Коварная мерзлота: как глобальное потепление разрушает дороги на Севере

Даже в регионах с умеренным климатом вопрос сохранения долговечности автодорожного полотна крайне актуален. Что уж говорить о северных территориях, где основная часть транспортных артерий пролегает на участках многолетней мерзлоты. Большинство из них — так называемые зимники.

Строить постоянные дороги в условиях Крайнего Севера дорого и сложно, однако без них промышленное освоение этих территорий невозможно. Опыт показывает, что без поддержки науки и современных технологий здесь не обойтись.

В игру вступают два взаимозависимых фактора: строить дороги сложно из-за таяния мерзлоты, а тает она в результате активного освоения Севера: строительства трубопроводов и обустройства месторождений, в том числе прокладывания дорог с твёрдым покрытием.

Невечная мерзлота

Районы вечной мерзлоты занимают около 65% территории России, и глобальное потепление здесь заметнее, чем в других территориях. Например, учёные зафиксировали постепенное оттаивание многолетнемёрзлых пород на территории Республики Коми. По оценке кандидата географических наук, старшего научного сотрудника Института биологии Коми научного центра Дмитрия Каверина, в ближайшие 50 лет вечная мерзлота на севере России значительно растает, и её граница к северу сместится на 200 км.

«Это может сопровождаться заболачиванием, увеличением заозёренности, изменениями в рельефе. Всё это негативно сказывается на прочности зданий, сооружений и транспортных коммуникаций на севере республики. Деградация пород способствует деформации дорожного полотна, это хорошо заметно на примере автодороги Усинск — Харьяга», — приводит слова Дмитрия Каверина сетевое издание ProGorodUhta.

В то же время научное сообщество настаивает на том, что деградация мерзлоты, то есть её таяние, — явление вполне естественное. И воспринимать его нужно не как стихийное бедствие, а как нормальный природный процесс, к которому человек должен адаптироваться.

«Не надо никаких истерик про изменение климата, природная среда никогда не была стабильной и никогда не будет. Изменения климатических и всех других условий всегда происходили, нам нужно адекватно к этому подходить. В мёрзлых толщах основным породообразующим компонентом является лёд. И, конечно, все геодинамические условия, которые развиваются в том числе по физико-механическим свойствам горных пород, связаны с этим компонентом — льдом.

Но, я ещё раз говорю, тут не нужно создавать никаких трагедий, это инженерно-геологические условия. Конечно, интенсивное влияние или повышение температуры за последние годы мы все ощущаем. Например, на территории Якутии за последние 40 лет пятилетняя климатическая температура воздуха практически везде повысилась от 1,2 до 3,5 °С. Конечно, это вызывает определённую реакцию и в горных породах», — поясняет научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН Андрей Литовко.

Без науки нет дороги

Как же в таких условиях добиться устойчивости автомобильных дорог? По мнению учёных, краеугольным камнем при их строительстве, обслуживании и ремонте должны стать инженерно-геологические изыскания.

«Прежде чем что-то строить, мы должны чётко знать, на чём мы начинаем строить. Создаются проектные решения, и если у нас какая-то недоработка в инженерно-геологических условиях, а это сегодня проблема номер один, то мы получаем изменение состояния природных условий и полосы трассы в процессе её эксплуатации. Строя дорогу, мы изменяем условия теплообмена на поверхности, и нам нужно в процессе изысканий и проектирования чётко представлять, какие факторы оказывают влияние. Вот тогда проектировщики сделают правильное решение, и дороги будут нормально эксплуатироваться», — подчёркивает Андрей Литовко.

«Для дорог, особенно северных, отсутствие инженерно-геологических условий часто становится колоссальной проблемой. Что нужно сделать с точки зрения мерзлотоведов? Первое — это инженерно-геологические изыскания, они требуют дополнений и изменений, в том числе изучения сложных участков. Кроме того, нужно выполнять районирование для каждой дороги, понимать, при каких условиях она будет изменяться. Сделать это реально, только к этому нужно приложить усилия», — поддерживает коллегу директор Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН Михаил Железняк.

На необходимости проведения проектно-изыскательских и строительных работ с научным сопровождением настаивают не только сами учёные, но и дорожные строители. Так, по мнению генерального директора ЗАО «МК Индор» Людмилы Сусловой, проектировщику для обоснования проектных решений нужны инструменты количественного описания, моделирования процессов изменения влажности, глубины промерзания — оттаивания земляного полотна и дорожной одежды в зависимости от атмосферного воздействия, основанные на анализе напряжённо-деформированного состояния. Всё это может дать наука.

Заморозить мерзлоту

Привлечь учёных можно не только к изучению свойств мерзлотных грунтов, но и к разработке новых материалов и технологий для строительства северных автодорог.

«Применяемые ПБВ (полимерно-битумные вяжущие) должны сохранять работоспособность покрытий во всём диапазоне эксплуатационных температур: не переходить в хрупкое состояние при низких отрицательных температурах и в текучее — при высоких положительных, характерных для проектного региона.

Очевидно, что подрядным организациям, имеющим собственные ресурсные развитые индустриальные базы и ориентирующимся на технические требования к материалам для полимерасфальтобетонов, необходимо очень тщательно, с привлечением науки, выполнять подборы смесей для определения конкретного оптимального состава высокоплотных полимерасфальтобетонов», — подчёркивает Людмила Суслова.

Учёные Тюменского индустриального университета разработали технологию, которая поможет справиться с проблемой таяния мерзлоты. По сути, они предложили «заморозить» основание дороги, чтобы поддерживать его в таком состоянии круглый год. Это позволит избежать температурных скачков, грунт перестанет оттаивать, а значит, не будет проседать и трескаться дорожное полотно.

«Представьте основание дороги. Мы берём биг-бэги — это специальные мешки, набитые теплоизоляционным материалом. Материал в них может быть разный, это и пеностекло, и любой другой материал, удерживающий тепло. Эти мешки привозят и укладывают в заранее подготовленные продольные земляные траншеи. Вот мы их разработали, уложили биг-бэги, и армирующим материалом мы уже их окутали. Далее остаётся только сделать отсыпку дорожного полотна», — рассказал изданию «Комсомольская правда» автор задумки, ассистент кафедры автомобильного транспорта, строительных и дорожных машин ТИУ Зураб Шанхоев.

Конечно, рассчитывать на полное исключение дефектов даже при использовании такой технологии не приходится, но учёные надеются, что предложенный ими способ позволит не выходить за пределы допустимых значений деформации. Так это или нет, покажет только реальный, а не лабораторный опыт эксплуатации. Чтобы убедиться в эффективности технологии, «заморозку» мерзлоты планировали применить при строительстве 53-километрового участка автомобильной дороги регионального значения в Якутии летом 2022 года.

Над решением задачи по сохранению северных дорог трудятся и учёные Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). Исследование на тему «Создание методологических основ разработки конструкционных материалов для использования в условиях Арктики» они выполняют в рамках гранта Минобрнауки. Научные сотрудники предложили свои варианты решений для сохранения температурного режима на дорожных сооружениях в зоне вечной мерзлоты.

Например, для повышения надёжности свайно-эстакадных сооружений учёные МАДИ предлагают на некоторых критических участках дорог применять технологию термостабилизации грунтов с использованием парожидкостных устройств сезонного охлаждения, которые погружаются в винтовые сваи. По сути, это та же «заморозка» грунта, но по иной технологии. Благодаря использованию стабилизатора на глубине до 10 м удаётся поддерживать отрицательные температуры грунта до -10 ºС.

Также исследователи предлагают вместо традиционных дорог на земляном полотне строить на Севере свайно-эстакадные дороги. За счёт отсутствия прямого контакта с грунтом и наличия регулярного проветривания под дорожным полотном такие конструкции не оказывают теплового воздействия на вечномерзлые грунты. Однако у них есть другой недостаток — значительная материалоёмкость, а значит, и высокая стоимость. Также учёные отмечают, что наибольший экономический эффект при использовании конструкций такого типа достигается не в грунтах, а в мерзлотно-талых, болотных условиях.

Журчат ручьи

Перспективы строительства новых северных дорог — задача, безусловно, значимая. Но не менее важно определиться, что делать с уже существующими объектами, которые из-за смены климата и таяния мерзлоты подвергаются разрушению, причём довольно быстрому. Например, на автодороге «Амур», расположенной на южной границе многолетнемёрзлых грунтов, уже через год после сдачи в эксплуатацию начали появляться первые просадки, преимущественно на участке, проходящем по территории Забайкальского края.

«Попытки обеспечить безопасные условия проезда за счёт ремонта покрытия не принесли результата, поскольку таким образом начавшиеся в основании земляного полотна процессы оттаивания многолетнемёрзлых грунтов остановить невозможно. Эти меры дают краткосрочный эффект, но продолжающаяся деградация мерзлоты вновь проявляется на поверхности покрытия дороги», — пояснили в УПРДОР «Забайкалье».

Пришлось искать более сложные решения. Устройство защитных (теплотехнических) берм, теплодиодных призм и слоёв холода из недренирующих супесей, суглинков и глин, укрепление бетоном русла водоотводных канав и водоприёмных лотков у водопропускных труб, укладка геосинтетических материалов для обеспечения водоотвода и исключения фильтрации воды через тело насыпи — это лишь немногие из тех технологий, которые применяют дорожники для сохранения этой трассы.

Ремонтные работы здесь проводят каждый год в тёплый сезон, и 2023-й не исключение: для ликвидации просадок и деформаций земляного полотна на откосах работники дорожной службы выполнят устройство солнцевлагозащитных навесов и охлаждающих насыпей из скального грунта.

Наглядный пример деформации дорожного полотна автодороги «Амур» продемонстрировали специалисты АО «Труд». Иркутская компания осуществляет круглогодичное содержание 945 километров дорог, в том числе сотрудники амурского и могочинского филиалов работают на автодороге федерального значения Р-297. Выступая на конференции «Сибирские дороги 2023», заместитель начальника отдела контроля качества АО «Труд» Николай Полонов в своей презентации показал снимки наиболее распространённых видов деформации дорожного полотна, вызванных деградацией мёрзлого грунта. Он также поделился своим видением способов решения этой проблемы, исходя из опыта компании.

«Третья подзона первой дорожно-климатической зоны, распространение островной вечной мерзлоты. Там идёт интенсивная деградация вечномёрзлых грунтов за счёт того, что почвенный сток оказывает отепляющий эффект на мёрзлые грунты. Соответственно, они деградируют, но даже при их отсутствии происходит переувлажнение естественного основания, соответственно, это потери несущей способности.

Один из способов решения такой проблемы — устройство нагорных мероприятий, которые будут своевременно на безопасном расстоянии от автомобильной дороги перехватывать оба вида потоков. То есть рытьё котлована с заполнением недренирующего глинистого грунта, либо современные геомембраны, которые не пропускают влажность.

Но тогда мы поднимаем грунтовые воды на поверхность, соответственно, при наступлении отрицательных температур у нас пойдёт процесс интенсивного сосредоточенного наледеобразования в отдельных местах. Поэтому нам будет нужна водоотжимная берма сверху и, возможно, дополнительное ограждение в виде забора. Что нам это даёт? Мы перехватываем два вида вод и организовано их отводим к водопропускным сооружениям», — привёл пример Николай Полонов.

Такое решение в АО «Труд» предлагают как типовое, то есть использовать его можно на всех видах дорог, построенных на мёрзлых грунтах. Однако места размещения таких ограждающих устройств в каждом случае нужно вычислять индивидуально, исходя из особенностей почвы под конкретной дорогой.

Снизу лёд, сверху дождь

Проблему дорожникам создают не только таящие льды, но и осадки. В этом специалисты АО «Труд» убедились, получив данные от региональных подразделений Гидрометцентра в Забайкальском крае и Амурской области об объёмах атмосферных осадков и их динамике. Оба учреждения отметили тенденцию к увеличению: годовое количество выпадения осадков к среднегодовой норме составляет от 125 до 159%. В Забайкальском крае метеорологи выделяют периоды многоводья и маловодья, которые сменяют руг друга, и с 2017 года в регионе действует как раз первый.
Естественно, рост количества осадков тоже сказывается на состоянии дорожного полотна.

Производители материалов и оборудования для строительства и ремонта дорог предлагают различные варианты решения этой проблемы. Например, по опыту ООО «Стандартпарк» с талыми и дождевыми стоками отлично справляются лотки поверхностного водоотведения. На первом этапе необходимо провести гидравлический расчёт в соответствии с действующими нормативами с учётом площади водосбора и типа поверхности.

На основе полученных данных специалисты проектируют систему водоотвода из фибробетона, полимербетона или композитных материалов в зависимости от места расположения линии и предполагаемых нагрузок. Если установленная система не справляется со своей задачей, возможно, были нарушены требования проекта при строительстве.

«Причин много: экономия, изменение профилей продольного и поперечного уклонов, сокращение точек сброса и очистки. Но иногда такое случается и по причине неправильных расчётов либо смягчения коэффициентов, используемых при расчёте. Мы всем рекомендуем и сами руководствуемся только СП 32, где описаны самые жёсткие требования к гидравлическим расчётам.

Про дренажные системы лучше расскажут их производители, а мы, как производитель поверхностного водоотвода в ответственных зонах с максимальными динамическими нагрузками, рекомендуем применять монолитную систему водоотвода из полимербетона. В совокупности с правильными гидравлическими расчётами они гарантирую долговечную и эффективную работу системы в любых условиях и климатических зонах нашей страны», — убеждён руководитель товарных групп ООО «Стандартпарк» Евгений Ромашин.

Копаем глубже

В АО «Труд» пошли дальше и решили выполнить мониторинг динамики образования дефектов на трассе «Амур» с оценкой качественного состояния уложенного асфальтобетона, дополнительного слоя основания и рабочего слоя грунта земляного полотна. Образцы для изучения взяли на самом проблемном участке трассы в Амурской области.

Выбрали его не случайно: как отмечают в компании, этот фрагмент автодороги протяжённостью 17 км — настоящий рекордсмен по количеству гарантийных обязательств. Причём проблемы на этом участке возникали и до того, как организация взялась его ремонтировать. Поэтому специалисты решили выяснить их причину.

Поскольку наибольшее количество дефектов на дорожном покрытии было зафиксировано при весеннем таянии льдов и наступлении атмосферных осадков, то обследование дорожного полотна проводили с июля по октябрь 2022 года. Мониторинг показал, что рабочий слой дорожной одежды составляют глинистые грунты, которые в силу своих физико-механических показателей обладают низкой дренирующей способностью или её полным отсутствием. В период таяния снегового покрова и выпадения осадков они играют роль водоупора, а не впитанная влага уходит в основание дорожного покрытия.

«Значительная часть тела земляного полотна представлена скальными прочными грунтами, которые не подвержены процессам пучения и набухания. Однако грунты, находящиеся в зоне сезонного промерзания и пределах рабочего слоя, также по заключению геологического отчёта могут при определённых воздействиях приводить к процессам пучинообразования и набухания, что ведёт к процессам образования дефектов на проезжей части», — говорится в пояснительной записке, подготовленной компанией по итогам исследования.

На основе мониторинга специалисты пришли к выводу, что для обеспечения долговечной эксплуатации дорожных покрытий и безопасности движения на исследуемом участке автомобильной дороги необходимо выполнять глубокие капитальные ремонты с заменой глинистого грунта рабочего слоя земляного полотна на дренирующие грунты для устройства дренирующих и морозозащитных слоёв в зоне сезонного промерзания.

Также целесообразно устройство дренирующих прослоек над рабочим слоем с последующим возведением всего пакета дорожной одежды и применение геосинтетических материалов, обладающих дренирующими способностями. Такой комплекс мер, по их мнению, позволит исключить процессы пучения и обеспечит несущую способность дороги.

«Если мы обеспечим стабильность работы дорожной конструкции, чтобы она обладала несущей способностью, как при весеннем таянии, так и зимой, чтобы эта величина несущей способности была неизменна, тогда у нас будут идеальные условия эксплуатации», — подытожил Николай Полонов.

Всем миром

Опыт АО «Труд» в проведении мониторинга не единичен. Например, специалисты АО «ТЕРРА ТЕХ» проанализировали динамику мерзлотных процессов вдоль участка федеральной трассы Р-504 «Колыма». Проблемы здесь те же, что и на автодороге «Амур»: в результате деградации мерзлоты форма грунтов подверглась изменениям, дорожное покрытие серьёзно деформировалось: земляное полотно изменило геометрию, образуя провалы и просадки.

«Протяжённость изученного отрезка дороги составляет 81 км. На основе анализа спутниковых изображений выявлены современные термокарстовые процессы: это вытаивание повторно-жильных льдов с последующим образованием полигональных грунтов, образование термокарстовых озёр и формирование их будущих котловин. В зависимости от набора форм рельефа и степени их выраженности определены шесть степеней риска для трассы от очень низкой до очень высокой», — говорится в отчёте компании «ТЕРРА ТЕХ».

Таких исследований немало, но все они разрозненные. И хотя в целом проблема деградации вечной мерзлоты уже давно включена в повестку дня экологов, системного подхода к изучению влияния этого процесса на состояние автодорог до недавнего времени не было.

«Необходимость разработки методического руководства вызвана значительным пробелом в действующей нормативной базе, связанной с эксплуатацией автомобильных дорог на территории криолитозоны России. Этот пробел выражен в отсутствии комплексного подхода к получению и обработке данных изысканий и мониторинга», — отмечала аналитик проекта «Невечная мерзлота» Елена Дернова.

«Среди основных задач, стоящих перед всеми нами, — разработка комплекса таких национальных стандартов в области проектирования, строительства, ремонта и эксплуатации дорог в зоне вечной мерзлоты, которые учитывали бы современные требования нормативной базы в дорожном хозяйстве, вбирали в себя весь накопленный за последнее время опыт.

То, что, например, сделали федеральные казённые учреждения за годы работ в зоне вечной мерзлоты: сформулировали практические сведения о различных способах регулирования процессов в земляном полотне и основании, — это заслуживает огромного уважения и должно быть обязательно учтено в нормативных актах», — акцентировал внимание на проблеме президент Ассоциации производителей и потребителей асфальтобетонных смесей «Р.О.С.АСФАЛЬТ» Николай Быстров в ходе прошлогоднего совещания Росавтодора, где рассматривался вопрос о создании системы мониторинга автомобильных дорог в зоне вечной мерзлоты.

Как раз эта система призвана восполнить пробел и дать представление о состоянии участков федеральных трасс, проходящих по территории многолетних мёрзлых грунтов. Дорожную карту реализации этого проекта Федеральное дорожное агентство утвердило в 2022 году — она стала частью отраслевого плана адаптации к изменениям климата в области транспорта.

Тогда же появились пилотные посты наблюдения за метеорологическими и мерзлотными условиями на 288-м км трассы Р-297 «Амур» и 75-м км трассы А-331 «Вилюй». Каждый пост состоит из двух измерительных комплексов: первый — пост геокриологических наблюдений для измерения тепловлажностного режима грунтов, и второй — пост метеорологических наблюдений. На площадках пробурили наблюдательные скважины, оснастили их металлическими обсадными трубами и разместили внутри температурные датчики. Также установлено оборудование, которое накапливает и передаёт информацию с датчиков в режиме онлайн.

На нынешний год в Росавтодоре запланировали установку ещё двух постов для наблюдения за мерзлотой. Они появятся на трассах А-360 «Лена» Невер — Якутск и Р-504 «Колыма» Якутск — Магадан. Установка таких постов позволит в дальнейшем создать систему мониторинга состояния участков дороги, проходящих по территории распределения многолетнемёрзлых грунтов, и спланировать мероприятия, которые помогут избежать деформаций земляного полотна автодорог Севера.

---

Текст: Мария Кармакова при содействии Виктории Туник. Фото из презентации АО «Труд»