В России есть населенные пункты, построенные на многолетнемерзлых грунтах, например Норильск. Чтобы возводить на мерзлых грунтах целые города, нужны специальные технологии. Рассказываем, как они появились и как их используют сегодня.
Почему сложно строить здания на многолетнемерзлых грунтах
Вечная мерзлота — это слой грунта, который остается замерзшим в течение трех и более лет подряд. Летом поверхностный слой может оттаивать, но глубинные слои сохраняются в замерзшем состоянии тысячелетиями.
Название «вечная мерзлота» воспринимается так, словно речь идет о грунтах, с которыми ничего не происходит. На самом деле это не вполне верно, подобные грунты неоднородны и изменчивы.
- Процент льда тоже может быть разным, в зависимости от состава пород. Бывают грунты, которые полностью состоят изо льда.
- Из-за изменений климата многолетнемерзлые грунты начинают оттаивать. По оценкам Министерства природы, это создает риски для инфраструктуры, расположенной в зоне вечной мерзлоты. Более 40% таких объектов уже деформированы.
Все это важно учитывать и при строительстве зданий, и при их эксплуатации. Например, при оттаивании грунтов постройка может потерять устойчивость, перекоситься и даже полностью разрушиться. В 1930-х годах, когда начали строить Норильский медно-никелевый комбинат, эти риски уже были очевидны. Но как с ними справляться, поняли не сразу.
Как строили Норильск
Постановление о строительстве Норильского медно-никелевого комбината было принято в 1935 году. На тот момент практики проектирования, а тем более строительства предприятий на вечной мерзлоте не было ни у кого в мире. Чтобы изучить такие грунты и понять, как на них поведет себя фундамент, создали мерзлотную станцию. Ее сотрудники экспериментировали с деревянными сваями и оттаиванием грунтов, исследовали разные способы строительства, искали подходящие для него площадки.
Первые здания, и производственные, и жилые, планировались как временные и долго не простояли: уже в 1936 году из-за таяния грунтов разрушился деревянный цех электролиза никеля, а через год — жилые бараки. Поэтому крупные промышленные объекты строили только на скальных основаниях, но их было немного и добраться до них было непросто. Для дальнейшего строительства приходилось в многолетнемерзлом грунте копать котлованы до 20 метров в глубину.
В 1937 году построили первое здание на сваях — кирпичный завод. Для этого пришлось прогревать грунт, ставить деревянные сваи и ждать, когда все снова замерзнет. Ждать приходилось долго, и с этой точки зрения технология была нерациональной. Но такой фундамент оказался действительно прочным.
Усовершенствовать этот подход смог ученый и инженер Михаил Ким. В 1959 году он предложил не прогревать грунт, а сразу бурить в нем скважины для свай, оставляя вентилируемое подполье. Так грунт оставался мерзлым, и при правильной эксплуатации постройки могли стоять очень долго. Благодаря технологии Кима фундаменты стали закладывать в шесть раз быстрее, а их стоимость снизилась вдвое.
Большинство зданий в современном Норильске построены именно таким образом. Но чтобы сохранить грунт мерзлым, можно использовать не только сваи. Среди других вариантов — не отапливать первые этажи, применять специальные подсыпки для термоизоляции или охлаждающие устройства. При этом важно постоянно отслеживать состояние грунта, чтобы вовремя отреагировать, если он все же начнет оттаивать.
Что происходит сегодня
Строительство на сваях оказалось самой надежной технологией для городов в зонах вечной мерзлоты. Но такое решение предполагает, что грунты будут оставаться мерзлыми, — а сегодня с этим возникают проблемы. Площадь мерзлоты в северных регионах постепенно сокращается, температура грунтов растет, и нормы строительства и эксплуатации зданий приходится пересматривать. Это актуально в том числе потому, что до 2035 года в Норильске реализуется программа реновации, которая подразумевает масштабное обновление жилого фонда.
Из-за того, что льды постепенно тают, важно непрерывно отслеживать состояние грунта. Советская система мониторинга мерзлоты практически перестала функционировать в 1990-х годах. Сейчас на федеральном уровне создается новая система, планируется, что всего в ней будет 140 точек наблюдения.
Однако проблема с таянием мерзлоты касается не только государства: она создает риски и для бизнеса. Поэтому свой проект в регионах присутствия запустил «Норникель». Сейчас это крупнейшая в стране система мониторинга вечной мерзлоты. В ней сотни наблюдательных скважин с датчиками, которые фиксируют температуру грунта под зданиями, влажность, изменения в геометрии зданий и другие параметры. Все данные собираются в реальном времени и поступают в единый центр обработки информации.
У «Норникеля» также есть совместный проект фонового мониторинга мерзлоты с Заполярным государственным университетом. Ученые и эксперты компании создали восемь мерзлотных полигонов на территории от Талнаха до Дудинки, а компания пробурила на них 28 скважин, чтобы отслеживать, как меняется мерзлота в разных природных условиях. На основе полученных данных исследователи составляют математические модели, которые помогут спрогнозировать, как изменится климат в зонах мерзлоты к 2050 году.
Проект фонового мониторинга многолетнемерзлых грунтов на территории ответственности «Норникеля» стал победителем и призером нескольких российских и международных конкурсов:
- Федеральная премия в области корпоративных инноваций GenerationS Innovation Award в номинации «Кооперация науки и бизнеса»;
- Международный конкурс «Зеленая Евразия» в номинации «Мониторинг и прогнозирование климатических изменений»;
- Национальная экологическая премия имени В. И. Вернадского, номинация «Наука в интересах устойчивого развития»;
- Реестр лучших практик Международного конкурса BRICS Solutions Awards — 2024.
