Чтобы освоить природные богатства Арктики, России пришлось разработать уникальные технологии строительства на вечной мерзлоте

На зону вечной мерзлоты приходится больше половины территории России. Магадан, Норильск, Якутск, Анадырь, Мирный, Надым, Воркута – все эти города построены на вечномерзлых грунтах. Чтобы люди могли жить и работать за Полярным кругом, пришлось разработать уникальные технологии строительства.

Ведь любой жилой дом или промышленное здание, трубопровод или самая обычная канализационная труба выделяют тепло, которое ставит под угрозу само их существование. «Вечная» мерзлота под ними оттаивает, фундамент остается без опоры и в итоге строения разрушаются. Предотвратить катастрофу помогают как конструктивные решения, проверенные десятилетиями, так и инновационные технологии, меняющие привычный облик северных городов России.

Любой заполярный строитель скажет: вечная мерзлота носит такое название совершенно необоснованно. Она лишь кажется вечной, на деле это очень коварная опора для любого строения. Стоит мерзлому грунту хоть немного оттаять – и фундамент начинает проседать, здание разрушается. Чтобы научиться эффективно использовать столь ненадежную основу, понадобилось создать отдельную научную отрасль – инженерную геокриологию. Россия уже более полувека является мировым лидером в этой области. За это время разработано несколько основных подходов, как нужно строить в Арктике.

Самое очевидное решение – убрать слой вечной мерзлоты и добраться до твердого скального основания, которое не будет меняться от перепадов температуры. Достаточно использовать стальные конструкции, выдерживающие экстремально низкие арктические температуры, – и зданию ничего не угрожает. Но этот способ очень дорогостоящий, а главное, он доступен далеко не всегда. На севере Ямала, например, слой вечной мерзлоты достигает 400 метров, убрать его невозможно.

В таких условиях приходится использовать другие подходы. Первый из них предполагает, что мерзлый грунт под строением будет периодически оттаивать, но лишь на допустимую глубину, заранее просчитанную инженерами. Этот не самый надежный вариант, ведь малейшая ошибка в расчетах или резкое повышение температуры могут обернуться катастрофой. Поэтому почти все здания за Полярным кругом построены по другому принципу: вечная мерзлота сохраняется под ними в твердом состоянии как во время строительства, так в процессе эксплуатации.

Однако сохранить мерзлоту под зданием не так-то просто. Она может растаять не только во время короткого, но жаркого арктического лета. Чтобы люди могли жить в доме, работать в офисе или промышленном цехе, их нужно отапливать. Как же добиться того, чтобы тепло от самого здания не растопило мерзлоту под ним?

Можно проложить толстый слой теплоизоляции, но это еще одно не слишком надежное решение. Летом мерзлота все равно подтает, а когда вернутся морозы, верхний слой грунта снова начнет замерзать, станет увеличиваться в объеме и деформировать фундамент. Такое явление называют «морозным пучением». Чтобы его избежать, под всем зданием прокладывают специальные трубы и подают по ним охлаждающую жидкость или газ, замораживая мерзлоту. Это обходится очень дорого, но иногда другого выхода нет.

Подобные системы чаще всего используются в промышленных зданиях, где устанавливаются тяжелые станки или другое оборудование, создающее серьезную нагрузку на пол. Намного дешевле, надежнее и проще поднять все строение над землей, чтобы между перекрытием первого этажа и слоем вечной мерзлоты образовалось подполье – пространство, через которое будет уходить тепло. Для этого строить здания лучше всего на сваях, которые будут держать перекрытие.

За годы работы российские геокриологи разработали десятки различных конструкций свай и способов их установки. Сегодня чаще всего используются бетонные наливные сваи: буровая установка высверливает в мерзлоте глубокие отверстия, в них опускается арматурный каркас и сверху заливается бетон. Чтобы раствор не успел замерзнуть раньше, чем нужно, в него добавляют специальные присадки. Разработаны марки бетона, устойчивые к воздействию влаги и низких температур. Для увеличения площади смерзания висячих свай с грунтом используются винтовые или шероховатые сваи. Каждый год инженеры предлагают новые технологические решения.

Глубоко уходящие в мерзлоту сваи делают северные здания непохожими на своих двойников из средней полосы: они стоят «на ножках», напоминая избушку Бабы Яги. Иногда этих «ножек» не видно: подполье закрывают специальными экранами. Они нужны, чтобы зимой пространство под домом не забивалось снегом, мешающим интенсивному охлаждению мерзлоты, а во время короткого жаркого лета туда не попадал нагретый воздух.

Первые многоэтажные дома на сваях, вмороженных в вечномерзлый грунт, были построены более полувека назад. Десятилетия эксплуатации доказали: такая конструкция очень проста и надежна. Но лишь до первой коммунальной аварии: стоит прорваться трубе с горячей водой – и вечная мерзлота под домом подтает. Угрозой становится и глобальное потепление, проявляющееся в Арктике сильнее, чем в других регионах планеты.

И здесь на помощь снова приходят современные технологии. Сегодня в сами несущие сваи или рядом с ними монтируют охлаждающие устройства – «холодильники». Зимой такие термостабилизаторы накапливают холод, а летом охлаждают грунт. Изначально эта технология была разработана для прокладки нефтепроводов по вечной мерзлоте, а затем нашла широкое применение и в жилищном строительстве.

Инновационные технологии меняют облик северных городов. Раньше они были, в основном, малоэтажными, а теперь высотки за Полярным кругом перестали быть диковинкой. Строятся первые многоэтажки с теплыми парковками для автомобилей на нижних уровнях здания. Однако основные принципы городского планирования в Арктике остались неизменными. Чтобы обезопасить горожан от сильных ветров и метелей, кварталы жилых домов строят замкнутыми, располагают компактно.

Для профилактики снежных заносов проектируют фасады и крыши с ровными линиями и простыми профилями. А коммуникации – трубы для отопления, горячей воды и канализации – обычно прокладывают над землей, чтобы они не растопили вечную мерзлоту под ними. Все они под два метра в диаметре: чтобы трубы не перемерзали в мороз, их дополнительно утепляют и устанавливают системы подогрева. Такое конструктивное решение придает северным городам неповторимый облик. Стоит увидеть дома на «ножках» и трубы над землей – и сразу понимаешь, что ты за Полярным кругом.