Там, где холодно и ветрено настолько, что земля промерзает на многие метры вглубь и не оттаивает даже летом, люди до поры до времени не отваживались строить капитальные жилища. Но XX столетие поставило перед человечеством новые задачи.
После того как экспедиции исследователя Арктики Николая Урванцева в 1921-1926 годах открыли колоссальные залежи угля и медно-никелевых руд с высоким содержанием платины в районе нынешнего Норильска, возник вопрос освоения Севера. Ни у кого тогда не было опыта масштабного строительства в криолитозоне — зоне распространения вечной мерзлоты. Перед человечеством встал новый вызов. Довольно быстро в общих чертах были разработаны два основных принципа проектирования фундаментов зданий и инженерных сооружений в криолитозоне. В первом случае мерзлое состояние грунта в основании сохраняется (а еще лучше — усиливается) на все время строительства и эксплуатации. Фундаменты зданий при этом врезаются в мерзлоту на глубину не менее метра, а строение оборудуется простейшей морозильной и теплоизолирующей системой — вентилируемым подпольем. Такой подход эффективен в зонах «холодной» вечной мерзлоты с высоким содержанием льда (от 20 до 90%) и большой вертикальной мощностью — от нескольких десятков до нескольких сотен метров. Там же, где температура верхнего слоя близка к нулю, а льда в грунте мало, используется иной принцип, при котором ожидаемая неравномерная осадка из-за формирования под фундаментом «чаши оттаивания» под воздействием тепла здания компенсируется конструктивной жесткостью постройки. В случаях, когда неглубокая «теплая» мерзлота в зоне застройки состоит из рыхлых грунтов, фундаменты ставят на предварительно оттаявшие и уплотненные основания.
Первые промышленные объекты и жилые дома в Норильске пришлось возводить наугад, опираясь лишь на инженерное чутье и опыт застройки городов, находящихся на южной границе сибирской криолитозоны. Котлованы и лунки для опор глубиной 20 и более метров узники ГУЛАГа долбили вручную до скального основания, при -50 °С с ветром, отогревая мерзлый грунт кострами или паром. Серьезного геотехнического изучения будущих стройплощадок при этом, конечно, не проводилось, и месть разбуженной вечной мерзлоты не заставила себя ждать. К примеру, корпус электролитного завода, на котором в 1942 году был получен первый никель, треснул и развалился буквально на глазах норильчан. Такая же участь постигла десятки других производственных и жилых строений.
Добиться монолитной жесткости «коробки» и фундамента на практике весьма непросто. Тем более в высоких широтах, где строительные работы ведутся сезонно и здание накапливает скрытые механические дефекты из-за постоянных температурных деформаций уже в процессе возведения. Именно поэтому «на Северах» покосившиеся дома на подпорах, перетянутые по периметру уродливыми стальными бандажами, — обычное дело.
Технологический прорыв произошел в 1956 году — благодаря инженеру-гидротехнику, будущему лауреату Ленинской премии, а на тот момент — «японскому шпиону» и заключенному Михаилу Киму. Он разработал и реализовал на практике сверхдешевый метод «холодного» свайного фундирования. Вместо трудоемкого оттаивания лунки под сваю Ким предложил пробивать грунт без изменения его температуры при помощи обычного канатно-ударного бурового станка, а затем заливать арматурный каркас бетонным раствором. По сути, Ким стал первым, кто научился играть с вечной мерзлотой по ее правилам. И выиграл.
ПО ТОНКОМУ ЛЬДУ
Инновационная технология Кима стала мощным толчком в освоении Севера. И не только в СССР. Изобретательные американцы подхватили удачную идею и адаптировали ее к геокриологическим условиям сейсмоопасной Аляски. Надо сказать, что Штаты к тому времени уже в полной мере осознавали риски строительства на вечной мерзлоте.
В 1942 году для обеспечения поставок боевых самолетов в СССР по ленд-лизу на Аляске за восемь месяцев проложили шоссе протяженностью 2200 километров между канадским Доусон-Криком и американским городком Дельта-Джанкшен. Половина маршрута, который пересек пять горных хребтов и более 130 водных преград, прошла над капризной «теплой» мерзлотой. Из-за быстрого оттаивания под раскаляющимся на солнце асфальтом меньше чем через год дорога превратилась в трясину. Стандартных мер по поддержанию мерзлого состояния грунтов в летний период — вентилируемой гравийной отсыпки и установки так называемых продухов на отдельных участках — оказалось недостаточно. Да и обычные сваи на рыхлых основаниях быстро проваливались в оттаявший грунт.
В 1956 году американский инженер Эрвин Лонг нашел решение проблемы. Он запатентовал противопучинистую термосваю — гибрид металлической сваи и термосифона, изобретенного еще в 1823 году британцем Томасом Фаулером. В общих словах, термосифон — это вертикальная двойная труба из стали или медного сплава с надземным ребристым диффузором-радиатором, внутри которой находится легкокипящий хладагент — пропан, фреон, аммиак, керосин или углекислота. Зимой относительно теплая мерзлота вызывает испарение хладагента в нижней, подземной секции термосифона, а потоки холодного воздуха уносят тепло недр с поверхности диффузора в атмосферу. Затем хладагент конденсируется на стенках, стекает вниз, и процесс начинается снова. В результате за зиму температура грунта в зоне устройства падает настолько, что позволяет мерзлоте «пережить» лето в минусовом диапазоне. Летом, когда мерзлота холоднее воздуха, термосифон играет роль тепловой пробки. Таким образом, термосваи Лонга сочетают в себе функции сезонного охлаждающего устройства и классической опоры. Правда, в грунт их не забивают, а благодаря широкому винтовому лезвию на корпусе вкручивают, как саморезы.
Винтовые термосваи — идеальное основание для любых грунтов, и особенно для проблемных — пучинистых и рыхлых. Это решение было описано еще в начале 1920-х советским ученым Владимиром Дмуховским. К сожалению, его теория конических свай так и не нашла применения на родине.
Триумфом термосвай, а также ярким примером системного подхода к использованию результатов предпроектных геокриологических изысканий стало строительство в 1973-1977 годах нефтепровода Trans-Alaska Pipeline System (TAPS) от месторождения Прадхо-Бэй до порта Валдиз. Особо сложные участки трассы на «теплой» мерзлоте были оборудованы термосифонами, вентилируемой отсыпкой из крупного гравия и сетью термодатчиков. Кроме того, для компенсации напряжений трубы, вызываемых смещением грунта при землетрясениях и температурным расширением-сжатием металла, TAPS прокладывали по зигзагообразной линии. Время показало потрясающую надежность этих методов — недавно разрешение на эксплуатацию нефтепровода было продлено еще на 30 лет.
МАТЕМАТИКА ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ
В 80-е годы в СССР, США, Норвегии, Финляндии и Китае на основе термосифонов и термосвай Лонга были разработаны горизонтальные и пространственные ленточные системы термостабилизации для подготовки оснований под легкие сооружения типа «пол по грунту». Там, где предварительное сплошное замораживание площадки затратно, а оттаивать грунт опасно, используются специальные сооружения — развитые пространственные ростверки, распределяющие нагрузку на основание и в разы снижающие давление здания на грунт.
Для проходки тоннелей в условиях вечной мерзлоты (транспортный тоннель Svea и подземные морозильные камеры в Норвегии, Всемирное хранилище семян на Шпицбергене, высокогорные тоннели на трассе Цинхай — Тибет, рудник Black Angel в Гренландии) были созданы активные замораживающие системы, закрепляющие рыхлые и оттаявшие своды забоя перед обсадкой или бетонированием. Появились новые виды вспененных синтетических термоизоляционных материалов, антифризы, позволяющие снизить температуру цементных растворов почти до нуля для строительных работ в прямом контакте с мерзлыми основаниями, и многое другое.
Кроме того, в 80-х началось производство мощных буровых станков, способных бурить направляющие скважины под сваи диаметром более метра, и, соответственно, заметно расширился ассортимент свай. К примеру, в настоящее время во всем мире, включая российский Ямал, для обустройства фундаментов на неглубокой вечной мерзлоте активно используются металлические анкерные и винтовые сваи с широкой пяткой.
На обводненных, сильно минерализованных грунтах, а также на морском побережье Заполярья успешно зарекомендовали себя устойчивые к коррозии шпунтовые сваи из ванадиевой стали с добавками меди, обладающие полувековым ресурсом. Впрочем, все это трудно назвать инновациями в чистом виде. Скорее это «вариации на тему».
Пожалуй, единственным серьезным прорывом в недавние годы в области проектирования и безопасной эксплуатации сооружений в криолитозоне, сравнимым по значимости с работами Кима и Лонга, стало внедрение метода математического прогнозирования для точной оценки изменений геокриологической обстановки в результате теплового взаимодействия фундаментов и вечной мерзлоты.
Автор этого метода — доктор технических наук, обладатель нескольких патентов в области геокриологии Александр Попов. Благодаря его энергии и глубочайшему знанию предмета была создана нормативная база Газпрома по строительству объектов в криолитозоне и разработаны методики сокращения сроков строительства объектов на гигантском Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении, а также газопровода Бованенково — Ухта. Один из последних и важнейших проектов Попова в области инженерной геокриологии — уникальный программный комплекс ThermoStab Universal, который позволяет разработчикам прогнозировать поведение вечной мерзлоты при эксплуатации объектов. ThermoStab Universal дает возможность не только предсказывать состояние мерзлоты, но и управлять им на реальных объектах, исключив из цепочки принятия решений ненадежный «человеческий фактор». Если из-за нештатного выделения тепла мерзлота «поплывет», ThermoStab Universal самостоятельно определит оптимальные технические мероприятия для предотвращения опасности.
По всей видимости, ближайшее десятилетие станет для вечной мерзлоты «горячим» временем. В прямом и переносном смысле. Медленно, но верно тающая Арктика, ледяные недра которой хранят колоссальные запасы углеводородов, стремительно превращается в арену технологического соперничества северных держав. Неординарные климатические, геокриологические и гидрологические условия региона ставят перед учеными и инженерами беспрецедентные по сложности задачи. Решить их, основываясь исключительно на старом научном багаже, вряд ли удастся. Значит, впереди — новый прорыв.
(c) Владимир Санников