Какие технологии помогают строить на вечной мерзлоте

Фото: Freepik
Фото: Freepik
Вечная мерзлота занимает 65% площади России. В этих районах сосредоточены природные богатства и есть развитая инфраструктура. Рассказываем, какие технологии используются здесь для строительства и сохранения объектов

Особые условия: какими бывают города в вечной мерзлоте

Город в вечной мерзлоте — это всегда особые условия и много ограничений. Например, жители небольшого норвежского поселка Лонгйир на Шпицбергене обязаны уметь стрелять и носить винтовки на случай встречи с белым медведем.

Кроме того, тут запрещены традиционные захоронения. В условиях вечной мерзлоты тела не разлагаются и привлекают опасных хищников, так что покойников отправляют на большую землю. Также местные законы не разрешают держать кошек — опять же чтобы лишний раз не раздражать медведей.

Подземный лед

Вечная мерзлота, или криолитозона, — верхняя часть земной коры, которая имеет отрицательную температуру, в большинстве случаев содержит лед, замерзшую воду и различные газы.

Среднегодовая температура в Лонгйире составляет минус семь градусов, медицинская инфраструктура отсутствует, а жизнь проходит в борьбе с природой. Поселение выросло вокруг угольных рудников еще в начале XX века, и сейчас в Лонгйире проживают более 2 тыс. человек.

Как правило, иностранные города на севере — не очень большие. В России, напротив, есть много населенных городов, которые развиваются в зоне вечной мерзлоты. Например, Мурманск, Якутск или Воркута. Их население начало быстро расти в советские годы, когда возникали новые промышленные районы и активно строилась инфраструктура.

Среди крупных российских городов в вечной мерзлоте выделяются Дудинка (20 тыс. человек) и Норильск (более 170 тыс. человек). Дудинка — самый северный международный порт России, Норильск — крупный центр цветной металлургии. При этом Норильск входит в тройку самых комфортных российских городов, расположенных в суровом климате.

Фото:Александр Рюмин / ТАСС
Зеленая экономика Студенты Бауманки изобрели способ поддержать вечную мерзлоту

Слой сезонного оттаивания и сваи: как строить в вечной мерзлоте

Норильск и Таймыр, территория присутствия предприятий «Норникеля», целиком расположены в зоне вечной мерзлоты. Но 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», — констатирует Гиорги Кунчулия, эксперт отдела адаптации научных исследований в области изменения климата «Норникеля».

Строительство в зоне вечной мерзлоты — одна из самых сложных инженерных задач. Может показаться, что верхняя граница мерзлоты стабильна и никогда не меняется, но на самом деле она очень динамична. Большая проблема для строителей — глобальное потепление и климатические изменения, вызывающие деградацию вечной мерзлоты и ее оттаивание. Минприроды сообщало, что 40% объектов инфраструктуры в зоне вечной мерзлоты в Арктике подвержено риску деградации. К 2050 году ущерб от деградации может достичь 5 трлн руб.

Устойчивость здания, построенного в вечной мерзлоте, зависит от фундамента и поддержания постоянного температурного режима. Ошибки при проектировании или неправильная эксплуатация могут ускорить процессы оттаивания грунта, и строение в итоге деформируется или даже разрушится. Например, первые временные здания в Норильске — деревянный цех электролиза никеля и жилые бараки — пришли в негодность очень быстро и разрушились уже в 1936–1937 годах, почти сразу после основания города.

В 1937-м специалисты «Норильскстроя» пришли к выводу, что в условиях вечной мерзлоты основным решением для возведения промышленных и гражданских сооружений является конструкция нижнего перекрытия с вентилируемым подпольем, а в качестве опор здания нужно использовать либо железобетонные колонны, либо деревянные сваи, которые закладывались в скважины.

Эта технология была несовершенной: грунт прогревали, он оттаивал, в скважину ставили сваю и потом долго ждали, пока мерзлота восстановится. В 1959 году инженер-гидротехник Михаил Ким решил проблему, предложив ставить дома в Норильске на сваях, скважины для которых бурили прямо в вечной мерзлоте. Без оттаивания фундамент приготавливали в несколько раз быстрее. Мерзлое состояние грунта сохраняется, и домам на сваях при правильной эксплуатации ничто не угрожает.

Почти весь Норильск построен именно 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», — рассказывает Кунчулия.

Строить на российском Севере можно по-разному, и сохранение мерзлого состояния — не единственный вариант. Так, инженеры могут предусмотреть возможность оттаивания, можно также строить на скальных грунтах или даже на талых, как в Центральной России. Все зависит от природных условий района, которые тщательно изучаются перед началом строительства.

Для выбора правильного принципа строительства проводится целый комплекс инженерных изысканий и проектирования. «Сейчас в рамках программы реновации в Норильске идут проектно-изыскательские работы и начато строительство ряда социально значимых объектов», — отмечает Кунчулия.

Дороги, трубы и вечная мерзлота

  • Замначальника управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Росавтодора Сергей Гошовец рассказывал, что на нескольких трассах в зоне вечной мерзлоты — А-331 «Вилюй», Р-504 «Колыма», А-360 «Лена», Р-297 «Амур» — наблюдается ускорение процессов деформации.
  • Например, в 2012-м на Р-297 «Амур» было зарегистрировано 313 дефектов покрытия. Несмотря на оперативные работы по их ликвидации, к 2015-му количество деформаций выросло до 504.
  • «Изменчивость криолитозоны — самый сложный момент для дорожников», — подчеркивает директор Института мерзлотоведения имени Мельникова Сибирского отделения РАН Михаил Железняк. По его словам, для предотвращения деформации грунта дорожники в первую очередь 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.
  • В 2017 году в России ввели в эксплуатацию уникальный нефтепровод Заполярье — Пурпе — Самотлор. Большая часть участка Заполярье — Пурпе проложена над поверхностью земли. Для реализации проекта с нуля были разработаны специальные опоры, устанавливаемые на свайных основаниях: неподвижные, продольно-подвижные и свободно-подвижные. Благодаря новой технологии трубопровод может немного двигаться без деформаций. Опоры при этом снабжены термостабилизаторами грунтов, которые поддерживают естественную температуру почвы. Разработка российских специалистов защищена несколькими десятками международных патентов.

Источники: материалы Росавтодора, журнал Neftegaz.ru

Для внедрения новых технологий строительства требуется серьезная исследовательская работа. «Норникель» совместно с Научно-исследовательским центром технологий строительства и мониторинга состояния зданий и сооружений Арктики ЗГУ имени Федоровского в 2023 году планирует создать два мерзлотных полигона.

По словам представителя компании, один из них будет использоваться для испытания строительных технологий на многолетнемерзлых грунтах и новых типов фундаментов, верификации геофизических методов; данные будут использованы для построения прогнозных моделей.

«Во всем 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», — комментирует Гиорги Кунчулия.

Фото:Pexels
Экономика инноваций Дождь из микропластика и невечная мерзлота: главные вызовы экологии в РФ

Скважины и датчики: как сохранить постройки

В течение ближайших трех лет в России запустят комплексную систему мониторинга вечной мерзлоты. Уже в 2023-м на российском Севере планируется установить 30 пилотных станций наблюдения. Всего же система будет включать в себя 140 станций. Она необходима для эффективной реализации стратегических планов по освоению Арктической зоны РФ.

«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.

Аналогичная система работала в СССР, но в 1990-е она фактически прекратила свое существование. Впрочем, в советский период число станций мониторинга было меньше, чем планируется построить сейчас, — около 20. Тогда исследователи занимались различными прикладными задачами. Например, 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 (были предложены способ возведения зданий на подсыпках и строительство зданий с проветриваемым подпольем), осуществлялись изыскания для прокладки первой в условиях вечной мерзлоты железной дороги Воркута — Котлас, проводились опыты по ведению сельского хозяйства в Заполярье.

Благодаря разработкам Воркутинской мерзлотной станции в СССР появился крупный стратегический промышленный район и большой заполярный город. Сейчас Воркута считается так называемым сжимающимся городом — за последние 30 лет численность населения снизилась со 116 тыс. до 54 тыс. человек. Новые здания в Воркуте сейчас не строят. Многие жители стараются продать свою недвижимость и уехать, из-за чего цены падают. Например, трехкомнатную квартиру здесь можно приобрести за 160 тыс. руб. Без новых станций мониторинга вечной мерзлоты ситуация вряд ли изменится: постройка новых домов и социальных объектов требует тщательного изучения грунтов.

Мерзлотный мониторинг занимает особое место и в деятельности «Норникеля». Центр мониторинга зданий и сооружений Заполярного филиала компании всегда следит за состоянием грунтов оснований построек. Мониторинг обеспечивает надежность эксплуатации объектов «Норникеля» и сохранность экологической обстановки.

Согласно российским нормам, наблюдать за температурой, если используется принцип сохранения мерзлого состояния грунта, нужно ежемесячно на этапе строительства объекта и не чаще двух раз в год на этапе эксплуатации. Но в «Норникеле» решили, что этого недостаточно. Поэтому компания запустила программу автоматизированного мониторинга.

Реализация программы

Первый этап. Масштабные исследования состава и свойств грунтов. Восстановление сети наблюдательных термометрических скважин в регионе.

Второй этап. Комплексное обследование фундаментов и конструкций. Выявление дефектов и отклонений. Разработка программ геотехнического мониторинга.

Третий этап. Оснащение объектов компании различными датчиками и приборами, среди которых термометрические косы (для измерения температуры грунта в основании зданий), термогигрометры (для оперативного контроля температуры и влажности в технических пространствах под сооружениями), инклинометры (контроль пространственного отклонения конструкций).

Четвертый этап. Внедрение централизованной системы сбора, передачи, хранения, обработки и анализа данных.

Пятый этап. Апробирование технологии дистанционного зондирования для качественной оценки величины вертикальных смещений. Изменение подходов к проектированию и строительству: все новые объекты обязательно автоматизируются и включаются в информационно-диагностическую систему.

Результаты: «Норникель» обеспечил сквозной автоматизированный контроль параметров, связанных с надежностью зданий в Арктической зоне, внедрил цифровые технологии в систему управления и митигации рисков эксплуатации сооружений, перешел на электронный документооборот при проведении геотехнического мониторинга, изменил модель управления жизненным циклом объектов и повысил скорость принятия взвешенных управленческих решений.

Кроме решения производственных задач, «Норникель» занимается и научными проектами. К примеру, второй совместный полигон компании и ЗГУ имени Федоровского расположится на ненарушенной (природной) территории для отработки методик проведения фонового мониторинга.

Также в 2022 году в рамках реализации госпрограммы фонового мониторинга мерзлоты Заполярный филиал компании начал бурить глубокие 200-метровые скважины. Была восстановлена скважина в центре Норильска, созданная еще в 1960-х, а также пробурены еще четыре скважины в населенных пунктах Талнах, Кайеркан, Оганер и в Дудинке.

«Наши действия позволят оценить влияние техногенных и климатических факторов на мерзлоту за последние 60 лет и разработать экономически обоснованные адаптационные мероприятия», — заключает Гиорги Кунчулия.

Обновлено 26.05.2023
Главная Лента Подписаться Поделиться
Закрыть