В статье рассматривается способ защиты многолетномерзлых грунтовых оснований насыпей в районах крайнего севера с применением тепло- и влагоизоляционного материала "Тепофол". Приведены организационные и технические особенности метода, показана новизна, технические особенности и целесообразность его применения.
Выпуск №107, стр. 40
СУТЬ ПРОБЛЕМЫ
В настоящее время идет активное освоение Арктической зоны России. Неотъемлемой частью этого процесса является развитие промышленной базы данных регионов, особенно строительство железных и автомобильных дорог, линий электропередач и трубопроводов.Однако каждое новое строительство ведет к нарушению веками сложившейся хрупкой природной среды Северных регионов. В частности, при строительстве автомобильных и железных дорог происходит изменение ландшафта, характера водных потоков, снегопереноса, нарушается тепловой баланс по месту прохождения трасс и т.д.
Исследования ведущих отечественных ученых показывают: «В результате изменений мерзлотных условий, происходящих в последние десятилетия, под угрозой оказываются созданные на территории Российской Федерации промышленные комплексы, обслуживающие их города, протяженные транспортные сооружения. Существующие ныне и проектируемые здания и инженерные сооружения требуют адаптации к изменившейся климатической и мерзлотной обстановке. Ситуация в Арктике уже стала критической, число деформированных зданий приближается к 40% (в Амдерме, например, это около 40%, в Диксоне — 33%, Тикси — 22%, Певеке — 50%). Отмечается потеря несущей способности оснований даже недавно построенных зданий и сооружений, деформации автомобильных и железных дорог. Изменения состояния вечной мерзлоты являются причиной 23% отказов технических систем нефтегазовой отрасли и 29% потери добычи углеводородов. Только для Арктической зоны предполагаемый ущерб экономике оценен к 2050 году в 5-7 трлн рублей. Очевидным становится то, что проектирование новых объектов следует вести, ориентируясь не на сегодняшние, а на прогнозные мерзлотно-климатические условия».
Вследствие повышения температуры воздуха на северных широтах в последние десятилетия (примерно на 2–3,5 °С) процессы деградации мерзлоты на транспортных сооружениях стали происходить более высокими темпами, чем раньше. Например, на дорогах, построенных в начале 2000-х, все чаще появляются участки с протаиванием (деградацией) многолетнемерзлого основания с образованием локальных очаговых просадок, застои воды вдоль дорог, формирование новых или сливание существующих озер в притрассовой полосе и, соответственно, изменение ландшафта в целом.
Наиболее интенсивные изменения происходят на этапе строительства, когда ведется сооружение земляного полотна, строят мосты и трубы, станции и другие объекты инфраструктуры. Появление новых сооружений вызывает на нетронутой территории необратимые изменения. При проведении инженерных изысканий большинство случаев возможных изменений прогнозируется и описывается, а при проектировании сооружений просчитывается их дальнейшее состояние минимум через 50 лет. Учет возможных изменений в проекте и предусмотренные мероприятия по их смягчению или полному исключению позволяют сохранять и эксплуатировать строящиеся объекты в штатном режиме на предусмотренный срок службы.
Здесь стоит отметить, что в районах распространения вечной мерзлоты вновь построенный объект надо еще и сохранить. Как показывает опыт, зачастую после окончания этапа строительства дороги сразу начинаются работы (мероприятия) по ее сохранению. Это связано с тем, что процесс изменений (деградации) мерзлого основания после постройки объекта еще продолжается, а территория застройки к новым условиям еще не адаптировалась, нарушенный тепловой баланс в основании не пришел в равновесие. Именно в начальный период эксплуатации многократно возрастает вероятность возникновения деформации дорог и инфраструктурных объектов от деградации мерзлого основания.
Нарушение мохового и растительного покрова и, как следствие, глубины сезонного протаивания мерзлоты приводит к резкому снижению несущей способности грунтов основания, а порой и разжижению целых участков. Это оказывает пагубное влияние на построенные дороги, ухудшается их устойчивость, повышается деформативность, что может привести к разрушению построенных объектов. Особенно эти процессы опасны на косогорных участках, где имеется хоть небольшой уклон. Например, на железной дороге Обская — Бованенково за несколько дней (летом 2013 года) образовался талик длиной 110 м и шириной 54 м (рис. 1). Только благодаря принятым срочным мерам по ликвидации протаивания удалось предотвратить полное разрушение этого участка.
Приведенные аргументы показывают, что вопросы сохранения мерзлоты в основании строящихся дорог и других сооружений, а также сохранение в нормативном состоянии существующих, являются очень актуальными в настоящее время.
О СЛОЖНОСТИ РЕШЕНИЙ
В зависимости от сооружения, сохранение мерзлоты в грунтовом основании можно достичь с помощью вентилируемого подполья, теплозащитных экранов, сезонно действующих охлаждающих установок (горизонтального и вертикального типов), а также охлаждающих установок круглогодичного действия.
Ряд способов защиты мерзлого основания вновь построенных и существующих дорог от деградации был предложен профессором В. Г. Кондратьевым. В частности, предлагалось устройство солнцеосадкозащитного навеса на откосах насыпи. Проведенные испытания показали работоспособность данной конструкции. Понижение среднегодовой температуры грунтов составило 4 °С.
По разным причинам в нашей стране этот способ массового применения не нашел, но он был использован на Цинхай-Тибетской железной дороге китайцами.
Однако с появлением и широким применением пенополистирольных плит в строительстве дорог на полуострове Ямал и в Восточной Сибири данный метод сохранения мерзлоты стала приобретать более актуальный и востребованный характер. Были предложения укрыть места деградации плитами и тем самым защитить участок. Но и здесь не все оказалось просто. Дело в том, что в этих районах участки дорог, которые подвержены деградации, в большинстве проходят через заболоченную местность. Укладка пенополистирольных плит в воду или болото не имеет смысла, они всплывают и расходятся, а укладка только на откосную часть недостаточна, так как остается незащищенным низ откоса, откуда процесс деградации обычно заходит под насыпь. К тому же плиты нельзя герметично смонтировать, они пропускают дождевую и талую воду через стыки и могут привести к размыву откосов. Поэтому данный способ также терял смысл, если даже не учитывать высокую стоимость самих пенополистирольных плит.
Однако с появлением рулонного тепло- и влагоизоляционного материала «Тепофол» данный способ защиты приобретает вполне реализуемый характер.