ПОЧЕМУ НА ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ ВСЁ РЕШАЮТ МОСТЫ
Железнодорожные мосты это настоящая проверка на прочность. На огромных просторах нашей страны приходится создавать большие пролеты или строить опоры в очень сложных грунтовых условиях. Эти тихие труженики, которых мы не замечаем, настоящий авангард мостостроительной мысли.
Первой протяженной железной дорогой в России была Петербурго-Московская дорога, которая строилась в 40-е годы XIX века. На ней было построено около 200 мостов — впечатляющая цифра, и из них восемь — это очень длинные мосты, от 500 метров до километра. И здесь пришлось применить совершенно новую схему. Дело в том, что на ранних этапах мостостроения, например в Англии или США, иногда так называемые виадуки, или железнодорожные мосты, строили по традиции каменными арочными. Но, в отличие от автомобиля, повозки или человека, поезд не может спуститься в речную долину, преодолеть реку по какому-нибудь горбатому мосту и снова подняться на водораздел. Поезду нужно ехать по более или менее прямой линии. Поэтому мосты должны были стать очень длинными и очень высокими. Строить их из камня было просто неэкономично, это был очень большой расход материала. Поэтому после 2000-летнего господства арочных конструкций люди снова обратились к балкам, то есть к прямой конструкции, поставленной на две опоры.
Но балки строить нужно было по особой схеме — это так называемые ферменные балки. Что такое ферма Если сделать рамочку из четырех планок, то она у нас достаточно подвижная. Квадрат, как говорят математики и инженеры, — это изменяемая фигура. Если же сделать треугольник, то он будет достаточно жесткий сам по себе. И вот конструкция, составленная из треугольников, в силу своей жесткости (по-латыни «жесткий» — firmus) и называется «ферма», в данном случае мостовая ферма.
Первые фермы были деревянные, и привезли их американские инженеры, которые выступали консультантами на строительстве этой железной дороги. Как они были устроены У фермы есть горизонтальные детали — они называются «пояса»; наклонные детали — «подкосы»; и вертикальные — «подтяжки», в те времена это называлось красивым словом «тяжи». Фермы системы американского инженера Гау имели деревянные пояса и подкосы, но металлические тяжи, что было существенным улучшением и давало некоторую экономию. Но американец Гау принял все тяжи одинакового диаметра — для простоты и удобства. Он не рассчитывал, какого сечения они должны быть.
В это время на строительстве Веребьинского моста в современной Новгородской области работал молодой русский инженер, только что выпустившийся из ВУЗа. Звали его Дмитрий Журавский. Эта фамилия потом станет страшным сном любого студента-строителя, потому что формулу Журавского они сдают на сопромате. Журавский сделал достаточно логичное предположение: наверное, тяжи, которые находятся в середине пролета, и тяжи, которые ближе к опорам, будут испытывать разные усилия, тогда зачем же их все делать одинаковыми Наверное, надо все-таки рассчитать и сделать где-то потоньше, где-то потолще.
И Журавский сделал, пожалуй, самый красивый эксперимент — в истории строительства точно и, может быть, один из самых красивых в истории науки. Он сделал деревянную модель моста. Это достаточно очевидно, модели мостов делаются и сегодня, но вот если подкосы и пояса Журавский сделал из деревянной рейки, то тяжи он смоделировал с помощью Ну что могло металлического найтись в быту у молодого инженера Может быть, он играл на гитаре или на скрипке — в общем, он взял струны. Потом он нагрузил мост какой-то нагрузкой, имитирующей движение поезда, и затем совершенно гениально взял смычок и стал водить смычком по этим струнам. Струны давали разные ноты, а значит, были по-разному натянуты. Таким образом он доказал, что тяжи испытывают разную нагрузку и можно делать их разного сечения и где-то экономить на металле.
Такие фермы — деревянные, с металлическими тяжами с переменным сечением — вошли в историю под названием «фермы Гау-Журавского». Фамилия нашего соотечественника была зафиксирована в мировом масштабе. Но, к сожалению (а может быть, и к счастью), век этих конструкций был недолог: все-таки дерево не самый благоприятный материал для строительства железнодорожных мостов, потому что паровозы выбрасывают искры. Поэтому уже лет через тридцать все фермы Гау-Журавского в России были заменены на металлические, разработанные инженером Николаем Белелюбским.
Конечно, крупнейшим железнодорожным проектом в истории России была Транссибирская магистраль. На ней много знаменитых мостов: это и мост через Обь в Новосибирске, который дал начало городу; это мост через Амур в Хабаровске. Но, пожалуй, самым интересным с точки зрения инженерии является мост через Енисей в Красноярске. Его проект создал русский инженер Лавр Проскуряков — основатель московской школы мостостроения и кафедры мостов и тоннелей в Московском институте инженеров транспорта. На месте работу вел молодой московский инженер Евгений Кнорре, и вот именно он создал ряд очень остроумных решений для этого моста.
Мост необходимо было сдать к 1899 году, а начались работы в 1896 году. И надо принять во внимание, что Енисей — река очень бурная, с постоянными перепадами уровня воды, очень сложные грунтовые условия, постоянные бури, туман. Как провести строительство такого огромного моста, протяженностью около километра, в таких страшных условиях Кнорре не нашел ничего лучшего, чем строить мост только в зимнее время, когда на реке устанавливается лед. Но если посчитать общую протяженность зимних сезонов за эти четыре года, это не так уж и много. И поэтому Кнорре приходит очень остроумная идея, которая была реализована им впервые в мире: он строит мост методом надвижки. В чем он заключается В течение всего года, в том числе в летние месяцы, Кнорре строит на берегу огромные мостовые фермы длиной 150 метров и высотой 27 метров, как семиэтажный дом. А вот в зимнее время возводятся деревянные подмостки, по которым эти фермы просто накатываются на свои позиции. Больше всего это похоже на счеты: как перемещаются по счетам косточки, так и все мостовые фермы были надвинуты одна за другой на свои позиции.
Не менее остроумно Кнорре решил и строительство опор. Поскольку их нужно было строить в зимнее время, каким-то образом было необходимо достать до дна реки — закрытой льдом. Но все новое — это хорошо забытое старое. И на самом деле Кнорре применил технологию, которую искони использовали сибирские золотоискатели. В чем она заключается Это технология так называемого вымораживания шахт. Во льду делается прорубь, чуть не доходя до воды, оставляя тоненький слой льда в качестве ее дна. Поскольку тоненький слой льда не может оставаться тонким, он тут же промораживается, но в глубь реки, и становится снова толстым. В нем снова делается прорубь, но опять — чуть не доходя до воды. И так далее и так далее, и в конечном счете получается ледяная шахта, ледяные стенки которой уходят до самого дна реки и препятствуют проникновению воды внутрь шахты.
Теперь необходимо было поставить на дно реки так называемый кессон. Кессон — это старая технология, применяемая для строительства мостов начиная еще с XVIII века; собственно, слово французское, технология французская, слово caisson переводится как «ящик». По сути, это перевернутый ящик, который ставится на дно реки, в него закачивается сжатый воздух, этот воздух выталкивает из грунта воду, и уже сухой грунт можно вырабатывать и подавать на поверхность. Потихонечку кессон заглубляется в грунт, и в конечном счете он и становится фундаментом для мостовой опоры. Таким образом, сочетание вымораживания шахт и технологии кессонов позволило Кнорре даже в зимнее время продолжать строительство опор для моста.
Мост через Енисей в Красноярске длиной около километра и с огромными фермами с пролетами по 150 метров впечатлял.
Но все-таки такие мосты более уместно строить где-нибудь за городом или на окраине тогдашних городов, потому что в центре города огромные ферменные конструкции все-таки захламляют, а отнюдь не украшают панораму.
Задачу строительства железнодорожного моста в городских условиях блестяще решил в начале ХХ века в Москве уже упомянутый инженер Лавр Проскуряков. В то время Москва стала крупнейшим железнодорожным узлом и торговым центром России. Сюда сходились девять радиальных железных дорог, здесь было наибольшее количество предприятий. Поэтому возникла необходимость создать круговую дорогу, которая соединяла бы все эти радиальные и выполняла бы одновременно промышленные, торговые, транспортные и военные задачи, потому что начиналось это строительство накануне Русско-японской войны и дорога требовалась для быстрой переброски войск. Эта дорога изначально называлась Московская окружная железная дорога. На тот момент она была, пожалуй, крупнейшей городской железной дорогой в Европе. Общая протяженность — 54 километра, 72 моста, 30 путепроводов, из них четыре крупных моста через Москву-реку. Два из них — это мосты-близнецы Андреевский и Краснолужский. Когда-то они находились на въезде и на выезде в Хамовники.
Для двух мостов, которые были ближе всего к центру города, Лавр Проскуряков решил применить схему арочной фермы с ездой посередине. В таком случае мосты получались наиболее привычной для горожан арочной формы и при этом достаточно тонкими для того, чтобы не захламлять городские панорамы.
Что такое арочная ферма с ездой посередине Арка известна с древнейших времен. Это конструкция в виде бруса, изогнутого по дуге. Ее особенность в том, что в ней не возникает изгиба, как в балке, а возникает только сжатие, направленное по ее щекам. Но, избавляясь от изгиба, получается другая неблагоприятная нагрузка. Это так называемый горизонтальный распор. Если даже взять любую, скажем, линейку и согнуть ее в дугу, то, конечно, эта линейка стремится изогнуться обратно. Так же ведет себя любая арка. И вот, устанавливая посредине затяжку, которая и является пролетным строением, по которому едет поезд, можно отчасти решить задачу горизонтального распора: само дорожное полотно выполняет роль стяжки, компенсирует горизонтальный распор.
Строились эти мосты достаточно просто, все-таки пролет их не слишком велик — примерно 170 метров, а Москва-река в те времена, до строительства Канала имени Москвы, была достаточно мелкой и не очень широкой. Поэтому просто-напросто через все русло были построены деревянные леса нужного очертания, по которым выкладывались и скреплялись отдельные элементы прямо в проектном положении. Технология достаточно стандартная, старинная, но, в общем, не мудрствуя лукаво, так как условия позволяли, Проскуряков имел полное право ее применить.
Но, пожалуй, самая потрясающая операция, которая случилась с этими мостами, относится уже к концу ХХ столетия. Спустя 90 лет после своего строительства мосты в значительной степени обветшали и не могли пропускать современные, более тяжелые составы. Поэтому решено было построить на их месте новые, более современные мосты. Но что делать со старыми Можно было, конечно, сдать их в утиль, как поступили с тем же мостом через Енисей в Красноярске. Но, к счастью, тогда, в 1999 году, нашлась воля, чтобы сохранить эти очень красивые старинные ажурные конструкции. Их решено было перенести на новое место и превратить в пешеходные мосты. Нагрузка на пешеходные мосты гораздо меньше, поэтому «старички» могли продолжать служить москвичам.
Андреевский мост был перенесен первым — в 1999 году. Операция происходила следующим образом: под мост были заведены три баржи, которые сначала были слегка притоплены для того, чтобы их можно было завести под мост. Затем их стали дебалластировать, то есть откачивать из них воду. В соответствии с силой Архимеда они должны были всплыть и вытолкнуть мост. Идея была очень любопытная, но, к сожалению, она не сработала: слишком велик был горизонтальный распор, который притирал эти фермы к своим опорам. Поэтому пришлось немножко помочь домкратами, вытолкнуть эти фермы, и в конце концов они вместе с баржами поднялись. Затем к баржам приставили по два буксира, спереди и сзади каждой, и потащили на два километра вниз по течению на новое место. Передвижка заняла всего час и пятнадцать минут. Ну, конечно, в целом операция длилась гораздо дольше, потому что только 16 часов потребовалось на то, чтобы ювелирно ввести эту арку в новые, уже железобетонные, опоры. А в целом русло реки было закрыто на восемь дней, чтобы провести весь этот впечатляющий процесс. И сегодня этот мост называется Пушкинским, находится он между Пушкинской и Фрунзенской набережными — собственно, между парком Горького и Нескучным садом.
Еще более впечатляющая операция произведена была в следующем году с Краснолужским мостом, который находился на выезде из Хамовников — вдоль Бережковской набережной. Там русло реки сужалось ближе к Киевскому вокзалу, поэтому ферму повернули на 90 градусов, протащили вдоль русла, да еще и вверх по течению на два километра, потом вновь развернули на 90 градусов и поставили там, где она находится сегодня — между Киевским вокзалом и Плющихой.
Находки, сделанные русскими инженерами на рубеже XIXХХ веков, оказались настолько прорывными, что не теряют своей актуальности и используются при строительстве сегодняшних мостов. Хотя авангард сегодняшнего русского мостостроения скорее сместился в сторону мостов автомобильных. Но это уже совсем другая история.
