Об особенностях ведения дорожных работ в экстремальных условиях Севера
Инженерная мысль динамична. Обогащаясь неизвестными ранее знаниями, она разветвляется, прокладывая путь к новым умозаключениям, выводам и технологическим решениям. В полной мере это касается дорожного строительства в экстремальных условиях Севера.
Немалый опыт прокладки автодорожных коммуникаций в районах вечной мерзлоты был накоплен в прежние годы. Но прошло время, и природно-климатические условия вдруг начали меняться. Стало ясно, что использовавшиеся ранее в дорожном строительстве технические наработки не всегда учитывают происходящие геокриологические процессы и их динамику.
Дальнейшая эксплуатация автодорог на территориях распространения многолетнемерзлых грунтов требует более пристального внимания, а проектирование и строительство линейных объектов в экстремальных условиях Севера — научного сопровождения, учета природно-климатических особенностей территории, по которой прокладывается трасса. Эти вопросы были в центре внимания участников состоявшегося недавно в Сочи заседания совета главных инженеров структурных подразделений Росавтодора.
Проблема подтаивания вечномерзлых грунтов не нова и касается не только российских территорий. В Канаде, например, в свое время жителям пришлось покинуть два небольших города, построенных в годы войны: их дома вечная мерзлота буквально вывернула из земли.
Но Россию проблема затрагивает в большей степени, поскольку область вечномерзлых грунтов (значительная часть Сибири и Дальнего Востока с площадью 10,7 млн кв. км) занимает около 65% ее территории.
В ХХI веке вечная мерзлота оказалась под угрозой деградации из-за глобального изменения климата и хозяйственной деятельности человека. В результате интенсивного освоения месторождений полезных ископаемых на Севере произошли заметные изменения во всех компонентах природной среды. Наиболее очевидно они проявились в деградации вечномерзлых грунтов на урбанизированных территориях.
Строить дома и линейные объекты на ледяном панцире, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно. Рыхлые грунты — песчаник, галечник и суглинок — в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведенные на них сооружения нагревают грунт, и он теряет монолитность, начинает подтаивать и смещаться. Известны случаи разрушения в Чите домов, построенных без учета геокриологических особенностей региона. Отдельные участки Транссиба, а особенно БАМа, проходящие по вечной мерзлоте, по сей день ведут себя весьма капризно. Так что в перспективе строить различные объекты в экстремальных условиях Севера можно, только приняв специальные меры для поддержания постоянной температуры грунта.
Упрощенно говоря, есть два способа прокладки автодорог в зоне мерзлоты: можно в начале строительства сохранить существующие мерзлые грунты, а можно изменить их, дать грунту оттаять. При выборе того или иного способа строительства проект должен включать обоснованное техническое решение и регламентирующие мероприятия, которые обеспечивали бы стабильные условия: чтобы грунты под инженерным объектом всегда находились в выбранном состоянии.
По прогнозу ученых, уже к середине нынешнего столетия от российской вечной мерзлоты останется только часть ее современных площадей.
Последствия уже ощутили в северных городах страны: проваливается грунт, образуются болота, появляются проблемы при строительстве автодорог. Причину этого ученые видят не только в глобальном потеплении, но и в действиях самого человека, непродуманном подходе к строительству и эксплуатации инженерных сооружений.
В 80-е годы прошлого столетия в Якутске, например, при бурении на глубине 6 м температура мерзлого грунта составляла минус 4–6 градусов, сейчас даже на глубине 8–10 м — только минус 0,5–1,5 градуса. Местами мерзлота и вовсе выходит водой наверх, образуя все новые овраги и озера. Пока незаметная для местных жителей проблема подтаивания грунтов на территории города завтра может обернуться колоссальными затратами. Таков прогноз инженера-строителя с 35-летним стажем Эдуарда Романова.
В основном интенсивное протаивание развивается из-за воздействия человека, лесных пожаров. Антропогенный фактор является одним из сильнейших. В определенных условиях его влияние может быть более значительным, чем изменение климата.
За примерами далеко ходить не надо. Лет 10 назад была введена в эксплуатацию автодорога, связывающая Салехард с поселком Аксарка — административным центром Приуральского района ЯНАО. Бывшую грунтовую трассу, одетую в асфальтобетон, любители лихой езды поначалу приняли за своеобразный арктический автобан, выжимая на ней скорость до 130-150 километров в час. И уже через год-два на отдельных участках дороги полотно просело, не выдержав нагрузки. На это повлияло и то, что ежедневно там проходят свыше тысячи многотонных грузовиков. Ученые сразу поставили диагноз: покрытие просело из-за оттаивания вечной мерзлоты.
Что надо сделать, чтобы предотвратить и приостановить развитие подобных процессов на других объектах? Одни специалисты предлагают закладывать в основание дороги охлаждающие гильзы с термостабилизаторами. Другие рекомендуют усиливать дорожную конструкцию геосинтетическими материалами, которые равномерно распределят нагрузку на подошву насыпи дороги. Третьи настаивают на постоянном геокриологическом мониторинге.
Именно мониторинг состояния автодорог федерального значения, проходящих по территории распространения многолетнемерзлых грунтов, даст возможность повысить безопасность движения и надежность дорожных конструкций, пояснил, выступая на заседании совета главных инженеров в Сочи, заместитель начальника Управления научно-технических исследований, информационных технологий и хозяйственного обеспечения Росавтодора Сергей Гошовец. Федеральное дорожное агентство утвердило план мероприятий по организации такого мониторинга. В настоящее время совместно с заинтересованными ведомствами ведется планомерная работа в этом направлении. Уже объявлен конкурс на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по разработке систем наблюдения за состоянием автодорог, расположенных в зоне вечной мерзлоты.
Наладить мониторинг за поведением мерзлых грунтов — это только начало большой работы. Следующий этап — разработать или подобрать для каждого проблемного участка дороги наиболее подходящую, приемлемую технологию, способную приостановить процесс деградации мерзлоты.
Ведь абсолютно универсальных методов нет даже для схожих по суровости климата регионов. Скажем, криогенные характеристики грунтов Якутии и Ямала разнятся. Ученые советуют на отдельных участках, где велик риск разрушения, устраивать экспериментальные полигоны для обкатки инновационных инженерных решений, а положительные результаты исследований закладывать в нормативные документы для проектирования и строительства дорог в приполярных районах.
В экстремальных условиях строительства объектов транспорта на Севере особенно актуален выбор взаимосвязанных конструктивных, технологических и экологических решений, обеспечивающих надежность сооружений. Чем сложнее условия, тем важнее взаимодействие ученых, проектировщиков, строителей и научное сопровождение проектов на всех стадиях до ввода в эксплуатацию.
Мероприятия по адаптации не обязательно должны быть глобальными, предполагающими установку дорогостоящего охлаждающего оборудования, отмечают ученые. Иногда в зимний период бывает достаточно убрать с поверхности дорожного объекта снежный покров, чтобы охладить грунты. А в период потепления, наоборот, проблему можно решить, добавив теплоизолирующие слои в дорожной одежде.
Сокращение зон распространения мерзлоты приведет к серьезным проблемам с инфраструктурой северных городов, которая к тому же и сильно изношена. В регионах Крайнего Севера считают, что, не дожидаясь этих изменений, необходимо приступить к учету возможных последствий сокращения площади мерзлоты уже на стадии планирования и проектирования строительства новых зданий и автодорог.
По мнению директора Института мерзлотоведения имени П.И. Мельникова Сибирского отделения РАН Михаила Железняка, нужно проектировать такие объекты, которые смогут функционировать при том диапазоне изменений, который дают климатологи.
Еще на стадии проектирования необходимо закладывать различные сценарии развития ситуации, в том числе и потепления.
В действительности же технологии строительства автодорог зачастую не адаптированы к конкретным реальным условиям. Проекты создаются без их учета, считает ученый-мерзлотовед. Еще несколько лет назад он поднял вопрос о необходимости создания научно-исследовательских полигонов по изучению устойчивости автодорог в криолитозоне. Акцент на этой идее Михаил Железняк сделал на днях, выступая с докладом на международном семинаре «Возможности и инновации при производстве земляных работ», прошедшем под эгидой Всемирной дорожной ассоциации (PIARC).
В рамках нацпроекта «Безопасные качественные дороги» Республика Саха (Якутия) получает большие средства на развитие дорожных коммуникаций. Важно, чтобы они были рационально использованы, чтобы было налажено научное сопровождение и контроль за состоянием проектируемых, строящихся и эксплуатируемых автодорог на территории региона. Это, разумеется, касается и других субъектов РФ, территории которых расположены в зоне вечной мерзлоты.
И такая работа уже ведется. В 2020 году в Якутии по государственному заказу начали изучать влияние вечномерзлых пород на участках автодорог республиканского значения «Амга», «Нам» и «Умнас». После окончания исследований наверняка будут найдены несколько иные подходы к разработке проектов обеспечения сохранности дорог для разных регионов страны, входящих в криолитозону, считают ученые.
А в Ненецком автономном округе начали пересматривать СНиПы по строительству автодорог после проблем, которые появились при прокладке трассы Нарьян-Мар — Усинск. Эта дорога должна соединить округ с другими субъектами РФ. Однако при строительстве участка трассы в тундровой зоне специалисты столкнулись с тем, что просадка грунта превысила расчетные показатели из-за потепления. Это потребовало дополнительных работ по укреплению земляного полотна и увеличило их стоимость.
Опыт предыдущих лет показал, что некоторые участки автодорог, проложенных в зоне мерзлых грунтов, уже спустя считаные месяцы после начала эксплуатации становятся волнообразными, покрываются глубокими трещинами, требуют аварийного ремонта. Очевидно разрушительное влияние глобального потепления. Остановить деградацию мерзлоты уже не могут устаревшие технологии строительства. Им на смену приходят новейшие инженерные решения.
Так, при капитальном ремонте трассы, ведущей из Салехарда в аэропорт, специалисты применили усовершенствованную технологию с использованием дорнита (геотекстильного материала), торфа и отлично зарекомендовавшего себя в условиях Арктики щебеночно-мастичного асфальтобетона. В теле насыпи смонтированы различные датчики, в том числе отслеживающие температуру нижнего и верхнего дорожных слоев.
Исследования ученых и наработки практиков будут использованы при реконструкции автодороги, ведущей к местности Ус Хатын (Якутия), где традиционно отмечается главный национальный праздник республики — «Ысыах». Об этом сообщил генеральный директор Управления автодорог Республики Саха (Якутия) Семен Филиппов. Работы на объекте будут вестись в рамках нацпроекта «Безопасные качественные дороги». В результате в 2023 году в условиях вечной мерзлоты будет завершено строительство современной четырехполосной автотрассы протяженностью 7,1 км. Движение к месту проведения национального праздника станет быстрым и безопасным. Прежде из-за перегруженности дороги время в пути туда и обратно достигало 5–6 часов.
