Вечная мерзлота как глобальный вызов

А. В. ТАРАНЕНКО, генеральный директор ООО «Сибирский дорожно-испытательный центр»

ВЕЧНАЯ МЕРЗЛОТА (МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫЕ ПОРОДЫ, ММП) – ЭТО НЕ ПРОСТО ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ПОНЯТИЕ, А ОСНОВА ЖИЗНИ И РАЗВИТИЯ КОЛОССАЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ РОССИИ. ЭТОТ ГИГАНТСКИЙ ПРИРОДНЫЙ «ХОЛОДИЛЬНИК», ЗАНИМАЮЩИЙ БОЛЕЕ 65% ПЛОЩАДИ НАШЕЙ СТРАНЫ, – ОТ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА ДО ЧУКОТКИ. ОН ХРАНИТ В СЕБЕ НЕ ТОЛЬКО ОГРОМНЫЕ ЗАПАСЫ ПРЕСНОЙ ВОДЫ В ВИДЕ ПОДЗЕМНЫХ ЛЬДОВ, НО И ЯВЛЯЕТСЯ ЕДИНСТВЕННОЙ ОПОРОЙ ДЛЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ В СУРОВЫХ СЕВЕРНЫХ ШИРОТАХ. ОДНАКО СЕГОДНЯ ЭТОТ ФУНДАМЕНТ СТРЕМИТЕЛЬНО ТАЕТ, И ЕГО ДЕГРАДАЦИЯ СТАВИТ ПОД УГРОЗУ ВСЕ, ЧТО НА НЕМ ПОСТРОЕНО. ОСВОЕНИЕ АРКТИКИ И СИБИРИ, СТОЛЬ ВАЖНОЕ ДЛЯ РОССИИ, ПРЕВРАЩАЕТСЯ В ИНЖЕНЕРНЫЙ ВЫЗОВ НЕВИДАННОЙ СЛОЖНОСТИ, УСУГУБЛЯЕМЫЙ ГЛОБАЛЬНЫМ ПОТЕПЛЕНИЕМ.

Что такое вечная мерзлота? Это не статичная ледяная глыба, а сложная, динамичная и уязвимая геосистема, реликт ледниковых эпох. Ее существование зависит от тонкого баланса — отрицательного среднегодового тепла на поверхности. Представьте себе «слоеный пирог», который состоит из нескольких «этажей». 

Сезонноталый слой (СТС): верхний слой, который каждое лето оттаивает, а зимой промерзает. Его мощность — от десятков сантиметров до двух метров. Это зона постоянного пучения и осадок.

Многолетнемерзлые породы: грунты с постоянной температурой ниже нуля. Их толщина поражает — до 1000 м (!) в Якутии. 

Талики — незамерзающие «островки» внутри мерзлоты, часто встречающиеся под реками или озерами. Главная опасность кроется в составе ММП. Это смесь минеральных частиц, органики и, что критично, льда. Лед присутствует в виде прослоек, линз, жил, целых «ледяных комплексов». Льдистость (процентное содержание льда) — ключевой параметр.

Грунты с льдистостью выше 40-50% при оттаивании превращаются в «кашу», теряя всю прочность и давая катастрофические просадки в метры и десятки метров. И здесь вступает в игру климат: повышения среднегодовой температуры воздуха всего на 1-2 °C уже достаточно для начала деградации верхних слоев мерзлоты, особенно на ее южных границах и в районах с высоким содержанием льда.

Любое строительство на вечной мерзлоте — это вторжение в хрупкое равновесие. Любая человеческая деятельность кардинально меняет тепловой режим и запускает цепную реакцию, в итоге приводящую к ряду негативных последствий.

Антропогенных факторов достаточно много. К ним можно отнести следующие.

• Нарушение теплоизоляции. Снятие растительного и мохово-торфяного покрова открывает грунт солнцу.
• «Поглотители тепла». Темные дорожные покрытия (асфальт) жадно поглощают солнечную радиацию.
• Снежные «одеяла». Насыпи земляного полотна меняют ветер, приводя к накоплению снега у их оснований. Снег — отличный изолятор, мешающий промерзанию зимой.
• Теплая вода. Дождевые и талые воды просачиваются в грунт, неся с собой тепло.
• Техногенное тепло: от дорог, трубопроводов, транспорта.

Результат — пробуждение разрушительных процессов. Они заключаются в следующих явлениях.

• Термокарст (просадки). Лед тает, вода уходит, грунт резко проседает. Это бич высокольдистых участков. Вспомним печально известный «Золотой километр» Забайкальской железной дороги, где просадки достигли 5–7 м и продолжаются десятилетиями, превратив участок в зону вечного ремонта и ограничения скорости до 15–40 км/ч. Те же проблемы мы видим на автомобильной дороге «Амур» примерно с 280 км от Читы с захватом части Амурской области, где просадки также идут десятилетиями.
• Пучение. Замерзающая вода расширяется, поднимая и ломая фундаменты труб и дорожное полотно.
• Солифлюкция. «Течение» оттаявшего грунта по склонам.
• Термоэрозия. Быстрое разрушение берегов и склонов. 

С учетом перечисленных проблем история транспортного строительства в криолитозоне давно превратилась в хронику непрекращающейся борьбы с последствиями игнорирования природы мерзлоты. Примеров тому не занимать.

Забайкальская ж/д («Золотой километр»). Классический образец столетних деформаций из-за протаивания мощных льдистых толщ. По сути, вечный ремонт и огромные расходы.

БАМ (разъезд Казанкан). Более 35 лет деформаций. Один работающий путь с минимальной скоростью. Миллиарды рублей на ремонт.

Подъездной путь Чара — Чина. Построен в 2000-х на сложных льдистых грунтах, быстро разрушился и был заброшен. После 2008 года работа на нем прекратилась совсем. Миллиарды денег потрачены, без должной проработки вопроса с вечной мерзлотой.

Автомобильная дорога «Амур» (Чита — Хабаровск, трасса Р-297 / А-360) — один из ключевых транспортных коридоров Дальнего Востока России, частично проходящий по сложным вечномерзлым грунтам. Ее история строительства и эксплуатации наглядно иллюстрирует типичные ошибки и катастрофические последствия игнорирования специфики криолитозоны при реализации крупных инфраструктурных проектов.

В чем же состоят причины проблемных участков и постоянных разрушений на них? Ответ, на первый взгляд, прост — «пробелы» в изысканиях и проектировании. На многих участках, особенно строившихся в советский период и позже в 1990-2000 гг., в условиях ограниченного финансирования, инженерно-геокриологические изыскания проводились недостаточно глубоко или фрагментарно.

Не была в полной мере оценена льдистость грунтов, их температурный режим и чувствительность к техногенному воздействию. Проектные решения часто не учитывали необходимость специальных мер по термостабилизации или превентивной замене грунтов. Еще одна причина — отсутствие адекватных защитных мер. Это сказывалось в нарушении природного покрова, когда при строительстве насыпей часто снимался растительный и торфяной слой — естественный теплоизолятор, защищавший мерзлоту от летнего прогрева.

Темное покрытие: укладка асфальтобетона, активно поглощающего солнечное тепло, без компенсирующих мер (повышение альбедо, вентиляция).

Неэффективный или отсутствующий дренаж. Плохая организация отвода дождевых и талых вод приводит к их инфильтрации в тело насыпи и основание, ускоряя протаивание льдистых прослоек. Особенно критично это проявляется на косогорах.

Снегонакопление. Форма насыпей способствовала накоплению снега у подошвы, который зимой действовал как одеяло, препятствуя восстановлению промерзания.

Отсутствие термостабилизаторов/навесов. На льдистых участках не применялись эффективные современные технологии типа СОУ или СЗН на этапе первоначального строительства.

В конечном счете все перечисленные недочеты становились причиной целого ряда дефектов, влекущих за собой дорогостоящие ремонты.

Быстрое разрушение. Покрытие на проблемных мерзлотных участках приходило в негодность в разы быстрее нормативного срока.

Опасность для движения. Появление глубоких ям, провалов, волн создавало аварийные ситуации, особенно на высокой скорости.

Низкое качество строительства в конечном итоге оборачивалось большим перечнем серьезных издержек. К ним можно отнести следующие.

Колоссальные затраты на содержание. Дорога «Амур» стала печально известна как объект перманентного ремонта. Значительные средства ежегодно тратились на латание дыр, выравнивание полотна, замену асфальта на наиболее поврежденных участках. Эти затраты многократно превышали потенциальную экономию на изысканиях и защитных мерах при строительстве.

Низкая скорость и ненадежность: необходимость постоянного ремонта и плохое состояние покрытия вынуждали вводить ограничения скорости, делали путь долгим и ненадежным, особенно в период активного таяния (поздняя весна, лето, ранняя осень). Некоторые участки после паводков или сильных дождей становились временно непроходимыми.

Необходимость системного подхода. Опыт дороги «Амур» — это суровый урок для всех будущих проектов в криолитозоне. Он доказывает, что глубокие и качественные инженерно-геокриологические изыскания — абсолютная необходимость, а не излишество.

Мировой опыт (Аляска, Цинхай-Тибетская ж/д) лишь подтверждает: ни одна дорога на льдистых ММП не избежала деформаций и дорогостоящего содержания. Как справедливо заметил еще основатель мерзлотоведения М. И. Сумгин в 1926 году, «огромные средства уходили на ремонт». Прошло 100 лет — проблема актуальна, как никогда.

В чем же выход? Как решить проблему? Инженерная мысль выработала два принципиальных подхода к строительству на «тающем» фундаменте.

Первый принцип заключается в том, чтобы сохранить мерзлоту в замороженном состоянии (особенно для высокольдистых грунтов). Философия: не дать теплу проникнуть вглубь, усилить охлаждение.

К основным методам в данном случае можно отнести следующие.

Термостабилизаторы (СОУ). «Холодильники» для грунта (тепловые трубы), активно отводящие тепло. Работают на БАМе, АЯМ, в Китае.

Солнце- и осадкозащитные навесы (экраны), СЗН. Наиболее перспективны для автомобильных дорог.

Навесы над откосами насыпей. Их эффективность доказана: они блокируют солнце и дождь, предотвращают снегонакопление, усиливают зимнее промерзание. Реальные данные, полученные на БАМе, показывают снижение температуры грунта на 3-5 °C и резкое сокращение затрат на ремонт. Расчеты для АЯМ предсказывают ускорение стабилизации основания в 10 раз по сравнению с традиционными методами.

Также экраны начали применять на автомобильной дороге «Амур». Опыт применения СЗН в этом случае указывает на необходимость доработки конструкции для обеспечения защиты подошвы насыпи, которая остается уязвимым элементом. Вентилируемые конструкции, повышение альбедо (окраска в белый), регулирование снега, водоотведение. Второй принцип состоит в предварительном оттаивании поверхности и замене (для доступных льдистых грунтов ограниченной мощности) на стабильный материал (скальный грунт, песок, щебень). Благодаря этому создается вечно стабильное основание. К недостаткам можно отнести дороговизну, сложность и продолжительность производственного процесса, энергозатратность, а также невозможность использования этого варианта для мощных ледяных толщ.

Вывод напрашивается следующий. Выбор стратегии — не вопрос предпочтений, а результат тщательнейших инженерно-геокриологических изысканий и теплотехнических расчетов с учетом полного жизненного цикла объекта. Экономия на изысканиях и проекте обернется многократными перерасходами на ремонт.

Говоря о строительстве на вечной мерзлоте, нельзя забывать, что даже идеально спроектированный и построенный в этой зоне объект нуждается в постоянном наблюдении. Климат меняется, непредвиденное случается. Система мониторинга — это система раннего предупреждения. Она включает в себя следующие манипуляции.

• Контроль температуры грунта на разных глубинах (термометрические скважины).
• Высокоточные измерения деформаций (геодезия, GPS/ГЛОНАСС).
• Дистанционное зондирование Земли (спутники для выявления просадок, термоэрозии).
• Геофизика, гидрогеология, визуальный осмотр.

Цель перечисленных способов сбора информации — интеграция данных в единую систему, способную анализировать, моделировать и выдавать прогнозы для эксплуатационников. Но не все так просто. На описанную выше идеальную модель исследований огромное влияние оказывает потепление. Арктика теплеет в 2-4 раза быстрее глобального тренда. Последствия для ММП катастрофичны. Это повышение температуры мерзлоты. Увеличение глубины летнего протаивания (СТС). Активизация всех разрушительных процессов (термокарст, пучение и т. д.). Деградация островной и прерывистой мерзлоты, смещение ее границ. Высвобождение гигантских запасов органического углерода и парниковых газов (CO2, метан), провоцируют петлю обратной связи, ускоряющей потепление. Инфраструктура, построенная в прошлом веке на «стабильной» мерзлоте, становится уязвимой. Проектировать новое становится все сложнее и дороже. Все это подводит к мысли о том, что необходима новая концепция обращения с вечной мерзлотой. Традиционный подход к северному строительству, часто игнорирующий или недооценивающий мерзлоту, себя исчерпал. Он привел к колоссальным экономическим потерям и ненадежной инфраструктуре. Требуется принципиально новая идеология, где мерзлота — центральный элемент на всех этапах жизненного цикла объекта. Необходимо перечислить главные из них.

• Изыскания. Сегодня они требуются глубочайшие, с применением всех современных методов (бурение, геофизика, ДЗЗ) для построения точной 3D-модели мерзлотных условий. Без этого любое строительство — авантюра.
• Проектирование. Необходимо производить прогнозные теплотехнические расчеты на десятилетия вперед, включая пессимистичные климатические сценарии. Требуется выбор технологий (СЗН, СОУ и др.) на основе анализа полной стоимости жизненного цикла, а не только первоначальных вложений. Обязательна разработка системы мониторинга.
• Строительство. Требуется строжайшее соблюдение проектных решений по теплозащите и водоотводу, жесткий контроль качества.
• Эксплуатация. Необходим непрерывный мониторинг, превентивный ремонт на основе его данных, поддержание защитных систем в рабочем состоянии.
• Наука и кадры. Этот пункт включает в себя интенсивные исследования, разработку новых технологий, подготовку высококлассных инженеров-геокриологов и строителей для Севера. На сегодня отличные специалисты работаю в г. Якутске в институте мерзлотоведения им. П. И. Мельникова под руководством Михаила Железняка.

Вывод из изложенного следующий. Вечная мерзлота — это не просто вызов, это фундаментальное условие существования и развития российского Севера. Уроки «Золотого километра», БАМа, заброшенной Чара — Чины, автомобильной дороги «Амур» должны быть усвоены раз и навсегда: игнорирование природы мерзлоты — путь к колоссальным экономическим потерям и небезопасной инфраструктуре.

Но есть и хорошие новости. Это появление современного арсенала эффективных технологий — от проверенных термостабилизаторов до прорывных солнцезащитных навесов. Есть понимание необходимости комплексного мониторинга. Ключевая задача сейчас — переход от разрозненных решений к системной «мерзлотоцентричной» идеологии освоения территорий.

Устойчивое развитие Сибири, обеспечение национальной безопасности и экономических интересов России в этих стратегических регионах возможно только в том случае, если вечная мерзлота перестанет восприниматься как досадная помеха, а станет главным фактором, определяющим все решения — от чертежной доски до многолетней эксплуатации. Это не просто инженерная задача, это императив для будущего России.