Дорога на мерзлоте

Ее качество зависит
от научного сопровождения
инженерных изысканий.

На вопросы корреспондента «ТР» отвечает директор Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова Сибирского отделения Российской академии наук Михаил ЖЕЛЕЗНЯК.
– Михаил Николаевич, Институт мерзлотоведения, дислоцирующийся в Якутске, занимается не только фундаментальными научными исследованиями, но и участвует в государственных целевых научных программах, федеральных и региональных научно–технических проектах, хоздоговорных работах по предложениям различных организаций. Можете привести примеры такого участия в программах и проектах, касающихся транспортной отрасли?
– Договорные работы для нашего института и для других академических институтов – реальная необходимость. В первую очередь это – возможность получения новых фактических данных, применение своих разработок и методик на практике и, конечно, финансовая помощь для выполнения полевых работ, приобретения оборудования и расходных материалов, повышения заработной платы сотрудникам. Без научных грантов и хоздоговорных работ в современных условиях академической науке просто не выжить. В этом году институт участвует в выполнении 30 хоздоговорных работ на общую сумму около 45 млн рублей. Средства небольшие, и это говорит о том, что зарабатывание денег для науки не самоцель.
К примеру, мы обеспечивали и продолжаем работу по научному сопровождению проектов строительства и эксплуатации Амуро–Якутской железнодорожной магистрали на участках Беркакит–Томмот и Томмот–Нижний Бестях, которая проходит в сложных инженерно–геокриологических условиях и пересекает протяженные участки с подземными льдами и льдистыми грунтами.
В 2012 году проводили инженерно–геокриологические исследования на аварийных участках трассы «Амур». С 2013 года начали работу со строителями автодороги «Вилюй», где сдаются первые участки. Очень бы хотелось продолжать эти работы еще и потому, что для нас, мерзлотоведов, с точки зрения познания криолитозоны, линейные сооружения, пересекающие зоны с различными ландшафтными условиями представляют особый научный интерес. Мы знаем, как строить и эксплуатировать инженерные объекты в зоне распространения мерзлых пород.
– Насколько известно, есть два способа строительства дорог в зоне мерзлоты: можно вначале постараться сохранить существующие мерзлые грунты, а можно изменить их, дать грунту оттаять. – Совершенно верно. Если вы выбираете тот или иной способ строительства, проект должен включать обоснованное техническое решение и регламентирующие мероприятия, которые обеспечивали бы эти условия: чтобы грунты под инженерным объектом всегда находились в выбранном состоянии. К сожалению, изыскатели и проектировщики не всегда обращают внимание на то, какая мерзлота распространена в той или иной местности (сплошная, прерывистая или островная), каковы ее состав, строение, тепловой режим. Зачастую строительство ведется с использованием одного принципа. Поэтому образуются просадки и пучины – дорога «прыгает».
– Отечественная и зарубежная практика дает много примеров деформаций и разрушений на автодорогах в районах вечной мерзлоты. Один из них – просадки на трассе «Амур» Чита – Хабаровск. Вероятно, это указывает на недостаточную изученность и неполноту исследования вопросов проектирования земляного полотна на вечномерзлых грунтах?
– Деформации дорог, построенных в зоне распространения вечной мерзлоты (включая трассу «Амур»), связаны как с неучетом особенностей геокриологических условий, так и с нарушением технологии строительства. При возведении дорожного полотна изменяются условия теплообмена на поверхности. И здесь важно помнить, что изменение теплового состояния грунтов приводит к изменению физико–механических свойств горных пород, а это, в свою очередь, связано с возможностью развития экзогенных процессов. Поэтому очень важно для проектировщиков дорог знать инженерно–геокриологические условия и прогноз их возможного развития, а строителям выполнять проектные решения.
– Возможно ли исследовать каждый метр грунта на маршруте прохождения будущей дороги, чтобы узнать: в каком месте есть кусок льда, а каком нет?
– Исследовать буквально каждый метр дороги нет необходимости, хотя это, несомненно, делается в процессе выполнения полевых и камеральных работ, которые включают маршрутные обследования, работу с картами и аэро–фотоснимками, геофизические и горно–буровые работы. Для выявления особенностей инженерно–геологических условий применяется метод ключевых участков, при этом, если грамотно применять мерзлотно–ландшафтное районирование, чем много лет занимается Институт мерзлотоведения, и соблюдать все стадии изыскательских работ, эта цель вполне достижима.
Исследовать грунты необходимо в разумном сочетании бурения, лабораторных испытаний и комплекса геофизических методов. Использование геофизических методов не означает применение только традиционной электроразведки, как это часто делают изыскатели. Необходимо сочетание комплекса методов в зависимости от инженерно–геологических условий территории, состава и состояния грунтов. Для оценки теплового состояния грунтов, особенно в области криолитозоны, необходимо проведение геотермических измерений в скважинах с выстоявшимся температурным режимом. Вот здесь очень часто у изыскателей не хватает терпения и профессионального навыка, а в криолитозоне тепловое состояние определяет свойства грунтов и соответственно процессы, развивающиеся на участке.
– А в местах просадок дорожного полотна на трассе Чита – Хабаровск какие грунты?
– В прошлом году специалисты лаборатории инженерной геокриологии Института мерзлотоведения работали на пяти участках трассы «Амур» – там, где зафиксированы наиболее активные просадки. Проводили полевые маршрутные и визуальные наблюдения, буровые работы, лабораторные и геофизические исследования для того, чтобы оценить состояние грунтов, динамику развития экзогенных процессов. Наибольшие деформации полотна дороги приурочены к поймам рек и надпойменным террасам там, где развиты подземные льды и льдистые грунты. После строительства дороги изменились условия теплообмена, и льдистые грунты где–то начали протаивать, а в некоторых условиях промерзать – это привело к просадкам и пучению.
Вероятно, в процессе проектно–изыскательских работ проектировщикам просто не показали реальных инженерно–геокриологических условий и прогноза возможных их изменений. Иначе они бы предложили другие проектные решения, инженеры учли бы их при строительстве трассы, и просадок наверняка можно было бы избежать.
– Можно ли строить хорошие дороги на вечной мерзлоте?
– Конечно, можно. Важно только избегать повторения ошибок. Когда идет работа над проектом, особенно линейных сооружений, как правило, средства на изыскательские работы сокращаются до минимума. Этому способствуют и условия проведения тендеров, которые стимулируют снижение цены на изыскания. Выигрывает тот, кто предложит минимальную стоимость. Понятно, что при таком подходе изыскания проводятся поверхностно. Это особенно отражается на объектах, строящихся в сложных инженерно–геокриологических условиях – например, в зоне прерывистой или островной мерзлоты. Но даже на участках трассы «Колыма», на Верхоянском хребте, где в основании дорожного полотна доминируют скальные грунты, встречаются участки крупнообломочных и дисперсных пород с подземными льдами, а это особые условия для строительства.
Нередко специалисты, занимающиеся изысканиями, не имеют представления, что такое мерзлота. Они описывают грунт, не говоря о криогенных текстурах, приводят сведения о тепловом состоянии пород, не соответствующие действительности. В результате проектировщики не получают полной информации и не могут предложить оптимальных проектных решений. В этом одна из серьезных проблем. Что же делать?
В сложившейся в России ситуации, для того чтобы строить дороги на Севере, нужно обеспечить инженерные изыскания научным сопровождением, привлечь ученых, получить качественные полевые данные, сделать добротный анализ материалов изысканий и выполнить обоснованный прогноз. Это не потребует больших затрат, зато заставит изыскателей делать то, что нужно. И тогда в отчетах не будет «пробуренных на бумаге» скважин, а проектировщики будут владеть объективной информацией. В итоге повысится качество дорожно–строительных работ.
– Но климат на планете меняется. Как это отразится на эксплуатации действующих объектов?
– Об изменении климата много говорят, и этот факт, несомненно, существует. Так, за последние 30 лет в центральной Якутии температура воздуха повысилась на 1,6 градуса. Это не значит, что мерзлота повсеместно интенсивно начинает протаивать. Короткопериодное потепление в ближайшее время сменится периодом похолодания. В природе нет ничего постоянного. При проведении инженерно–геологических изысканий одной из задач специалистов является прогноз возможных изменений инженерно–геологических условий в процессе эксплуатации инженерного сооружения. Если достоверно выполнены изыскания, сделан научно
обоснованный прогноз, нет сомнений: инженерное сооружение будет нормально функционировать. В арсенале инженеров–геокриологов имеется богатый запас превентивных мероприятий, позволяющих регулировать динамику криогенных процессов. Это и простые мероприятия, связанные с регулированием термо–влажностного режима грунтов с помощью теплоизолирующих материалов и изменения мощности и плотности снежного покрова; и более сложные – в виде охлаждающих термосифонов различной конструкции.
Автомобильная или железная дорога – линейное сооружение, которое пересекает зоны с разнообразными инженерно–геологическими и мерзлотно–климатическими условиями. При строительстве надо либо обойти проблемные участки, либо принять инженерное решение, которое позволит сооружению функционировать нормально.
– Вы говорите о том, что ученые готовы к более масштабному выполнению договорных и иных работ. А хватит ли для этого специалистов?
– За спиной специалистов, которые сейчас работают в Институте мерзлотоведения, большой опыт исследований, они знают, как можно строить инженерные объекты в зоне распространения мерзлых пород. Несмотря на возраст (многим из них свыше 55 лет), они полны энергии и творческих планов. Немало работает у нас и молодых сотрудников, окончивших Северо–Восточный государственный университет. Есть сотрудники, которых мы отправляли учиться в другие вузы. К сожалению, возвращаются не все. Нынешних выпускников чаще прельщают рабочие места, где можно быстро заработать больше денег, а не получить профессиональные знания.
Причина еще и в том, что спрос на специалистов рождает предложение. А хороший специалист – изыскатель или проектировщик – это штучный товар, он требует времени на подготовку. В наше время мы мало привлекаем студентов на практику, они редко участвуют в инженерных изысканиях, боятся самостоятельности – часто из–за неуверенности в базовых знаниях. Отсюда и медленный рост кадров. Министерство образования и науки РФ погрязло в реформах и стремлении что–то перестроить, но, к сожалению, пока оно только все разрушает. Несомненно, нам нужна молодежь, которая бы училась, перенимала опыт у тех, кто окончил вузы в 60–90–е годы прошлого века. Иначе спустя время передавать его будет некому.
– Дороги в экстремальных условиях прокладывали и в советское время. На ваш взгляд, те наработки сейчас актуальны? Или на смену дедовским методам должны прийти современные технологии?
– Наши предшественники, учителя многому нас научили. Их фундаментальные работы мы используем и сейчас. То, что сделано, исследовано, предложено в прежние годы, развивается и лежит в основе многих наших работ.
Я уже упоминал об Амуро–Якутской магистрали. Одна из проблем, с которой столкнулись там дорожники, – наледи. В 30 годах прошлого века ими занимался удивительный специалист В.Г. Петров. В свое время он выявил особенности и объяснил механизм образования различных типов наледей, разработал некоторые способы борьбы с ними. Сейчас наука продвинулась вперед, и уже существуют методы диагностики и моделирования, с помощью которых можно довольно точно спрогнозировать динамику и параметры наледеобразования. Это дает возможность разрабатывать хорошие проектные решения, прогнозировать возможные превентивные меры по борьбе с наледями.
В арсенале науки появились новые методы исследований – геофизические, теплофизические, компьютерное моделирование и т. д., внедряются современные автоматизированные системы наблюдений. Мы, конечно, их взяли на вооружение. В том–то и состоит одно из условий развития науки: базируясь на уже известном, двигаться вперед. Важно, чтобы новые разработки ученых находили применение на практике. Этому во многом могут способствовать более тесные взаимоотношения Института мерзлотоведения с Росавтодором, которые наметились в последнее время.
– Росавтодор объявил о создании, помимо других, испытательного полигона для определения лучших материалов и технологий при строительстве автодорог в зоне вечной мерзлоты. Проект будет осуществляться при участии Института мерзлотоведения. Какую лепту внесут в создание полигона ваши сотрудники?
– При строительстве дорог очень важно знать, как себя поведет тот или иной материал, конструкция в определенных дорожно–климатических условиях. Поэтому хорошо уже то, что Росавтодор решил создать такие полигоны в разных регионах страны, в том числе в суровых климатических условиях. Однако еще раз хочу напомнить, что устойчивость автомобильных дорог, особенно на Севере, определяется не только качеством дорожного покрытия и конструкций, а в большей степени стабильностью состояния дорожного полотна и подстилающих его грунтов. В области развития криолитозоны состояние полотна и подстилающих грунтов во многом зависит от термо–влажностного режима грунтов и может контролироваться этими параметрами. Зная такие параметры и возможную их динамику, можно будет избежать просадок, пучения и других деформаций дорожного полотна.
 Мерзлые грунты занимают 65% территории России. Инженерно–геологические условия сильно отличаются не только в различных регионах, но часто и в пределах небольших участков. Нередко бывает так, что один склон горы проморожен, а другой – талый. Соответственно и физико–механические свойства, и динамика развития экзогенных процессов различны.
Дорогу в северных условиях невозможно строить, используя одну технологию и один принцип, для каждого участка надо находить наиболее подходящее инженерное решение. К примеру, некоторые участки автодорог «Колыма», «Лена», где скальные и полускальные грунты на водоразделах сменяются льдистыми осадочными породами в долинах водотоков и на склоновых террасах, можно поднять на эстакады. Есть такая технология изготовления длинных (до 18 м) бетонных плит на натяжных канатах. Так вот, в местах со сложными инженерно– геологическими условиями, на участках фильтрации подземных вод, где есть опасность заболачивания и возникновения наледей, можно поднять эти плиты на сваи. Строительство километра дороги «Вилюй» с насыпью в настоящее время обходится в 150–200 млн рублей. А затраты на километр эстакадной дороги будут почти вдвое меньше, утверждают специалисты, занимающиеся изготовлением таких плит. Новая технология избавит дорожников от многих проблем.
Институт мерзлотоведения инициативно разработал предложения по структуре наблюдательного дорожного полигона в Якутии. В 2011–2012 годы состоялось несколько встреч со специалистами и руководством Росавтодора, на которых мы обосновывали и доказывали, что Якутия – тот регион, где необходимо размещать такой полигон. В конце 2012 года ЗАО «Стройпроект», выигравшее конкурс на разработку технического задания на создание трех наблюдательных полигонов, предложило нам участвовать в «разработке частного технического задания, программы комплексного оснащения и инженерно–геокриологического мониторинга для наблюдательных площадок Якутского опытно–методического полигона». В июле 2013 года мы подготовили свои предложения по структуре, размещению и оборудованию для проектируемого полигона.
По нашему убеждению, закольцованного участка, где в дорожном полотне будут испытываться различные материалы и конструкционные инновационные решения, недостаточно. Полигон должен включать еще несколько площадок, размещенных в разных мерзлотно–климатических и инженерно–геокриологических условиях, с различными типами грунтов, геоморфологическими и гидрогеологическими условиями. Этот полигон, несомненно, должен стать научно–исследовательской и испытательной базой для строительства автомобильных дорог в криолитозоне. Предложенная нами структура полигона передана в Росавтодор для рассмотрения, с ней мы ознакомили и Минтранс республики Саха (Якутия). Понимание есть, и, я думаю, встреча в Институте мерзлотоведения в сентябре этого года с руководителем Федерального дорожного агентства Романом Старовойтом, министром транспорта и дорожного хозяйства республики Саха (Якутия) Семеном Винокуровым и руководителями федеральных автодорог «Лена», «Колыма», «Вилюй» приведет к плодотворному сотрудничеству науки и производства.
Для создания подобного полигона в Якутии есть все условия: наличие строящихся и реконструируемых стратегически важных федеральных автодорог общей протяженностью более 6000 км, пестрота мерзлотно–климатических условий, наличие высококвалифицированных кадров в академических учреждениях Якутского научного центра СО РАН и Северо–Восточном федеральном университете. Создание подобного полигона с участием в выполнении исследований студентов специализированных базовых кафедр СВФУ (мерзлотоведения, автомобильных дорог, информационных систем) даст серьезную возможность подготовки квалифицированных кадров, которая будет осуществляться в тесном сотрудничестве с ведущими специалистами разных направлений.
– Итак, подход к проектированию и строительству автодорог в различных мерзлотно–грунтовых условиях должен быть разным. За годы своей деятельности Институт мерзлотоведения, вероятно, подготовил какие–то рекомендации дорожникам для ведения таких работ?
– За более чем 50–летний период работы института сотрудниками выполнены фундаментальные исследования в области изучения физико–механических свойств мерзлых горных пород и особенностей формирования криолитозоны. Разработаны методы и технологии исследования и картирования мерзлых толщ, программы расчета и моделирования, специальные приборы и оборудование. Изучены возможности использования различных типов фундаментов при строительстве и эксплуатации сооружений. Институтом получено и зарегистрировано около 100 изобретений, связанных с разработкой различных типов фундаментов, охлаждающих конструкций, приборов и оборудования.
До 2010 года непосредственные контакты института с дорожниками носили эпизодический характер в виде научных консультаций и отдельных небольших договоров по расчетам и прогнозу теплового состояния грунтов. А вот в последние годы по просьбе дорожников мы выполнили 12 инициативных и хоздоговорных работ по инженерно–геокриологическим исследованиям сложных участков автомобильных дорог, занимались разработкой программы инженерно–геокриологического мониторинга, исследованием физико–механических свойств мерзлых грунтов.
Совместный опыт работы показал, что в современных условиях научное сопровождение изысканий – это не желательный, а обязательный компонент при строительстве автодорог в криолитозоне. При планируемых государством и республикой Саха (Якутия) объемах работ по реконструкции и строительству автомобильных дорог на Севере в ближайшее время необходимо выполнить дорожное районирование, в основу которого должны быть заложены климатические и инженерно–геологические условия территории. Для оценки объективных причин деформации дорог на Севере, разработки инновационных решений нужен оснащенный комплексный полигон с сетью мониторинговых площадок в различных мерзлотно–климатических условиях.
Мы знаем, что такое мерзлота! Знаем проблемы, которые возникают при строительстве и эксплуатации конструкций и сооружений на Севере и готовы к совместным работам с дорожниками! Понимая важность и необходимость координации работ ученых, изыскателей, проектировщиков, строителей, мы готовы сейчас провести корректировку своих научных рабочих программ, задействовать лабораторное оборудование для обеспечения нормального строительства автомобильных дорог в условиях вечной мерзлоты.

Беседу вел Сергей ОЗУН,
обозреватель «ТР»

10.10.2013