Historical experience of geological research and foundation construction on the example of the city of Norilsk.

Введение

Норильск обладает огромными запасами ресурсов таких как никель, медь, уголь, кобальт, золота, серебра, платины, палладия и др. В следствие этого в начале XX века велось освоение данной территории. Для запуска предприятий по добыче ресурсов необходимо для начала произвести геологическое исследование местности, запроектировать и построить необходимую инфраструктуру. Норильск относится к зоне Крайнего Севера, характеризуемой осложнением проектирования и эксплуатации сооружений из-за распространения многолетней мерзлоты.

Цели и задачи исследования

Цель исследования — анализ опыта геологического исследования и строительства фундаментов в условиях многолетнемерзлых грунтов на примере города Норильск.

Задачи включают:

- выявление этапов в опыте геологических исследований;

- выявление основных проблем этого опыта.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования выступает город Норильск, в особенности предприятия по добыче ресурсов. Предметом исследования методы исследования и строительства фундаментов на территории города Норильск.

Полученные результаты

В настоящее время Норильск является городом с различными развитыми отраслями промышленности. В данной статье анализируется опыт геологического исследования и строительства на примере этого города, а также рассматриваются их проблемы. В 1935 году было принято решение о строительстве Норильского металлургического комбината и основан поселок Норильск. Во время геологического исследования и строительства возникало немало проблем, к ним можно отнести:

- распространение многолетнемерзлых грунтов, а в последствии растепление грунтов, выступающих в качестве основания зданий и сооружений;

- небольшое количество и разрозненное расположение скальных грунтов, пригодных для использования в качестве основания;

- ограниченные возможности технологий;

- долгие сроки и огромные затраты при использовании в качестве основания скальные грунты.

Вышеперечисленные проблемы в большей части возникали из-за отсутствия опыта устройства фундаментов на многолетней мерзлоте. Для решения проблемы мерзлоты был образован Норильский комплексный отдел Красноярского института «Промстройниипроект» в 1959 году. Решение проблемы было найдено на тот момент назначенным на должность руководителя Михаилом Васильевичем Кимом. Метод свайного фундирования в мерзлоте заключался в вмораживании сваи в мерзлый грунт. Таким образом этот метод позволил не только решить проблему с устройством фундаментов на многолетней мерзлоте, но и использовать её в целях строительства.

В наше время в городе Норильске развиты различные отрасли промышленности, к ним можно отнести добычу нефти, полезных ископаемых, угля и др. Однако добыча угля и меди велась на этих территориях ещё в XIX веке. Упоминания о наличии угольных месторождений можно встретить в отчетах А. Ф. Миддендорфа в 1842-1845 годах. Первым предпринимателем на данных территориях считается купец Киприян Михайлович Сотников, начавший свою деятельность в 60-е годы XIX века. ^[7]

Впервые геологическое обследование региона было произведено в начале XX века под руководством Николая Николаевича Урванцева, в 1920 году им было открыто медно-никелевое месторождение. ^[12] Построенный в тот год дом для перезимовки экспедиторов и по сей день относится к объектам культурного наследия. В 1935 году было принято решение о строительстве Норильского металлургического комбината и основан поселок Норильск. ^[13] В этом же году происходит создание мерзлотной станции, в которой производилось наблюдение за опытными деревянными сваями, засыпанными талым грунтом. Также в 1936 году в Норильск была направлена группа специалистов для изучения мерзлотных процессов грунтов. Проделанная ими работа послужила основанием для организации специального подразделения строящегося Норильского комбината. ^[2]

Исследуемая местность расположена в районе сплошного распространения многолетней мерзлоты, отмечены проявления морозобойного растрескивания, пучения и солифлюкции. ^[11] Уже в 1936 году пришлось столкнуться с главной проблемой строительства на данной территории, а именно с растеплением многолетнемерзлых грунтов.

Растепление грунта — это процесс, обусловленный передачей породе количества тепла достаточного не только для её нагрева до 0 °С, но и для перехода содержащегося в породе льда-цемента в жидкое состояние. ^[5]

Растепление грунта приводит к образованию чаши оттаивания под зданием, грунт теряет свою монолитность, что приводит к неравномерной осадке здания, она в свою очередь приводит к деформациям ограждающих конструкций и фундаментов. Схема процесса показана на рисунке 1. ^[5]

Рисунок 1 — Образование чаши оттаивания под зданием

Деревянный цех электролиза никеля считается первым зданием, разрушенным из-за растаявшего основания. Годом позже эта участь настигла и жилые бараки. Для решения проблемы было принято решения полностью удалять многолетнемерзлый грунт до скального основания. Это вело к долгим срокам строительства и огромным затратам. Большую часть ресурсов приходилось тратить на устройство фундаментов. ^[3] Разработка грунта велась вручную, в основном заключенными Норильлага, существовавшего с 1935 по 1956 гг. ^[4],[13]

Важным вопросом в то время так же являлся вопрос расположения временных сооружений. Важно было, чтобы данные сооружения не тормозили строительство постоянных, а также не подлежали сносу. Так как то время было эпохой до свайного фундирования и использования льда как основания, для строительства комбината была выбрана площадка к востоку от ручья Медвежьего. В качестве основания на данной территории выступали галечниковые грунты. Исследования площадки в то время производились за счет заданных вручную рядов шурфов глубиной 10 м. ^[3]

Таким образом можно выявить вторую проблему, замедлявшую в то время процесс исследования грунтов и строительство комбината. Скальные грунты искомые для основания сооружений имели разрозненный характер на данной территории, из-за этого можно наблюдать разброс основных предприятий по территории Норильска (это можно увидеть на рисунке 2). Хоть первым опытом строительства на сваях и считается первый в городе кирпичный завод, построенный в 1937 году, («пароигловые» деревянные сваи заглублялись в насыщенный льдом грунт на три метра) ^[2], метод свайного фундирования попытки внедрения которого не принимались вплоть до 1958 года, на тот момент экономика, основанная на труде заключенных, не способствовала внедрению инноваций. ^[3]

Рисунок 2 — Размещение промышленных предприятий

Во время изысканий была выявлена ещё одна проблема, из-за ограниченных на то время технологий все данные передавались по телеграфу в Ленинград, затем по ним составлялась карта грунтов, а уже после компоновался генплан будущего комбината. Из-за фактора заочного руководства можно сделать вывод, что дистанционная схема работы была неэффективна. Требовалась постоянная проектная структура на месте строительства. Это привело к увеличению штата в 1937 году, а в 1938 году подписан приказ о создании проектного бюро; в последующем – проектная контора и проектный отдел Норильского комбината НКВД СССР. ^[8]

Было ясно, что строить город по принципу замены мерзлого грунта невозможно и необходимо другое решение проблемы многолетней мерзлоты. Для решения этой проблемы в 1959 году образовывается Норильский комплексный отдел Красноярского института «Промстройниипроект». На роль руководителя был назначен Михаил Васильевич Ким, некогда заключенный Норильлага. ^[8],[10] Ким усовершенствовал метод, используемый при строительстве первого кирпичного завода, так как при наблюдении за осадкой его фундаментов не было выявлено деформаций, осадки свай и пучения. В дальнейшем в Норильске при строительстве фундаментов использовался метод свайного фундирования. Было принято упирать свайные фундаменты в скальный грунт, как бы глубоко он не залегал, или рассчитывать на силу трения для удержания конструкции. Усовершенствованный Кимом метод же заключался в вмораживании сваи в ледяную основу, заливая шламом. Данный метод по надежности не уступал методу с опиранием свай на скальный грунт. Таким образом этот метод позволил не только решить проблему с устройством фундаментов на многолетней мерзлоте, но и использовать её в целях строительства. ^[2]

Рисунок 3 — Михаил Васильевич Ким

Из-за того, что промышленные объекты изначально строились с использованием в качестве основания скального грунта, либо с использованием фундаментов с заглублением в десятки метров, метод свайного фундирования в мерзлоте использовался в основном уже при проектировании жилых домов города Норильска. Использование эффективных методов строительства на вечномерзлых грунтах являлось актуальнейшей задачей в условиях реализации масштабного плана возведения жилых районов и крупных архитектурных ансамблей города. ^[9] В настоящее время в Норильске можно встретить здания и сооружения как с использованием скального грунта в качестве основания, так и с использованием метода свайного фундирования в мерзлоте.

Рисунок 4 — Генеральный план Норильска, 1940–1943 гг.

Выводы

По результатам исследования выявлены следующие этапы в опыте геологических исследований в условиях многолетней мерзлоты:

- 1920-1935 гг ­— период первых геологических исследований;

- 1935-1958 гг — столкновение с проблемой многолетней мерзлоты, поиск местности для строительства с распространением скальных грунтов (залегания имели разрозненный характер), используемых в качестве основания, создание мерзлотной станции и групп специалистов для изучения мерзлотных процессов;

- 1959 г — образование Норильского комплексного отдела Красноярского института «Промстройниипроект» во главе с Михаилом Васильевичем Кимом, усовершенствование и внедрение метода свайного фундирования.

При этом, опыт геологических исследований в Норильске дает основание выявить 4 основные проблемы:

1. сплошное распространение многолетнемерзлых грунтов, а в последствии их растепление, при использовании в качестве основания;

2. небольшое количество и разрозненное расположение скальных грунтов, пригодных для использования в качестве основания;

3. долгие сроки и огромные затраты при использовании в качестве основания скальные грунты;

ограниченные возможности технологий, в следствие неэффективность дистанционной схемы работы.