Как строить на "вечной мерзлоте"

Мерзлота впервые была описана ещё русскими землепроходцами Сибири, а её систематическое изучение началось с 90-х годов XIX века, в связи со строительством железных дорог. При Русском географическом обществе в Петербурге тогда же была создана комиссия для изучения мёрзлых пород, куда входили И.В. Мушкетов, А.И. Воейков, В.А. Обручев, М.А. Рыкачев, К.И. Богданович. В 1929 г. по инициативе М.И. Сумгина и при поддержке В.И. Вернадского в Академии наук СССР была организована Комиссия по изучению вечной мерзлоты (КИВМ) под председательством В.А. Обручева, а в 1939 г. – на её базе Институт мерзлотоведения им. В.А. Обручева АН СССР в Москве, который включал мерзлотные станции в Арктике и Сибири.

В России общая площадь районов распространения вечной мерзлоты равна примерно 10,7 млн. км², что составляет около 65% территории страны. В зависимости от степени распространения мерзлоты, различают области сплошного (более 90% площади), прерывистого (50% - 90%) и островного (10% - 50%) её распространения. В этих районах сосредоточено более 80% разведанных запасов нефти, около 70% природного газа, много других ценных ресурсов.

При освоении территорий с вечной мерзлотой возникают различные воздействия на окружающую среду и здания и инженерные сооружения. Во-первых, обычно происходит масштабное воздействие на природные условия в целом, изменяющие микроклимат, растительный покров, режим поверхностных и подземных вод, влажность и состав слоя сезонного протаивания и другие. Это приводит к изменению температур горных пород, глубины оттаивающего летом слоя, положения кровли и подошвы мерзлоты. Изменяются гидрологические и гидрогеологические условия, свойства горных пород, биосфера региона. Таким образом, возводить здания и инженерные сооружения приходится в иной обстановке, чем та, что была до возникновения нарушений, при проведении инженерных изысканий для строительства. Это необходимо учитывать, выполняя прогноз мерзлотных условий района освоения. Во-вторых, различные виды хозяйственного освоения территорий криолитозоны при различных видах строительства (гражданского, промышленного, линейного, гидротехнического) – для целей горнодобывающей промышленности и подземного строительства, развития сельского хозяйства – подразумевают различные виды воздействия на мёрзлые породы и, соответственно, различную их реакцию, что также необходимо учитывать при прогнозе мерзлотных условий. Такой мерзлотный прогноз выполняется на основе инженерных изысканий и научно-исследовательских работ, включающих оценку существующих условий на территории, возможных техногенных воздействий, тепловые расчёты и моделирование температурного режима горных пород, разработку защитных и природоохранных мероприятий. Это нужно выполнять ещё до начала капитального строительства.

По мнению выдающегося геокриолога В.А. Кудрявцева, основателя кафедры геокриологии в МГУ, при этом недостаточно описать существующие мерзлотные условия, «фотографию», по его выражению. Мало лишь измерить температуру в скважинах, которая регистрируется там сегодня, потому что она изменяется. Необходимо выявить закономерности формирования и развития вечной мерзлоты и сезонного оттаивания, оценить роль различных природных факторов, влияющих на температурный режим горных пород. Например, снег имеет выраженное отепляющее влияние, и при сокращении мощности снежного покрова будет наблюдаться понижение температур грунтов, и наоборот. Растительные напочвенные покровы, наоборот, как правило, охлаждают грунты, и при их нарушении, скажем, гусеничной техникой, происходит повышение температур грунтов, оттаивание мерзлоты, термокарст и другие неблагоприятные процессы. Затем следует использовать эти закономерности при составлении мерзлотного прогноза.

Если бы не происходило нарушения температурного режима горных пород при строительстве, протаивания (или наоборот, образования) вечной мерзлоты, можно было бы использовать методы, с помощью которых возводят здания и инженерные сооружения в областях, где криолитозона отсутствует. Практика такого строительства существует со времён первых цивилизаций Египта, Индии, Китая, а затем Европы, и приёмы хорошо известны за столетия освоения этих территорий. К сожалению, приход человека на Север сопровождался явлениями, неизвестными до недавнего времени. К ним относятся, например, оттаивание мерзлоты в основаниях зданий и сооружений, образование «чаш оттаивания» с осадкой грунтов и разрушением инженерных объектов. Таким образом, чтобы сохранить мерзлоту и предотвратить разрушения, необходимо разделить тепловыделяющее сооружение и мёрзлые породы. Требуется создание «подполья» - свободно проветриваемого пространства между поверхностью земли и сооружением, а само здание или сооружение установить на сваи.

Первые сведения об способах возведения сооружений на вечной мерзлоте приведены в 1876 г. в работе инженера И.А. Лопатина, а затем этот вопрос был изучен профессором Николаевской инженерной академии В.П. Стаценко в 1922 г., который и предложил впервые для сохранения грунтов основания в мёрзлом состоянии устраивать проветриваемые подполья. Что касается свай, то ещё в 1907 г. Н.А. Белелюбский применил их при сооружении моста на Екатерининской железной дороге. Эффективный способ изготовления бетонных свай был предложен русским инженером А.Э. Страусом – так называемые набивные бетонные сваи изготовлялись непосредственно в буровой скважине, в том числе с арматурным каркасом. Сваи Страуса получили распространение в том числе за границей и применяются до сих пор. Сегодня на таких сваях построено, и продолжает строиться значительное количество инженерных сооружений в китайском Тибете.

В Якутске в 1932–1936 гг. впервые была построена Центральная электростанция на фундаментах в виде колонн с башмаками и проветриваемым подпольем, консультировал строительство выдающийся мерзлотовед Н.А. Цытович. Интересно, что в проектировании принимали участие специалисты как Советского Союза, так и иностранные инженеры. Мировая практика ещё не знала такого крупного строительства в условиях вечной мерзлоты, вдали от промышленных районов. Консультант по строительству Днепрогэса Х. Купер отмечал, что проект имел проблемы, «из решения, которых технический мир почерпнул много поучительного».

Первые сваи при возведении зданий на вечномёрзлых грунтах применили строители Воркуты в 1937 г. В 40-е годы их стали использовать в Якутске под руководством Е.Л. Жорницкого, а в 50-е гг. в Норильском промышленном районе под руководством инженера М.В. Кима, бывшего заключённого Норильлага, изучавшего свойства вечной мерзлоты с 30-х годов и получившего впоследствии за жилищное строительство в Норильске Ленинскую премию. Затем В.К. Дмоховский, генерал-майор инженерно-технической службы (1943 год) показал, что винтовые сваи имеют преимущество в применении перед забивными при необходимости устройства фундамента в условиях вечной мерзлоты.

Сегодня сваи применяются и на магистральных трубопроводах на территории Сибири и в Северной Америке. На территории распространения мерзлоты допускается применение трёх видов прокладки: подземной, наземной в насыпи и надземной.

Подземная прокладка трубопровода: а - прямоугольная траншея; б - трапецеидальная траншея; в - смешанная форма траншеи; г - с балластом против всплытия; д - с винтовыми анкерами против всплытия (по http://neftelib.ru/neft-book/025/154/index.shtml)

Однако наземный способ прокладки трубопроводов часто не реализуется из-за высокого риска отказов, прежде всего из-за оттаивания в летнее время, которое приводит к погружению трубопровода. С другой стороны, для нефтепроводов часто другой вариант невозможен, из-за высокой температуры нефти и возможности оттаивания мерзлоты. Поэтому их устанавливают на сваи, как большую часть Трансаляскинского нефтепровода в США. На участках с повышенными значениями среднегодовых температур грунтов, а также с большой мощностью сезонноталого слоя применяют установку термостабилизаторов – сезонно-действующих охлаждающих устройств.

Термосифоны охлаждают сваи, поддерживающие надземный трубопровод Транс-Аляска к северу от реки Юкон. © S.A. Harris

Термостабилизатор (термосифон) – сегодня важная часть многих проектов в криолитозоне. Он работает по принципу переноса зимой естественного холода в основание фундамента и пассивного состояния летом. Когда впервые его придумали в Америке, использовалась обычная труба с керосином. Зимой верхняя часть трубы охлаждается, холодный керосин опускается вниз и понижает температуру грунтов, а летом такой циркуляции нет. Сейчас совершенствуются технологии устройства, увеличивается их эффективность, применяется аммиак, углекислый газ. В Тюмени создано большое предприятие по производству термостабилизаторов «Фундаментстройаркос», которое активно работает в Российской Арктике.

Технологии совершенствуются и в строительстве, изменяется материал свай, его шероховатость, конструкции, способы установки, но принцип, так называемый I принцип строительства на вечномерзлых грунтах, в большинстве случаев остаётся – сохранение грунтов в мёрзлом состоянии. Впрочем, обеспечить мерзлое состояние оснований бывает сложным делом, особенно на территории застройки, если наблюдается снегонакопление или нарушение поверхностного стока.

Здание на железобетонных сваях, построенное по I принципу строительства, с сохранением мёрзлого основания и проветриваемым подпольем, в зоне сплошного распространения многолетнемёрзлых пород в п. Харасавэй, полуостров Ямал. © A. Осокин

Впрочем, иногда может применяться и II принцип – с предварительным оттаиванием, например, если по прогнозу мерзлота рано или поздно оттает, следовательно, лучше это каким-то образом сделать ещё до строительства, или даже в процессе эксплуатации, если здание допускает деформации, и в этом случае основание также будет устойчивым. Необходимо быть осторожным при использовании этого принципа, осадки грунтов при оттаивании могут быть неожиданно велики, а их прогноз непрост.

Основания и фундаменты при II принципе использования грунтов: а - с допущением оттаивания многолетнемёрзлых грунтов в процессе эксплуатации, б - с предварительным оттаиванием многолетнемёрзлых грунтов; границы: 1 — многолетнемёрзлых грунтов в естественных условиях, 2 — после предварительного оттаивания, 3 — сформировавшихся в процессе эксплуатации (по https://megalektsii.ru/s26077t6.html)

Есть и промежуточный вариант – в частности, так называемый «метод стабилизации», если состояние частично опущенной кровли мерзлоты методами тепловой мелиорации поддерживается в стабильном состоянии. При этом необходим тщательный мерзлотный прогноз и контроль за состоянием основания.

Охлаждающие термостабилизаторы в проветриваемом подполье в условиях влияния подстилающих оттаивающих многолетнемёрзлых грунтов, кровля которых находится на некоторой глубине (Воркута). Таким образом поддерживается стабильное состояние положения кровли вечной мерзлоты (метод «стабилизации») и устойчивость фундамента © А.Брушков.

Таким образом, главное при строительстве на вечной мерзлоте -- во-первых, прогноз мерзлотных условий при освоении территории. Мы должны знать, что может произойти с мерзлотой при строительстве и нарушении природной среды, как изменится положение её кровли и подошвы, слой сезонного оттаивания, влажность грунтов, какие процессы могут развиваться – пучение, термокарст, термоэрозия. При этом необходимо учитывать и динамику климата, в частности, происходящее в настоящее время глобальное повышение температур воздуха, особенно выраженное в криолитозоне. Во-вторых, необходимо принять решение, по какому принципу строительства мы будем возводить здания и инженерные сооружения, что будет более экономически оправданно и безопасно. Если температуры низки, а мерзлота содержит значительное количество льда, предпочтительнее, как правило, I принцип, то есть сохранение мерзлого состояния грунтов. В этом случае принимаются меры по предотвращению попадания в мерзлоту тепла, устраиваются проветриваемые подполья, используются холодные трубопроводы, применяются термостабилизаторы.

Автор: Анатолий Викторович Брушков, доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.