Большую часть территории России, а именно 65%, составляет вечная мерзлота (криолитозона — верхняя часть земной коры, содержащая лед и различные газы). Несмотря на такое «неплодородное» название, именно на этих территориях сосредоточены основные природные богатства страны. В наше время здесь существует развитая инфраструктура, для сохранения и строительства которой активно используются особые технологии.
На первый взгляд жизнь в вечной мерзлоте может показаться непривлекательной в основном по причине достаточно сурового климата и отсутствия возможности возделывать землю. Однако особенностей здесь гораздо больше. Например, в вечной мерзлоте запрещены традиционные захоронения. В этих природных условиях тела не будут разлагаться и обязательно привлекут хищников. Кстати о них. Не умея стрелять и защищаться, человеку сложно придётся в этих краях. По этой же причине нежелательно нахождение в арктической зоне кошек — как раздражающего фактора для медведей.
Если иностранные северные земли крайне малонаселённые (две тысячи жителей норвежского Лонгйира при отсутствующей медицинской инфраструктуре живут в постоянной борьбе с природой), то в нашей стране в зоне вечной мерзлоты находятся развитые и крупные города. Население Мурманска, Якутска, Воркуты и других начало быстро расти ещё в советские годы. Вместе с приростом населения развивалась и инфраструктура.
Сегодня крупными российскими городами в вечной мерзлоте стали также Норильск и Дудинка (170 и 20 тысяч человек соответственно). Норильск является крупным центром цветной металлургии и входит в тройку самых комфортных российских городов, расположенных в суровом климате. Дудинка, в свою очередь, самый северный международный порт России. Полностью находятся в зоне вечной мерзлоты Норильск и Таймыр.
«Условия здесь неоднородны: мерзлота распространяется на глубину до 500 м, некоторые участки заняты незамерзающей породой (так называемый талик), а среднегодовая температура пород варьируется от минус пяти до плюс семи градусов. Все это накладывает отпечаток на условия строительства, — отмечает эксперт отдела адаптации научных исследований в области изменения климата «Норникеля» Гиорги Кунчулия.
Верхний слой мерзлоты кажется стабильным. На самом же деле мерзлота подвижна и динамична. Поэтому строительство в этом регионе вести сложно. Самая большая проблема для строителей — глобальное потепление и климатические изменения, вызывающие оттаивание и деградацию вечной мерзлоты. По данным Минприроды примерно 40% объектов инфраструктуры этой зоны подвержено риску деградации, что, по предварительным оценкам, принесёт к 2050 году ущерб в размере 5 трлн. руб.
Устойчивость фундамента и поддержание постоянного температурного режима — базовые основы строительства в данных условиях. Ускорить процессы оттаивания грунта могут ошибки при проектировании, неправильная эксплуатация помещения, что в итоге приводит к разрушению зданий. По этой причине почти сразу после основания города в 1936-1937 годах, быстро разрушились первые временные здания в Норильске — деревянный цех электролиза никеля и жилые бараки.
В те годы специалисты посчитали, что решением для возведения промышленных и гражданских сооружений станет конструкция нижнего перекрытия с вентилируемым подпольем, а в качестве опор здания железобетонные колонны или деревянные сваи, закладываемые в скважины.Технология оказалась несовершенной. Грунт приходилось оттаивать, а после установки сваю долго ждать пока мерзлота восстановится. В 1959 году была введена новая технология, предложенная инженером-гидротехником Михаилом Кимом. Дома начали ставить на сваях, скважины для которых бурили прямо в вечной мерзлоте. Практически весь Норильск построен по принципу сохранения мерзлого состояния грунта.
«При этом имеется достаточно много способов строительства и обеспечения теплоизоляции. Например, строительство на сваях с вентилируемым подпольем, возведение зданий и сооружений на подсыпках с теплоизоляцией поверхности, устройство холодных первых этажей, использование сезонно-действующих охлаждающих устройств или термостабилизаторов. Большая часть зданий в Норильске построена на сваях с проветриваемым подпольем», — пояснил Кунчулия.
Сегодня, прежде чем выбрать подходящий принцип строительства, специалисты проводят целый комплекс инженерных изысканий и проектирования.
По словам замначальника управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Росавтодора Сергея Гошовца, на нескольких трассах в зоне вечной мерзлоты — А-331 «Вилюй», Р-504 «Колыма», А-360 «Лена», Р-297 «Амур» наблюдается ускорение процессов деформации. В 2012-м на Р-297 «Амур» обнаружено 313 дефектов покрытия и, несмотря на оперативные работы по их ликвидации, к 2015-му году эта цифра выросла до 504.
По словам директора Института мерзлотоведения имени Мельникова Сибирского отделения РАН Михаила Железняка, изменчивость криолитозоны — самый сложный момент для дорожников. Для предотвращения деформации грунта стараются изолировать конструкции от воды и тепла: укладывают теплоизоляционный материал пеноплекс на основание земляного полотна, защищают откосы насыпей от солнца и осадков консольными навесами, устанавливают трубы, которые передают естественный атмосферный холод основанию дороги.
Новые разработки в деле можно увидеть на примере уникального нефтепровода Заполярье – Пурпе – Самотлор, введённого в эксплуатацию в России в 2017 году. Большая часть этого участка проложена над поверхностью земли и для реализации проекта были разработаны специальные опоры, устанавливаемые на свайных основаниях: неподвижные, продольно-подвижные и свободно-подвижные. Благодаря этой новой технологии трубопровод может незначительно двигаться без деформаций. Опоры при этом снабжены термостабилизаторами грунтов, которые поддерживают естественную температуру почвы. Эта разработка российских специалистов защищена несколькими десятками международных патентов.
Для внедрения новых технологий строительства требуется серьезная исследовательская работа. Уже в этом году «Норникель» совместно с Научно-исследовательским центром технологий строительства и мониторинга состояния зданий и сооружений Арктики ЗГУ им. Федоровского создаёт два мерзлотных полигона. Один из них и будет использоваться для испытания строительных технологий на многолетнемерзлых грунтах и новых типов фундаментов, верификации геофизических методов; данные будут использованы для построения прогнозных моделей.
Как отмечает Гиорги Кунчулия, «во всём мире создана система геотехнических полигонов с широким спектром геологических условий грунта для испытаний и проверки инновационных способов строительства. Однако в криолитозоне таких полигонов единицы. Норильск станет одним из первых регионов со своим полигоном».
В 2023 году также на российском Севере будут установлены 30 пилотных станций наблюдения. Вся система целиком из 140 станций будет осуществлять реализацию стратегических планов по освоению Арктической зоны РФ.
В течение ближайших трех лет в России запустят комплексную систему мониторинга вечной мерзлоты.
«Таяние мерзлоты может внести существенные коррективы в деятельность субъектов и целых отраслей, создать риски для сохранения целостности инфраструктурных объектов, включая нефтяные скважины, трубопроводы и другие. Задача мониторинга — своевременно фиксировать текущие изменения, анализировать их и способствовать оперативному принятию соответствующих решений», — пояснял глава комитета Госдумы по экологии, природным ресурсам и охране окружающей среды Дмитрий Кобылкин.
В СССР работала аналогичная система, прекратившая своё существование сразу после распада Советского союза. Число станций мониторинга в те годы было равно 20. Под руководством авторитетных советских инженеров и мерзлотоведов, работавших на Воркутинской мерзлотной станции Владимира Яновского, Леонида Братцева, Владимира Кудрявцева исследовались свойства вечномерзлотных грунтов для закладки угольных шахт, разрабатывались методики строительства жилых домов и железной дороги Воркута — Котлас, проводились опыты по ведению сельского хозяйства в Заполярье. Именно из Воркутинской мерзлотной станции вырос крупный стратегический промышленный район и заполярный город Воркута.
В деятельности «Норникеля» мерзлотный мониторинг занимает особое место. Он обеспечивает надежность эксплуатации объектов компании и сохранность экологической обстановки. Наблюдать за температурой по установленным нормативам нужно ежемесячно на этапе строительства объекта и не чаще двух раз в год на этапе эксплуатации. Но в «Норникеле» дополнительно запустили программу автоматизированного мониторинга. Она включает в себя масштабные исследования состава и свойств грунтов, восстановление сети наблюдательных термометрических скважин в регионе, комплексное обследование фундаментов и конструкций, выявление дефектов и отклонений и разработку программ геотехнического мониторинга. В рамках этой работы ведётся оснащение объектов компании различными датчиками и приборами, среди которых термометрические косы, термогигрометры, инклинометры, внедрение централизованной системы сбора, передачи, хранения, обработки и анализа данных, апробирование технологии дистанционного зондирования для качественной оценки величины вертикальных смещений. Результатом стало изменение подходов к проектированию и строительству: все новые объекты обязательно автоматизируются и включаются в информационно-диагностическую систему.
В 2022 году, реализуя госпрограмму фонового мониторинга мерзлоты, Заполярный филиал компании начал бурить глубокие 200-метровые скважины, была восстановлена скважина 1960-х годов в Норильске и пробурены четыре новые в населенных пунктах Талнах, Кайеркан, Оганер и в Дудинке.
Второй совместный полигон «Норникеля» и ЗГУ имени Федоровского расположится на ненарушенной (природной) территории для отработки методик проведения фонового мониторинга. «Наши действия позволят оценить влияние техногенных и климатических факторов на мерзлоту за последние 60 лет и разработать экономически обоснованные адаптационные мероприятия», — заключил Гиорги Кунчулия.
По материалам rbc.ru