялся очередной пролет, и вновь проводилась операция по движению «нити» пролетных строений в сторону фарватера. И так до тех пор, пока пролет, который первым вышел в море, не оказывался в своем проектном положении — непосредственно у фарватера. Здесь он примыкал к арке.

Такая технология широко используется в отечественном мостостроении, и Крымский мост здесь выделяется разве что масштабами.

Более грандиозную задачу представляла собой установка арок моста над судоходным фарватером пролива.

Железнодорожная арка весит шесть тысяч тонн при длине 227 м и ширине в нижней части 20 м. Автодорожная арка весит чуть меньше, 5500 тонн, при той же длине и ширине 30 м. Арки собирались на керченской стороне и устанавливались на опоры уже в готовом виде.

Операция по установке в морской акватории столь габаритных конструкций, как арки Крымского моста, в практике отечественного мостостроения проводилась впервые — аналогичного по масштабам, климатическим и гидрологическим условиям опыта у советских и российских мостовиков еще не было.

Установка арок потребовала создания специальной плавучей системы. Построенная на Севастопольском морском заводе плавсистема представляет собой две плавучие опоры, каждая из которых состоит из двух стальных понтонов, связанных между собой по типу катамарана. Один такой понтон весит 600 тонн при длине 60 м и ширине 16,5 м. Опоры были оснащены специальным палубным оборудованием для подъема арок на высоту 35 м — именно такова высота пролета в судоходной части моста.

Сейсмозащита

Керченский пролив находится в зоне высокой сейсмичности. Ученые полагают, что здесь могут происходить землетрясения силой до девяти баллов, хотя и крайне редко. В принципе, мощные землетрясения в этом регионе наблюдались и в исторический период. Известно, например, мощное пантикапейское землетрясение 63 года до н. э., серьезные сейсмические события в VI и X веках нашей эры. Последние двести лет в керченско-таманском регионе были довольно спокойными — зарегистрировано лишь несколько слабых сейсмических событий магнитудой не более четырех баллов (такое землетрясение водитель на мосту даже не почувствует).

Тем не менее вероятность повторения разрушительного землетрясения не исключена, на что постоянно указывают недоброжелатели Крымского моста, наблюдающие за стройкой с территории Украины.

Однако специалистов сейсмичность не пугает.

«А как же японские острова? — задает риторический вопрос Игорь Колюшев. — Ведь они находятся в зоне очагов сильных землетрясений, но это не становится препятствием для возведения мостов в регионе. А мост Рион-Антирион в Греции, который пережил уже несколько землетрясений? Мост Камнерезов в Гонконге тоже в зоне сейсмических воздействий. Мосты в Чили, мосты через проливы в Калифорнии... Правда, возможно, нашим иностранным коллегам, проектировавшим мосты в сейсмически активных зонах, было чуть проще — просто потому, что зоны как раз активны, и база данных о сейсмической обстановке обширная».

В самом деле, в Японии еще в конце XIX века, после разрушительного землетрясения 1891 года, стали практиковать антисейсмические мероприятия в мостостроении. Например, японцы строили массивные опоры мостов с параболическим очертанием боковых граней, при этом поперечные сечения опор плавно увеличивались в размерах от подферменной плиты к обрезу фундамента, что несколько повышало сейсмостойкость конструкций. А после разрушительного землетрясения 1923 года в Японии начали применять опоры с уменьшенной массой в виде железобетонных столбов, объединенных поверху ригелем.

Впрочем, сейчас существуют и более совершенные технологии сейсмозащиты. В той же Японии мостовой переход Акаши–Кайкё (часть транспортной системы, соединяющей острова Хонсю и Сикоку) рассчитан на землетрясения магнитудой до 8,5 балла и скорость ветра до 80 м/с. В 1995 году этот мост пережил землетрясение силой 7,3 балла (землетрясение в Кобе, унесшее жизни почти семи тысяч человек) — и успешно выдержал его.

На Крымском мосту между опорами и пролетами моста устанавливаются шок-трансмиттеры. Эти гидравлические устройства обеспечивают жесткое соединение конструкций при кратковременных воздействиях, вызванных сейсмической или другой динамической нагрузкой.

«Это как ремни безопасности в автомобиле. Они позволяют пролетам моста “дышать”, то есть беспрепятственно смещаться при незаметных перемещениях, вызванных температурными условиями. А во время землетрясения шок-трансмиттеры срабатывают и распределяют сейсмическую нагрузку равномерно по опорам», — объясняет Игорь Колюшев.

Шок-трансмиттеры состоят из поршня, штока и гидроцилиндра. Они позволяют беспрепятственные перемещения сооружения в трех направлениях в обычных условиях, но обеспечивают жесткое скрепление его частей при возникновении внезапной нагрузки от землетрясения или от торможения поездов и тяжелого транспорта. В этом случае трансмиттеры передают нагрузку на несущие конструкции.

Принцип действия шок-трансмиттеров основан на высоком сопротивлении вязкостной жидкости при быстром течении через узкую щель, отверстие или канал, и низком сопротивлении при медленном течении. В результате трансмиттеры обеспечивают запирающий эффект при быстрых воздействиях и очень низкое сопротивление — при медленных, таких как температурные перемещения или усадка. По действию шок-трансмиттеры можно сравнить с обычными гидравлическими амортизаторами.

На Крымском мосту применяются шок-трансмиттеры, воспринимающие нагрузки в 850 и 1500 кН (расчетное усилие в 85 и 150 тонн). На автодорожной части планируется установить более 760 таких устройств.

На железнодорожной части моста антисейсмическое закрепление пролетов иное. Неподвижные и линейно-подвижные опорные части спроектированы так, что при землетрясении сейсмические силы передаются на промежуточные опоры.

В современном мостостроении подобная технология антисейсмической защиты широко распространена. В России шок-трансмиттеры установлены на вантовом мосту через бухту Золотой Рог во Владивостоке и на мостах в Сочи, построенных к Олимпиаде-2014.

Элементом сейсмозащиты, как уверяют строители, можно считать и большое количество опор при сравнительно небольшой средней длине пролета моста.

Благодаря всему этому Крымский мост должен выстоять даже при землетрясение силой девять баллов — разумеется, с последующим осмотром и, по необходимости, ремонтом отдельных элементов конструкции.

Высота пролетов после ввода в эксплуатацию обеспечит свободный проход всех судов Азовского бассейна 27-05.jpg ТАСС
Высота пролетов после ввода в эксплуатацию обеспечит свободный проход всех судов Азовского бассейна
ТАСС

Проход судов

Еще один частый вопрос: а не станет ли новый мост с пролетами высотой 35 м мешать судоходству через Керченский пролив? Не лучше было бы строить вантовый?

В самом деле, вантовый мост через Золотой Рог во Владивостоке имеет габарит по высоте 60 м, вантовая судоходная часть Эресуннского моста между Данией и Швецией — 57 м.

Действительно, в «керченский размер» не вписываются суда размера Panamax (58 м) и Suezmax (68 м). Но такие гиганты через Керченский пролив никогда и не ходили.

Как пояснили в службе капитана морского порта Керчь, Керченский пролив мелководен, поэтому вдоль него почти на всем его протяжении еще в XIX веке был прорыт Керчь-Еникальский канал, состоящий из четырех колен. Ширина канала 120 м, проектная глубина — 9,35 м. Возможность прохода судов по Керчь-Еникальскому каналу обусловливается его гидрологическими особенностями, в том числе лимитирующими участками с физической глубиной до восьми метров. Эти природные особенности остаются неизменными более ста лет (со времен создания Керчь-Еникальского канала) вне зависимости от того, по правилам какого государства осуществлялось плавание — Российской империи, СССР, Украины или Российской Федерации.

Таким образом, уверяют в Минтрансе России, высота Крымского моста обеспечивает беспрепятственный проход всех судов, формирующих судооборот, исторически сложившийся в портах Азово-Черноморского бассейна с учетом гидрологии Керченского пролива.

Более того, после возвращения Крыма в состав России возможности для судоходства через Керченский пролив даже расширились. До 2014 года режим прохода судов по Керчь-Еникальскому каналу регулировался соответствующими правилами плавания, утвержденными приказом Министра транспорта Украины от 2002 года, в соответствии с которыми максимальный габарит судов ограничивался восемью метрами по осадке и 215 метрами — по длине. Согласно «Обязательным постановлениям в морском порту Керчь», утвержденным приказом Минтранса России от 21 октября 2015 года, для плавания по Керчь-Еникальскому каналу допускаются суда длиной до 252 м с осадкой не более восьми метров.

Ранее украинская сторона заявляла, что появление Крымского моста приведет к снижению грузооборота портов Азовского моря. В частности, Мариуполь якобы потеряет до 43% грузооборота.

Едва ли эти претензии имеют под собой основания. На Азовском побережье расположено несколько российских портов (Таганрог, Темрюк, «Кавказ», Ейск, Азов, Ростов-на-Дону), украинские Бердянск и Мариуполь.

Глубина у причалов и подходных каналов большинства российских портов Приазовья не превышает пяти метров. Мариуполь и Бердянск более глубоководны, но и они принимают суда с осадкой не более восьми метров, диктуемой возможностями Керчь-Еникальского канала.

При этом грузооборот украинских портов Приазовья уверенно снижался и без российского моста. Так, в 2010 году было зафиксировано 5110 судопроходов через Керчь-Еникальский канал на Бердянск и Мариуполь, а в 2013 году — 3762, то есть на 27% меньше. В общем, для умирающей экономики Украины габариты Крымского моста — последнее, что влияет на грузооборот ее портов.

Безопасность проезда

Стоит отметить, что при строительстве Крымского моста реализован и ряд мер по обеспечению безопасности транспорта.

Так, автотрасса будет обеспечена автоматизированной системой управления дорожным движением (АСУДД), предназначенной для централизованного управления транспортными потоками, а также процессами содержания и ремонта автомагистрали.

АСУДД включает несколько подсистем. Подсистема информирования водителей обеспечит участников дорожного движения оперативной информацией о текущей ситуации — заторах, пробках, сложных дорожных условиях. Подсистема сбора метеоданных ведет автоматическое наблюдение за такими параметрами, как температура и влажность воздуха, атмосферное давление, состояние дорожного полотна, наличие или отсутствие осадков.

Собранная информация будет оперативно выводиться на информационные табло. Например, в случае усиления ветра до штормовых значений водителям через табло оперативной информации может выдаваться соответствующее предупреждение.

Мост будет оборудован системами освещения. Мачты освещения на всем протяжении моста — металлические силовые опоры высотой девять метров с однорожковыми кронштейнами со светильниками. Они устанавливаются на консолях пролетов моста с внешней стороны. По берегам пролива на участках подъезда к мостовому сооружению, предусмотрены мачты с двухрожковыми кронштейнами, устанавливающимися на разделительной полосе. Расстояние между ними — 36 м, что позволяет равномерно освещать дорожное полотно.

Светильники полностью защищены от воздействия морского климата. Мост будет освещаться натриевыми лампами высокого давления с электромагнитным пускорегулирующим аппаратом.

Освещению придается большое значение, поскольку в Керченском проливе часто бывают туманы. При этом на трассе моста предполагается движение со скоростью до 90 км/ч.

Кроме того, мост оборудуется двухъярусным барьерным ограждением. C внешней стороны мостового полотна его высота составляет полтора метра, уровень удерживающей способности — 500 кДж, что эквивалентно удару легкового автомобиля на скорости 100 км/ч или грузового — на скорости 71 км/ч.

На разделительной полосе высота барьерного ограждения составляет 1,1 м, что позволяет выдержать удар в 350 кДж, что соответствует удару легкового автомобиля на скорости 90 км/ч или грузового на скорости 65 км/ч.

Таким образом, не только корабли смогут беспрепятственно проходить под Крымским мостом, но и водители могут не бояться упасть с 35-метровой высоты в волны Керченского пролива.

Переход на Восток?

Опыт, полученный при строительстве Крымского моста, может быть использован при реализации других столь же крупных инфраструктурных проектов. А они, по всей видимости, будут.

Например, строительство мостового перехода через Татарский пролив, который соединит остров Сахалин с «большой землей». В отличие от Крыма здесь речь, скорее всего, пойдет только о железнодорожном мосте. Но по масштабам этот проект все равно превзойдет крымский. Хотя ширина Татарского пролива в потенциальном районе строительства составляет всего около семи километров (сравнимо с показателями Керченского пролива), здесь, в отличие от густонаселенных и хорошо освоенных Кубани и Крыма, мостовой переход придется возводить фактически в пустыне. И потому речь будет идти о строительстве не то что подходов — полноценных новых железнодорожных магистралей совокупной протяженностью до 585 км. Причем в условиях сурового климата районов, приравненных к Крайнему Северу, — в отличие, опять же, от практически субтропического Крыма. Совокупная стоимость проекта может достичь 600 млрд рублей.

Фаворитом при выборе строителя будущего Сахалинского моста называют все тот «Стройгазмонтаж» — компания получила опыт работы с Крымским мостом и должна будет куда-то направлять свои мощности и персонал после 2019 года.

Кроме того, можно вспомнить проект моста через Лену в районе Якутска. Столица Якутии, будучи сугубо континентальным городом, все же не имеет надежной связи с основной полосой расселения. Ранее построенная (строительство завершено к 2013 году) Амуро-Якутская железнодорожная магистраль упирается в поселок Нижний Бестях на правом берегу Лены, в то время как сам Якутск раскинулся на левом. Советские инфраструктурные планы предусматривали в перспективе сооружение совмещенного автомобильно-железнодорожного моста через Лену. Однако эти были только планы. В 2013 году они приняли реальные очертания в соответствии с распоряжением правительства РФ, но мост через Лену теперь предполагается лишь автомобильный. «Росавтодор» планировал уже в январе 2014 года объявить победителя конкурса по данному проекту, а к 2020 году полностью завершить строительство этого моста протяженностью 1,9 км (с подходами — 3,1 км) стоимостью 56,3 млрд рублей (в ценах 2014 года).

Однако проект заморозили — Крым оказался в приоритете. В перспективе, однако, возможно возвращение и к строительству моста через Лену.