Вбуриться в вечность
Секретами строительства и ремонта зданий и сооружений на вечной мерзлоте делится директор Центра геокриологических и геотехнических исследований Андрей Алексеев
Вечная мерзлота — «дама» капризная и своенравная: не прощает малейшей халатности и пренебрежения в общении с собой. В последнее время ее характер вконец испортился: процессы глобального потепления в арктических областях идут особенно интенсивно, что приводит к неравномерной и плохо предсказуемой ее деградации.
Это, не побоимся пафоса, эпохальный процесс с целом шлейфом неприятных последствий — от выбросов углекислого газа, ведь вечная мерзлота — это его гигантский резервуар (1670 млрд тонн, при том что годовая антропогенная эмиссия всего чуть более 40 млрд тонн) до сурового экзамена всем, кто дерзнул жить, работать или нести службу в суровых краях.
Недавно «Эксперт» подробно описывал нетривиальную концепцию русского ученого-эколога Сергея Зимова по сохранению и даже восстановлению вечной мерзлоты (см. «Превратим планету в парк», № 22 за этот год). Сегодня же мы хотим дать слово инженерам-строителям. Как строить и поддерживать устойчивость и безопасность жилых зданий и промышленных сооружений, инфраструктурных объектов в районах вечной мерзлоты? Как «лечить» и «реанимировать» просевшие, перекошенные основания строений и насыпей? Как избегать аварий?
Наш собеседник — директор Центра геокриологических и геотехнических исследований (входит в состав НИЦ «Строительство») Андрей Алексеев. Эта организация сегодня является средоточием компетенций строительства на мерзлых грунтах в нашей стране.
— Андрей Григорьевич, давайте начнем с определений. Насколько уместен сам термин «вечная мерзлота» в условиях ее значительной и быстрой деградации на фоне глобального потепления?
— Дискуссия об уместности термина давно идет среди ученых-геокриологов. Когда мы работали над новой версией строительных правил по мерзлым грунтам, она была утверждена в 2012 году, старшее поколение специалистов настояло на том, чтобы термин остался неприкосновенным в названии документа — «Основание фундаментов на вечномерзлых грунтах». Но в самом тексте уже везде фигурируют многолетнемерзлые грунты.
— А в чем разница между теми и другими?
— Считалось, что вечномерзлые грунты не теряют своих свойств в течение длительного времени, условно до ста лет. А многолетнемерзлый грунт — не менее трех лет.
Но существенно более важна в практическом смысле классификация самих мерзлых грунтов по типам. Есть твердомерзлые грунты, есть пластичномерзлые, сыпучемерзлые грунты, просто мерзлые, морозные грунты и так далее — много типов, и все они имеют свою специфику с точки зрения устройства на них оснований для зданий и сооружений.
— Каковы главные особенности строительства на мерзлых грунтах?
— Прежде всего, надо понимать, что это структурно неустойчивые грунты. Их свойства меняются существенным образом в зависимости от того, в каком состоянии они пребывают — мерзлом или талом. Если температура талых грунтов практически всегда одинаковая (мы имеем в виду слой несущий, это ниже сезонного промерзания), то температура мерзлых грунтов играет существенную роль в устойчивости оснований и фундаментов. С повышением температуры свойства мерзлого грунта меняются, прочностные характеристики снижаются.
— Главная неприятность при растеплении мерзлого грунта, насколько я могу судить, заключается в том, что происходит не просто вертикальное проседание фундаментов, но еще и горизонтальные перекосы.
— Конечно, равномерная осадка не так страшна, как неравномерная. Но именно последняя на мерзлых грунтах всегда имеет место. Потому что основания всегда оттаивают с неодинаковой скоростью: под центральной частью здания, особенно если отсутствует или неправильно эксплуатируется проветриваемое подполье, температура несколько выше, чем под крайними стенами. Середина оттаивает сильнее, чем периметр, возникает неравномерная осадка и риск разрушения фундамента.
Именно поэтому наиболее подходящий тип фундаментов для мерзлых грунтов — свайные. Но для них требуются наблюдения или геотехнический мониторинг за техническим состоянием с целью обеспечения несущей способности.
— Мне встречалась оценка, что в среднем устройство свайного фундамента обходится на двадцать-тридцать процентов дороже, чем традиционного, на обычном, не мерзлом грунте. Это правда?
— Точные цифры не скажу, но действительно, затраты на устройство фундаментов на многолетнемерзлых грунтах значительно выше, чем на талых.
Карта: Вечная мерзлота на территории России
Девяносто лет свайной науки и практики
— Как совершенствовались технологии устройства свайных фундаментов на вечной мерзлоте в нашей стране?
— Пионерами мерзлотостроения в Советском Союзе были строители Норильского промышленного района в середине 1930-х годов. При этом если фундаменты промышленных сооружений НПР старались устраивать на скальных основаниях, снимая верхний слой мерзлоты, выкапывая многометровые котлованы, то жилые здания строили на сваях. Сначала базовой технологией было применение так называемых паровых игл: брали трубу, наполняли ее горячим паром и постепенно оттаивали грунт на определенную глубину, после чего погружали в оттаявшее место сваю и ждали, пока окружающий сваю грунт снова сморозится.
После войны талантливый инженер Михаил Васильевич Ким, проведший, кстати говоря, три года в заключении в Норильлаге, предложил другой, гораздо более эффективный и надежный способ устройства свай — вмораживание. Мерзлый грунт не растапливается, а разбуривается в исходном температурном состоянии. В скважину заливается специальный раствор, а затем уже погружается, забивкой или вибропогружением, инвентарная свая. Окружающий сваю слой раствора быстро замораживается, и вся эта уже монолитная конструкция как бы висит в вечной мерзлоте.
За эту инновацию коллектив инженеров-строителей во главе с Кимом получили Ленинскую премию в 1966 году. Именно эта технология стала в СССР базовой для устройства свайных фундаментов в период активного строительства на Северах и в Арктике и получила название «буроопускные сваи».
— И до сих пор ничего нового не придумано?
— Буроопускные сваи остаются основным типом фундамента на мерзлых грунтах, но некоторые конструкции фундаментов все-таки модернизируются, в том числе нашим институтом. Буроопускные сваи мы тоже усовершенствовали. Если раньше можно было только бетонировать внутреннюю полость сваи, то сейчас мы допустили возможность заполнения ее цементно-песчаной смесью.
Кроме того, наш институт разработал методику и провел испытания на вечномерзлых грунтах винтовых свай. Для погружения таких свай в грунт используется специальная техника.
— То есть бурить скважину уже не надо? Свая просто ввинчивается в вечную мерзлоту, как шуруп?
— Точно!
— И свая при этом не разрушается?
— Мы испытывали самые различные типы винтовых свай — однолопастные, трехлопастные, метод работает отлично.
Кроме того, наш институт занимался исследованием буроинъекционных свай. Они применяются при ремонте оснований зданий на талых грунтах. Технология выглядит следующим образом. Через фундамент пробуривается небольшая скважина, туда погружается каркас и под давлением впрыскивается цементно-песчаный раствор. Затем он схватывается и образует так называемую корневую сваю, на которую уже «пересаживается» сооружение.
Этот метод работает и для скальных грунтов. Когда, например, каким-то образом здание на мерзлоте деформировалось, можно пробурить эту скважину, переопереть здание на скальные грунты, если, например, до скалы основные сваи не дошли.
Следующая технология, которая сейчас в том числе нами развивается, — jet-grouting. Это тоже под большим давлением, до 400 мегапаскалей, бурится скважина, и перемешивается грунт с цементно-песчаным раствором. Создается такой вот столб: свая формируется и застывает непосредственно в скважине. Мы проводили испытания, пока в лотках, пока не в поле. Но результаты обнадеживающие. Я думаю, в перспективе можно будет применять и такую технологию.
— В одном из интервью нам рассказали о необычной технологии консервации мерзлотных грунтов. Обычной бурильной установкой бурят стомиллиметровую скважину. В скважину помещают сваю, в которую вставляют стабилизатор температуры, который поддерживает температуру грунта: минус три, минус пять градусов. Есть жидкости, которые испаряются при низких температурах и переносят эту низкую температуру. Выбирают тепло, уносят его, а потом конденсируются, и цикл снова повторяется. Без всякой энергии. Расскажите подробнее об этом
— Действительно есть такие конструкции, которые называются сезонно-охлаждаемыми устройствами (СОУ) или термостабилизаторами. Эти устройства, работая в зимний период, замораживают грунт основания за счет разницы температур воздуха и грунта через хладоноситель — газ или жидкость. Грунт отдает тепло в воздух, а холод через хладоноситель попадает в грунт.
Контроль и реставрация, через заморозку
— Давайте отойдем от переднего края инженерной науки и оглянемся на практику. По имеющимся оценкам, до четверти жилого фонда Норильска находится сегодня в неудовлетворительном состоянии, в основном именно из-за разрушения фундаментов. Ситуация в Воркуте еще тяжелее. Ваш институт получает заказы на мониторинг этих фундаментов в заполярных городах — Норильске, Воркуте, Салехарде, Магадане?
— По заданию Минстроя мы три года назад обследовали все регионы арктической зоны. Это и Мурманск, и Воркута, и Якутия, и тот же Норильск, и Анадырь. Подготовили подробные отчеты для Минстроя, в каком состоянии там здания, сооружения находятся.
— И в каком?
— Ситуация сильно разная. Воркута производит удручающее впечатление. Угольные шахты почти все закрылись, город лишается смысла и экономической основы своего существования.
С другой стороны, Нарьян-Мар и Салехард очень активно развиваются. Есть и новое строительство, и давно построенные здания, как правило, в удовлетворительном состоянии. Как и в Анадыре.
Прямо сейчас группа сотрудников нашего центра находится в Мирном, в Якутии, по заказу муниципалитета проводит мониторинг фундаментов в городе.
— По каким параметрам вы ведете мониторинг?
— На мерзлых грунтах проводятся три основных вида контроля. Замеряется температура грунта на разных глубинах. Определяется гидрогеологическое состояние, или, проще выражаясь, уровень подземных вод. И наконец, проводятся геодезические замеры, способные определить произошедшую деформацию фундаментов.
— Наверное, и датчики можно использовать, замеряющие напряжение в разных местах фундамента?
— При необходимости можно. Хотя это довольно сложный способ контроля. Моя кандидатская диссертация была посвящена как раз определению напряжений в многоуровневом транспортном тоннеле в Сергиевом Посаде. Есть сложный тоннель автомобильный, под железной дорогой на въезде в город. Там тензометры стоят, которые в зависимости от напряжения меняют свои характеристики и показывают давление.
— Ну и как тоннель, в нормальном состоянии?
— Когда я защищался пятнадцать лет назад, был в нормальном, как теперь — не могу гарантировать. Рекомендованная мной теплоизоляция этого сооружения так и не была устроена. Сэкономили.
Но мониторингом деятельность центра не ограничивается. Наш центр состоит из шести подразделений, которые занимаются различными задачами. Первое направление — это инженерно-геологические изыскания на талых и мерзлых грунтах. Бурятся скважины, отбирается грунт и в термоконтейнерах доставляется в Москву, в нашу лабораторию. Здесь они проходят полный комплекс исследований физических, химических, механических свойств. Причем мы разрабатываем новые методы изучения мерзлых грунтов и доводим их до включения в ГОСТы.
— Образцы грунтов забираются на месте предполагаемого строительства, и следует изучить его свойства, чтобы правильно спроектировать основания зданий и строений. Я правильно понимаю?
— Именно так. Это нулевой цикл любой будущей стройки в Арктике. Наши заказчики — «Роснефть», «НоваТЭК», ряд других крупнейших компаний, работающих в зонах вечной мерзлоты.
Кроме того, в центре есть проектный отдел, где по результатам изысканий образцов мы можем спроектировать основание фундамента, подходящее для данного конкретного грунта.
Далее, у нас есть лаборатория, которая занимается талыми грунтами.
— Талые грунты — это бывшие мерзлые? Деградировавшая мерзлота?
— Все верно. У нас есть два принципа строительства. Первый — это когда мы мерзлые грунты сохраняем в мерзлом состоянии или дополнительно охлаждаем, превращаем в мерзлые искусственно. И второй принцип — когда мы строим на оттаявших грунтах или оттаивающих в процессе строительства и эксплуатации.
— Второй способ применяется, когда слишком сложно и дорого замораживать грунт?
— Бывают разные обстоятельства. Например, если рядом залегает кровля скальных грунтов, зачем заниматься заморозкой грунта, если можно опереть основание сооружения в скалу?
— Итак, вы изучаете мерзлые грунты, разрабатываете методики их тестирования, разрабатываете нормативную документацию строительства на мерзлых грунтах, а также сами проектируете основания и фундаменты конкретных сооружений на конкретных грунтах. А строители в состоянии надлежащим образом реализовать разработанный вами проект? Нечто вроде авторского надзора вы не осуществляете?
— У нас есть так называемое научно-техническое сопровождение, когда нас приглашают при строительстве ответственных промышленных сооружений.
— Можете привести примеры?
— Амурский ГПЗ, космодром Восточный, «Ямал СПГ», «Арктик СПГ — 2», примеров достаточно много.
— Расскажите, пожалуйста, подробнее, чем вы занимались на космодроме Восточный? И кстати, Амурская область, где он строится, — разве это зона вечной мерзлоты?
— В том-то и дело, что нет. Но там достаточно низкие температуры и глубокое, до четырех-пяти метров, сезонное промерзание. Сложность задачи была обусловлена тем, что из-за спешки строители не укладывали теплоизоляцию и проморозили основание монтажного корпуса, где будут собираться ракеты. Вы понимаете, какие там высочайшие требования к полам? Допуски исчисляются миллиметрами. Нас привлекли к этой работе, чтобы мы помогли им вопрос решить. Мы туда вылетали, спецрейс нам заказывали, отбирали грунты, анализировали в лаборатории. И в итоге предложили устроить буронабивные сваи под эти силовые полы. Заказчик утвердил решение.
Мы сделали сваи, испытали их, сваи подтвердили несущую способность.
В силовых полах, уложенных на сваи, оставили отверстия, в которые после оттаивания грунта и его осадки закачивали раствор, заполняя пустоты.
— Кто-то в России еще, помимо вашего центра, обладает подобными компетенциями и работает по этому профилю?
— Полнокровные, комплексные компетенции, пожалуй, больше нигде не сохранились, к сожалению. Был Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве. Но их выкупили, сейчас это АО ПНИИИС, и они уже не являются такой авторитетной изыскательской организацией, какой были в советские времена.
«Фундаментпроект», к сожалению, тоже деградировал, его тоже продали, и сейчас закрывается компания. Чисто научные организации остались, но мне трудно оценить качество их работы.
Есть на местах какие-то небольшие организации, НПО «Фундамент», например, норильский. Это бывший наш филиал, который в 2010 году ушел в самостоятельное плавание, но сейчас мы возобновляем с ними сотрудничество. Норильск — довольно проблемный регион. Пытаемся сейчас там лабораторию свою создать, свое присутствие обозначить руководству и города, и региона.
— Главное, чтобы «Норникель» поддержал вашу инициативу. Он же хозяин в регионе, скажем так.
— Представители компании выражают заинтересованность в сотрудничестве с нами, обещают выделить экспериментальную площадку, где можно будет все те типы конструкций фундаментов, о которых я вам рассказал, исследовать на месте и затем уже применять.
— Не вижу принципиальных технических проблем обвешать фундаменты всех промышленных сооружений и жилых зданий в Норильске датчиками и наладить их мониторинг в режиме реального времени. Уверен, это будет стоить на два порядка меньше суммы штрафа, который «Норильский никель» вынужден был уплатить по результатам экологической катастрофы в мае прошлого года, когда из-за деградации фундамента резервуара произошла его разгерметизация и разлив 21 тысячи тонн дизельного топлива
— Сейчас есть шанс качественно изменить ситуацию. Компания привлекла наш центр для изучения оснований под аварийным и соседними резервуарами с топливом на ТЭЦ в Кайеркане.
— Что конкретно произошло с аварийным резервуаром? В каком состоянии находятся другие обследованные вами сооружения в Норильском промышленном районе?
— Простите, не могу комментировать.
— Есть ли у вас зарубежные заказы?
— У нас был опыт работы на Кумторе, это золоторудное месторождение в Киргизии. Хотя это не зона вечной мерзлоты, но высокогорье, высота свыше четырех тысяч метров, и поэтому достаточно низкие температуры и вечномерзлые грунты. Хозяин месторождения, канадская компания Centerra Gold, привлекла нас для решения проблемы — у них там большой корпус съезжал. Мы организовали лабораторию прямо на месте, грунты оттуда было проблематично привезти, потому что золотосодержащие и оттают. Так что рефрижераторы и приборы, наоборот, доставляли туда.
— И что? Как-то остановили это сползание?
— Да. Там были рекомендованы стабилизирующие установки, которые позволили остановить таяние грунта. На реализацию проекта, к сожалению, нас не пригласили. Предпочли соседей — казахов.
Белый щебень для живых дорог
— С основаниями и фундаментами зданий и сооружений вчерне понятны ваши компетенции. А, скажем, дороги, автомобильные и железные дороги, трубопроводы и ЛЭП, основания для них на мерзлых грунтах — этим вы занимаетесь?
— Автомобильные и железные дороги не совсем наша зона, но периодически бывают запросы дать какие-то рекомендации или те же изыскания провести. Специфическая сложность строительства перечисленных вами объектов в зоне вечной мерзлоты связана с тем, что грунты по трассе дороги или трубопровода разные — там и талые грунты с болотами, а дальше могут быть термокарсты (процессы неравномерного проседания почв при оттаивании вечной мерзлоты. — «Эксперт»), дальше — солифлюкции (медленные вязкопластические течения на склонах переувлажненных почв и тонкодисперсных грунтов в условиях их попеременного промерзания, протаивания и действия силы тяжести — «Эксперт»). Все эти нюансы нужно предусматривать при строительстве.
У крупных инфраструктурных компаний есть собственные научно-инженерные подразделения, которые занимаются как раз таким проектированием. В частности, у «Транснефти» есть компания «Гидротрубопровод». Но по ряду вопросов они с нами консультируются.
— Концессионеры заполярной железнодорожной трассы «Северный широтный ход» не обращались к вам за помощью?
— Было дело, мы проводили для них изыскания. Кроме того, мы участвовали в разработке строительного стандарта «Устройство теплоизолированной насыпи на вечномерзлых грунтах». Изюминка технологии заключается в том, что в процессе отсыпки насыпи в ней прокладывается слой пенополистирола в качестве теплоизоляции. Эта конструкция позволяет сохранять грунты под насыпью в мерзлом состоянии и не допустить деформации.
— И тогда насыпь не вспучит, как мы видим на фотографиях брошенных участков недостроенной «мертвой» железной дороги Салехард — Игарка?
— Это один из вариантов. Есть и совсем экзотические. Скажем, известный специалист в нашей области, к сожалению уже покойный, доктор геолого-минералогических наук Валентин Кондратьев предлагал красить щебень, которым отсыпают верхний слой насыпи под дорогами на вечной мерзлоте в белый цвет, тогда он будет отражать свет, не будет нагреваться и отдавать тепло в грунт.
— Оригинальная идея!
— Звучит неожиданно, особенно для неспециалиста. Но советы этого человека не стоит пропускать мимо ушей. Валентин Георгиевич создал концепцию противомерзлотной защиты земляного полотна БАМа, консультировал строителей на Аляске и в Китае, автор нескольких сотен научных работ и восьми патентов.
— У вас достойные учителя и предшественники. Желаю успехов.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl