Сейсмошок. На что способен Крымский мост

Мост запроектирован под сейсмическое воздействие интенсивностью в 9 баллов. Но, прежде чем спросить, что это значит с технической точки зрения, хотелось бы понять: почему именно 9 баллов? Почему не 8 или 10? В Керченском проливе бывают такие разрушительные землетрясения?

Что такое сейсмическая опасность для объекта строительства? Это, по сути, ответ на вопрос, насколько вероятно землетрясение: а) в конкретном районе, б) определенного уровня, в) в определенный промежуток времени. Для расчета сейсмической опасности нужна, прежде всего, исходная база данных – данные о прошлом региона. И чем обширнее база, тем точнее оценка.

Считается, что самым сильным в районе строительства Крымского моста было Пантикапейское землетрясение в 63 году до нашей эры. Датировка и локализация основывается на фрагменте в сочинении «История против язычников» христианского апологета V века Павла Орозия: «… внезапно случилось столь сильное землетрясение, что за ним последовали ужасные разрушения городов и полей». «Одно из величайших землетрясений, когда-либо описанных» за два века до Орозия упомянул и римский историк Дион Кассий. Но оба автора «свидетельствовали» о землетрясении спустя несколько веков после самого события и явно не смогли бы уточнить, какова была магнитуда, интенсивность и где располагался эпицентр подземных толчков.

Так что специалисты дискутируют до сих пор: одни считают, что очаг находился в Керченском проливе и магнитуда не превышала 6,7, другие – что землетрясение возникло в Азовском море, у северных берегов Керченского полуострова, с магнитудой в 7,8, интенсивностью не менее 9 баллов. Как бы то ни было, многочисленные свидетельства сейсмических разрушений античных городов Боспора подтверждают: в II-I веках до н.э. здесь произошло мощное сейсмическое событие. Территориально – это береговая линия современной Керчи от Ени-Кале на севере до Героевского на юге. На таманском берегу следов землетрясения, произошедшего в тот же период, не обнаружено.

В нашей эре в акватории Керченского пролива, по мнению ученых, вероятно, произошли еще два мощных сейсмических события – в VI и в X веках. Эти выводы сделаны в первую очередь на основании археологических данных. Сейчас уровень сейсмической активности в Керченско-Таманском регионе низкий. «Сейчас» – это минимум 200 лет. За время инструментальных измерений – более 40 лет (с конца 1960-х по нынешний день) – здесь регистрировалось только несколько слабых сейсмических событий магнитудой не более 4,0. Данных о сильных землетрясениях нет и за предыдущие 150 лет. Последнее сильное землетрясение из самых близких к Керченско-Таманскому региону – это парное ялтинское событие 1927 года с магнитудой 6,7.

Такое сейсмическое затишье, как называют его специалисты, в свое время дало основание для начала строительства Крымской АЭС – на севере Керченского полуострова. И только в конце 1980-х специалисты обнаружили геологические и археологические свидетельства сильных землетрясений, произошедших здесь в прошлом, что заставило пересмотреть оценку сейсмической опасности. Так что к началу предпроектных работ по мосту в Крым определенное понимание, какова сейсмичность региона, уже было…

И возможность девятибалльных землетрясений вас не остановила? То есть в таком регионе можно возводить мосты?

А как же японские острова? Они находятся в зоне очагов сильных землетрясений – и это не становится препятствием для возведения мостов в регионе. А мост Рион-Антирион в Греции, который уже пережил несколько землетрясений? Мост Камнерезов в Гонконге – 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, база данных о сейсмической обстановке обширная.

В Керченско-Таманском регионе разрушительные землетрясения произошли сотни лет назад, достоверность данных о них низка. Особенно сложно оценить, действительно ли их очаги находились непосредственно в акватории Керченского пролива. Поэтому, прежде чем приступить к проектированию конструктива Крымского моста, мы провели значительный комплекс инженерно-геофизических изысканий.

Например?

Например, важно не только знать, какой силы возможны землетрясения, но и понимать, где могут быть их очаги, как будет распространяться сейсмическая волна, как на нее отреагируют грунты и, соответственно, какое воздействие окажет сейсмическая нагрузка на конструктивы инженерного сооружения.

При проведении изысканий были определены свойства грунтов с точки зрения распространения сейсмических волн. Для определения интенсивности сейсмического воздействия на мостовой переход привлекался Институт физики земли РАН. Специалисты института провели работы по уточнению исходной сейсмичности, сейсмомикрорайонированию, разработали искусственные акселерограммы сейсмических колебаний грунта.

Активные тектонические разломы расположены вдалеке от створа мостового перехода, но в регионе присутствуют выраженные признаки молодых тектонических воздействий в зонах Южно-Азовского и Южно-Керченского разломов. В рамках подготовки к проектированию летом 2014 года Институт физики земли развернул сейсмическую сеть – как на берегах Керченского пролива (сухопутные станции), так и в акватории (донные станции), – которая позволила исследовать сейсмичность локально, непосредственно в районе будущего строительства.

В результате этой работы была составлена сводная карта зон возможных очагов землетрясений для ближнего региона строительства в границах западного сегмента Северо-Западного Кавказа и Керченского полуострова, оценены их характеристики: глубина эпицентров, кинематика смещений. Определены зоны вне таких очагов, но с возможностью возникновения землетрясений рассеянной сейсмичности с магнитудой до 5.5 и с гипоцентрами на глубинах 10 км.

Затем специалисты выполнили сейсмическое микрорайонирование – по сути, определили значение сейсмической интенсивности непосредственно вдоль трассы моста на каждом участке с учетом его геологических особенностей. В процессе этой работы была уточнена суммарная сейсмическая интенсивность, которая меняется по длине мостового от 8 до 9 баллов. Для каждого участка трассы определили модели грунтовых толщ и рассчитали их частотные характеристики. В МГУ имени Ломоносова провели динамические испытания грунтов: определили их физические и прочностные свойства при возможном сейсмическом воздействии. По результатам изысканий были разработаны необходимые проектные решения.

Вы упомянули тектонические разломы. Противники проекта нередко апеллируют к этим неким разломам, над которыми проходит трасса моста.

Разломы находятся на удалении от трассы моста и на глубине в несколько десятков километров. Скажем, Южно-Азовский разлом – это северная часть Керченского пролива. Специалисты оценивают, что основная часть смещений здесь происходит примерно последние 25 тысяч лет со скоростью 2-3 мм/год. Выходов разломов на поверхность не обнаружено. Это означает, что по ним нет активных смещений. Разломы покрыты многокилометровой толщей глинистых грунтов твердой консистенции. Так что никаких ограничений на строительство моста с точки зрения влияния разломов нет. Например, все реки, как правило, текут по разломам. И это не мешает возводить мосты через реки. В нашем случае ситуация аналогичная.

Выходит, землетрясения в 9 баллов в Керченском проливе возможны, но потенциально, теоретически – может, завтра, а может в следующие 2000 лет?

Достоверно спрогнозировать землетрясение человечество еще не научилось. Можно определить возможные очаги, ожидаемую магнитуду землетрясения и тому подобное, но спрогнозировать землетрясение на срок службы моста – а это 100 лет – невозможно. Срок службы моста – это мгновение с точки зрения геологического времени. Однако в мировой практике оценивают риски, связанные с возможным землетрясением и его последствием.

Затем с использованием геофизических данных прогнозируется максимальное расчетное землетрясение, которое теоретически может наступить в любое время, но его последствия рассчитаны, а соответствующая сейсмостойкость конструкций заложена в проектном решении. В настоящее время мосты и другие инженерные конструкции становятся все более защищенными от землетрясения благодаря технологиям сейсмоизоляции и применения антсейсмических устройств, например, шок-трансмиттеров, демпферов и так далее.

Какие антисейсмические решения заложены в проект Крымского моста?

Фактически антисейсмическая защита моста начинается уже с его принципиальной конструктивной схемы. Это, например, сравнительно маленькие пролеты 55-63 м и, соответственно, большое количество опор (288 под автодорогу и 307 под железную дорогу), исключая фарватерный участок.

Следующее решение – фундаменты опор, состоящие не только из вертикальных свай, но и наклонных. Выбор типа фундамента и принятие решения о прямых или наклонных сваях зависит от конкретных условий. В наших условиях возможно разжижение верхнего слоя песчаных грунтов, а наклонные сваи как раз более эффективно способны воспринимать горизонтальное сейсмическое воздействие.

Применение наклонных трубчатых свай достаточно широко распространено 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 – от 50 до 90 м, где начинаются твердые глины сарматского яруса, которые выбраны в качестве несущего слоя.

Не забываем и о ледовой нагрузке. Ростверки с наклонными сваями лучше сопротивляются воздействию льда.

Для защиты конструкций от сейсмического воздействия используются антисейсмические устройства – шок-трансмиттеры. Это как ремни безопасности в автомобиле. Они позволяют пролетам моста «дышать», то есть беспрепятственно смещаться при перемещениях, вызванных температурными условиями. А во время землетрясения они срабатывают и распределяют сейсмическую нагрузку равномерно по опорам.

В современном мостостроении такие технологии широко распространены. Например, в России шок-трансмиттеры установлены на вантовом мосту через бухту Золотой Рог во Владивостоке. Подобные антисейсмические устройства установлены на мостах в Сочи, построенных к Олимпиаде 2014 года.

Но все же предположим, что та самая вероятность сработала и землетрясение в Керченском проливе произошло. Что в этом время будет происходить с мостом?

Существует макросейсмическая шкала интенсивности землетрясений. Согласно этой шкале землетрясение в 4 балла, думаю, водитель на мосту в процессе движения даже не почувствует – то есть не поймет, что это землетрясение. Землетрясение до 7 баллов можно, в принципе, рассматривать как обычную временную нагрузку. Никаких повреждений не возникнет. При землетрясениях более высокой интенсивности возможно растрескивание асфальта, деформация рельсов, дефекты деформационных швов, определенные деформации мостового полотна. После сильного землетрясения мост в обязательном порядке должен быть обследован и соответствующим образом отремонтирован.

Особенно интересно, как будет на фарватерном участке…

Конечно, при мощном землетрясении – свыше семи баллов– колебания арочных пролетов неизбежны. Но амплитуда колебаний не превысит 10-15 см.

Арки останутся на опорах?

Конечно. Арки закреплены на опорах при помощи специальных сдвиговых упоров, которые могут выдержать максимальное расчетное землетрясение.

Для вас это первый опыт проектирования моста в таких условиях? Насколько сложный для отечественного мостостроения этот проект?

У нас есть опыт проектирования протяженного сооружения в морской акватории. Это мост Де-Фриз-Седанка через Амурский залив во Владивостоке. Район характеризуется тяжелыми ледовыми условиями, однако грунтовые условия существенно лучше, а сейсмическое воздействие существенно слабее. Мы также имеем опыт проектирования мостов в районах с высокой сейсмичностью. Это мосты в Туркменистане, а также мосты, построенные к Олимпиаде 2014 года в Сочи.

Безусловно, мост через Керченский пролив – очень сложный объект для отечественного мостостроения. Только протяженность моста 19 км в морской акватории – уже сложность для мостостроения. Экстремальные природные воздействия, такие, как лед, ветер, волновая нагрузка, сейсмичность в сочетании со сложными грунтовыми условиями, делают проект уникальным по сложности не только в отечественном, но и в мировом мостостроении. С технологической точки зрения возведение моста через Керченский пролив – уникальная по сложности операция. Возведение моста ведется в тяжелых условиях морской акватории, традиционные технологии пришлось адаптировать под морские условия.