Как строить новое и сохранить старое на вечномерзлых грунтах?
В современном строительстве вечная мерзлота всегда воспринималась как незыблемое основание, на которое можно было положиться при соблюдении определенных правил. Но жизнь меняется: глобальное потепление стало фактом.
Зона вечной мерзлоты начала неотвратимо сжиматься, создавая немало проблем для строителей.
Последние результаты исследований в области климатической угрозы позволили прийти к выводу, что жара, подобная той, что наблюдалась в России летом 2010 года, через 30 лет охватит площади в четыре раза большие. А к концу века от нее будет страдать уже 85% суши. Глобальное потепление создает не менее глобальную проблему жизнеобеспечения городского населения и адаптации строительной деятельности к новым климатическим реалиям на глубокую перспективу градостроительного планирования.
При этом в России наблюдается опережающий рост среднегодовой температуры. При глобальном вековом тренде среднегодовой температуры +0,75оС в среднем по России он составляет +1,29оС, в Западной Сибири — +1,5оС и в Прибайкалье — +1,65оС.
По мнению Межправительственной группы экспертов по изменению климата, широкое разнообразие климатических условий на территории России является фактором роста комплексных рисков, включая сочетание повышенной сейсмичности, карстовых, паводковых, селе- и лавиноопасных рисков, а также протаивание, сдвиг границ вечной мерзлоты и разрушение вечномерзлых пород.
Реализация наиболее опасного сочетания климатических рисков в последние годы уже наблюдается в пределах криолитозоны, занимающей более 62% территории России и дающей 11% ВВП и 70% годового экспорта страны. По некоторым расчетам, при текущей скорости протаивания уже в этом столетии его глубина может достигнуть 22 м в песках и 14 м в суглинках. По адаптированному к текущим скоростям изменения климата прогнозу все произойдет значительно быстрее и интенсивнее, и уже в ближайшие два десятилетия следует ожидать существенных изменений в криолитозоне России, а к середине столетия от вечной мерзлоты России останется около одной пятой ее современной площади.
Глобальное потепление в сочетании с техногенными факторами уже привело к существенному уменьшению несущей способности многолетнемерзлых грунтов. Опасным деформациям подвергаются здания и инженерные сооружения, объекты железнодорожной, автомобильной и трубопроводной инфраструктур. В этой зоне создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены дороги, аэродромы и порты. В отличие от других субарктических государств, в России на вечной мерзлоте выстроены крупные города: Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута. Даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты. В зонах вечной мерзлоты в России проживает более 7 млн человек, что составляет 72% от всего населения Арктики.
Большинство жилых зданий и сооружений в криолитозоне построены на свайных фундаментах, использующих в качестве основания мерзлый грунт.
Как правило, проектные сроки эксплуатации домов с фундаментами в криолитозоне России составляют 30-50 лет, железных дорог — 50 лет, мостов и тоннелей — от 75 до 100 лет, трубопроводов — 30 лет, дорог с покрытием — от 15 до 20 лет. Но в результате глобального потепления, например, на 2оС, несущая способность фундаментов зданий уменьшится на 50%, а трубопроводов и линий электропередач — на 60%.
Проблема осложняется тем, что процент зданий, находящихся в аварийно опасном состоянии, достигает неприемлемых значений, например, в Воркуте — 80%, в Чите — 60%, в Дудинке — 55%, в Певеке и Амдерме — 50%, в Диксоне — 35%, в Тикси — 22%, в Норильске — 10%. Уменьшение проектного ресурса эксплуатации построек до 1990 года к 2030 году в Воркуте достигнет 60%, в Тикси — 98% и в Якутске — 100%.
В криолитозоне России к середине XXI века глубина сезонного протаивания увеличится на 15-33%.
Южная граница криолитозоны на равнинах и плоскогорьях отступит к северу и северо-востоку на 50-600 км. С учетом зоны частичного таяния образуется полоса деградации вечной мерзлоты, ширина которой на севере европейской части России достигнет 50-200 км, в Западной Сибири — 800 км и 1500 км в Восточной Сибири. Сильно сократятся, но полностью не исчезнут острова и массивы вечномерзлых пород в горах Забайкалья, юга Дальнего Востока и на Камчатке.
Естественно, эти новые угрозы и риски налагают особую ответственность на строительный комплекс России, так как в этих условиях является критически важным создание градостроительной среды, устойчивой к этим угрозам.
Особой сложностью решения этой задачи отличаются регионы России с экстремальным сочетанием природных и техногенных рисков.
Ситуация критического роста актуальности этой задачи нашла свое отражение в оперативном вводе в действие свода правил СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия», учитывающего совместно со СНиП 2301-99* «Строительная климатология» текущие климатические реалии. Вместе с тем, несмотря на существенно расширенный перечень приведенных в этих нормативных документах параметров, отсутствуют данные, учитывающие эволюцию температурных и ливневых нагрузок на строительные системы в связи с изменением климата на глубину предстоящего жизненного цикла зданий, то есть до 2050-2140 года.
До настоящего времени основным способом адаптации зданий и сооружений в криолитозоне являются технические решения вековой давности, в том числе термостабилизация многолетней мерзлоты с применением технических средств, таких как установка термосифонов, обустройство вентканалов и подполий, усиление фундаментов посредством установки дополнительных свай.
Неблагоприятные геокриологические процессы и термокарстовые осадки земной поверхности ослабляют и деформируют конструкции сооружений, что уже за период последних двух десятилетий привело к росту числа аварийных ситуаций. Большинство сооружений вырабатывают весь свой запас прочности в течение 5-10 лет эксплуатации при нормативном сроке 50 лет. Так, в Норильском промышленном районе около 250 сооружений были деформированы вследствие ухудшения мерзлотных условий в последнее десятилетие, а около 40 жилых домов были снесены или планируются к сносу.
К сожалению, для строительной отрасли России и других арктических стран существенным тормозом развертывания эффективной инновационной деятельности в зонах вечной мерзлоты является сомнительная достоверность долгосрочных метеорологических прогнозов. В итоге прогнозы климата получаются разноречивыми, что вызывает неоднозначность в мерзлотных прогнозах. Вместе с тем, метеорологические данные за последние 10-15 лет показывают, что экстремальные сценарии изменения климата не везде оправдываются, в некоторых районах потепление идет более скромными темпами, а где-то подтверждает наиболее опасные прогнозные сценарии.
В связи с этим, а также в соответствии с новой миссией НИУ МГСУ, имеют несомненную перспективу результаты ориентированных фундаментальных и прикладных исследований НИИЭМ в области моделирования эволюции климатических нагрузок и воздействий на здания и сооружения из-за глобального изменения климата.
С 1994 года в сотрудничестве с Роскосмосом, Минатомом, Минобороны и ФССС России в НИИЭМ был выполнен на уровне открытий целый ряд ориентированных фундаментальных исследований, практическая польза которых особенно актуальна в плане их готовности и возможности применения в ответственных разделах проектирования, обследований и испытаний зданий, сооружений и коммуникаций в зонах вечной мерзлоты, а также в районах с высокими карстовыми рисками.