Особенности ремонта и строительства дорог на Крайнем Севере

Крайний Север отличается своими природно-климатическими условиями и вечномерзлым состоянием грунтов. Как в таких условиях строят и ремонтируют автодороги? Этот вопрос стал основным в нашей беседе с директором Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова, доктором геолого-минералогических наук, академиком Республики Саха (Якутия) Михаилом Николаевичем Железняком. Он рассказал, какие существуют особенности и проблемы строительства дорог и мостов в условиях вечной мерзлоты, какие задачи в дорожном строительстве выполняют сотрудники Института мерзлотоведения, подробнее - в материале «ДорИнфо».

Михаил Николаевич, в чем особенность строительства/ремонта автодорог на Крайнем Севере?

При строительстве на Крайнем Севере существуют две большие проблемы. Первая - это низкие температуры и широкий диапазон их изменения. В зимний период - это температура до минус 40-45 градусов, в летний период асфальтовое покрытие нагревается до температуры +50 градусов, а при выполнении асфальтобетонных работ может быть и выше. Вторая проблема - это, конечно же, наличие многолетних мерзлых пород или «вечной мерзлоты», содержащей в своем составе лед. Климатические изменения, которые ведут к изменению сезонно-талого слоя, при потеплении - к увеличению его мерзлоты. Соответственно, изменяются грунтовые условия, и, как следствие, происходят деформации на поверхности автомобильных дорог. Вот это две большие проблемы, в которых заключается особенность строительства ремонта и эксплуатации автомобильных дорог на Крайнем Севере.

Какую работу выполняют сотрудники Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова по части строительства/ремонта дорог?

На севере одной из проблем устойчивости автомобильных дорог является изменение состояния грунтов основания земляного полотна. Здесь эти грунты находятся в многолетнем мерзлом состоянии. Климатические изменения в сочетании с различными конструкциями дорожного полотна дороги создают в зоне её прокладывания и на прилегающей территории изменение условий теплообмена, что в свою очередь приводит к изменению теплового состояния грунтов. При потеплении происходит таяние вечной мерзлоты и образование просадок, а при похолодании - замерзание влажных грунтов и пучение. Все эти переменные процессы приводят к деформации автомобильных дорог, поэтому задача сотрудников института - исследовать грунтовые условия, дать прогноз их возможного изменения и развития экзогенных процессов во времени для обоснования проектного решения и разработки превентивных мероприятий в процессе эксплуатации.

В начальной стадии строительства и реконструкции автомобильных дорог выполняются инженерно-геологические изыскания, потом разрабатываются проектные решения, потом идет процесс непосредственного строительства. Одна из задач первого этапа - оценить характер и параметры распространения многолетних мерзлых пород, дать прогноз динамики их возможного развития, ведь дороги строятся не на один год.

Последние 35-40 лет мы видим, как изменяются климатические условия. Идет потепление. Это несомненно отражается и на тепловом состоянии и параметрах мерзлой толщи. Однако, изменение геокриологических условий не везде имеет прямую связь с температурой воздуха. Это в значительной степени определяется условиями теплообмена на поверхности (растительность, снежный и напочвенный покровы). Поэтому задача сотрудников института - дать проектировщикам и строителям объективную характеристику инженерно-геокриологических условий и предложить систему контроля за состоянием инженерно-геокриологической среды. Если мы будем знать грунты, прогноз их возможного изменения под воздействием природных и техногенных факторов - сделаем адекватные проекты и построим качественные дороги, которые смогут долго эксплуатироваться.

Есть ли специальные технологии, которые применяются при строительстве/ремонте дорог на Крайнем Севере?

Конечно, есть. Их достаточно много, но их следует применять. К примеру, если основание дорожного полотна состоит из глинистых, суглинистых грунтов (это наиболее опасные пучинистые текуче-пластичные грунты), то здесь задача состоит в том, чтобы сохранить их в мерзлом состоянии, так как они при этих условиях будут служить надежным основанием. Для поддержания этих грунтов в мерзлом состоянии применяются различные охлаждающие системы - это сезонные охлаждающие установки (СОУ), различные теплоизоляционные мероприятия, с помощью которых можно сохранить породы в мерзлом состоянии и не дать им оттаять. Широко эти все технологии применяются в Западной Сибири, фрагментарно - в Якутии и других районах Сибири, где неустойчивые грунты имеют значительные площади, а температура грунтов - близкие к 0°С значения.

Для различных грунтовых и природно-климатических условий проводится различный комплекс охлаждающих и укрепляющих мероприятий, нередко с использованием и добавлением различных добавок. Я простой пример приведу: если мы с вами укладываем в доме пол, какой бы красивый и прочный линолеум мы не положили, он провалится, если основание, на котором он лежит недостаточно прочное. Аналогично и для дорог, каким бы прочным не было асфальтовое покрытие, если у нас слабое основание, на дорогах будут деформации: пучение, просадки.

А что насчет мостов? Есть ли какие-то особые требования при их возведении?

Когда мы говорим о строительстве мостов или любых других переходов через реки в зоне вечной мерзлоты, мы всегда говорим о том, насколько надежно у нас стоят в грунте опоры или на что они опираются. Если есть близкое залегание скальных пород, то, конечно же, стараются эти опоры опереть на скальные грунты. Во многих случаях мостовые переходы возводят на четвертичных отложениях. Важно сказать, что, в основном, любая речная сеть имеет подрусловой сток, в мерзлоте - подрусловой талик, который несет воды, чаще всего, в течение всего сезона года. Вот по проектному решению и должно быть так, чтобы силы смерзания «столбов» опоры были больше возникающих сил пучения при промерзании деятельного или сезонно-талого слоя.

При строительстве мостов через мелкие и средние реки, где развиты несквозные подрусловые талики, необходимо знать их параметры и параметры мерзлоты. При строительстве на крупных северных реках, таких как Лена, Вилюй, где под руслами сформировались глубокие таликовые зоны, необходимо учитывать подрусловые потоки и особенности нагрузи на опоры ледохода в период вскрытия реки.

Каков срок эксплуатации дорожного покрытия при соблюдении всех требований?

Межремонтный срок строительства автомобильных дорог в настоящее время - 12 лет. То есть подрядчик строит дорогу и 12 лет он должен следить за её состоянием. Если он ее плохо построил, значит, будет вкладывать дополнительные финансовые средства.

В природных условиях нет ничего постоянного - и инженерно-геокриологические условия также изменялись и будут изменяться во времени. Здесь вопрос насколько и как? Если достоверно оценены инженерно-геологические условия при изысканиях, разработано адекватное проектное решение с учетом возможных изменений инженерно-геологических условий, создана система контроля за их состоянием, то такая дорога будет долго и надежно служить. При малейших изменениях грунтовых условий, мы заранее сможем провести превентивные простые мероприятия. Допустим, идет какое-то отепление в боковых частях автомобильной дороги, можно просто в зимний период убрать снежный покров - изменить условия теплообмена - и охладить массив пород за счет естественного холода в зимний период. Вот таких превентивных мероприятий можно привести достаточно много. Поэтому контроль состояния грунтовых условий позволяет обеспечить устойчивость автодорог на севере.

В строительстве линейных сооружений разработано множество проектных решений, однако мы зачастую чрезмерно часто используем простые типовые решения, не анализируем возможность их эффективной работы в отличных инженерно-геокриологических условиях. Ведь на любой дороге есть сложные участки, которые конечно, не составляют большую часть автомобильной дороги, но они есть - и их нужно знать и учитывать. Затраты для этих участков на изыскания, проектные решения и строительство - совершенно разные.

Термокарстовые просадки вдоль дороги «Колыма»

Беседовала Виктория Брылёва

фотоматериалы предоставлены директором Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова, доктором геолого-минералогических наук, академиком Республики Саха (Якутия) Михаилом Железняком