ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДОВ, ПРОКЛАДЫВАЕМЫХ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Основные компоненты мерзлых грунтов и их физические свойства

Основными компонентами мерзлых грунтов следует считать: твердые минеральные частицы, вязко-пластичные включения льда, жидкую (незамерзшую и прочносвязанную) воду и газообразные включения (пары и газы). Лед, являясь обязательной компонентой мерзлых грунтов, представляет мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами, резко отличными от других горных пород.

Физические свойства, характеризующие мерзлый грунт как систему частиц, определяются группами характеристик, отражающими: наличие в грунте воды в жидкой фазе, вес и объем пор грунта, наличие в грунте воды в твердой фазе, а также состав твердой фазы.

Наличие и расположение льда в мерзлом грунте определяют его криогенную текстуру [1]. Различают 3 вида текстуры:

Рисунок 1. Криогенная текстура мерзлых грунтов: а – массивная;

б – слоистая; в – сетчатая; 1 – минеральная часть грунта; 2 – лед 

Максимальную осадку при оттаивании дают грунты сетчатой и слоистой текстуры. В отличие от льда мерзлые грунты имеют пределы длительной прочности. Сопротивление мерзлых грунтов σ^сж сжатию и σ^раст растяжению зависит от температуры и влажности. С понижением отрицательной температуры значения σ возрастают. На их величину оказывает влияние также состав грунтов, их льдистость-влажность, текстура и пр. Характер изменения σ_вр^сж от температуры грунта и влажности показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Зависимость временного сопротивления сжатию мерзлых грунтов от температуры (а) и влажности (б): 1 – пылеватый песок;
2 – кварцевый песок; 3 – супесь; 4 – глина, суглинок тяжелый; 5 – лед;
6 – песок; 7 – глина

При быстром, мгновенном действии нагрузки так называемые временные (кратковременные) сопротивления сжатию σ_вр^сж и растяжению σ_вр^раст весьма велики и стремятся к аналогичным показателям скальных пород.

ММГ хорошо сопротивляются действию кратковременных нагрузок. Предельно-длительные сопротивления мерзлых грунтов сжатию в 5-10 раз меньше временного их сопротивления. Предельно-длительное сопротивление растяжению мерзлых грунтов значительно (в 2-6 раз) меньше их сопротивлений сжатию, поскольку при растяжении уменьшается число контактов между минеральными частицами грунта, а при сжатии оно увеличивается.

Метод прокладки газопровода

При строительстве трубопроводов в ММГ могут применяться три способа прокладки:

1) Наземный способ. Наземный способ прокладки в районах ММГ предельно соответствует принципу наименьшего вторжения в грунт. Также при данном способе прокладке полностью исключается балластировка трубопровода при переходе через обводненные или заболоченные участки.

2) Надземный способ. В районах ММГ при надземной прокладке газопровода наблюдается снижение несущей способности свайных опор, деформации морозного пучения опор и повышение температур грунтов вследствие снегозаносов. Все это приводит к изменению положения оси газопровода, потери устойчивости и, как следствие, к аварии трубопровода.

3) Подземный способ. При подземной прокладке трубопроводов ММГ основной задачей является обеспечение безаварийной работы трубопровода в условиях снижения прочности, а также изменения несущей способности грунта в основании газопровода, по причине оттаивания вследствие растопляющего действия транспортируемого продукта. К неоднородному оттаиванию ММГ приводят неоднородные изменения свойств грунта вдоль трассы газопровода, неравномерное распределение ледяных включений и изменение теплофизических свойств грунтов.

В настоящее время существуют два основных принципа строительства подземных газопроводов на ММГ:

I принцип – сохранение грунтов в основании трубопровода в мерзлом состоянии на протяжении всего периода эксплуатации;

II принцип – использование мерзлых грунтов в оттаянном или оттаивающем состоянии без выхода трубопровода из проектного положения.

В соответствии с СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» [2] принцип I следует применять, если грунты основания можно сохранить в мерзлом состоянии при экономически целесообразных затратах на мероприятия, обеспечивающие сохранение такого состояния. На участках с твердомерзлыми грунтами, а также при повышенной сейсмичности района следует принимать использование ММГ по принципу I.

Принцип II следует применять при наличии в основании скальных или других малосжимаемых грунтов, деформации которых при оттаивании не превышают предельно допустимых значений для проектируемого сооружения, при несплошном распространении многолетнемерзлых грунтов, а также в тех случаях, когда по техническим и конструктивным особенностям сооружения и инженерно-геокриологическим условиям участка при сохранении мерзлого состояния грунтов основания не обеспечивается требуемый уровень надежности строительства.

Эксплуатация трубопроводов в условиях ММГ

Основные проблемы при эксплуатации трубопроводов в таких условиях:

1. Формирование ореолов оттаивания вокруг трубопровода;

2. Неравномерные осадки грунта;

3. Потеря устойчивости трубопровода;

4. Возникновение недопустимых деформаций и напряжений;

5. Изменение несущей способности грунтов основания.

Таким образом, строительство трубопроводов в таких условиях сопряжено с рядом технических и экологических вызовов, включая: деформации грунта из-за термокарстовых процессов, неравномерную осадку при оттаивании и повышенные нагрузки на конструкцию. 

Для минимизации этих рисков требуется применение специализированных технологий проектирования и строительства [3].

Особенности проектирования трубопроводов в условиях ММГ:

1. Инженерно-геологические изыскания. Перед проектированием проводятся детальные исследования по определению глубины и мощности мерзлого слоя, анализ температурного режима грунтов, а также прогноз изменения мерзлотных условий при эксплуатации. 

2. При выборе трассы и прокладке трубопровода учитывают минимизацию пересечений с термочувствительными участками (например, болота, озера), обходят зоны с повышенной льдистостью, а также соблюдают минимально допустимые расстояния от других инфраструктурных объектов. 

3. Теплотехнические расчеты являются важнейшей составляющей, так как трубопровод в ММГ должен минимизировать тепловое воздействие на грунт. Для этого применяют: теплоизоляционные материалы (пенополиуретан, вспененный полиэтилен), системы охлаждения (термосваи, вентилируемые подпространства), приподнятую прокладку для уменьшения контакта с грунтом. 

4. Важно учесть и рассмотреть следующие конструктивные решения. Надземная прокладка поможет снизить тепловое воздействие, но требует защиты от ветровых нагрузок. Классическая подземная прокладка применима с использованием термостабилизирующих устройств (например, при охлаждении труб). Или возможен вариант с комбинированными методами, где будет сочетаться заглубление и надземные участки [4].

С точки зрения технологии строительства учитывают следующие аспекты:

1. Подготовка основания. Мероприятия по сохранению мерзлого состояние грунта, искусственное замораживание для необходимой стабилизации грунта, а также может быть произведена замена грунта на непучинистые или слабопучинистые.

2. Контроль деформации может быть осуществлен геотехническим мониторингом или же регулировкой теплового режима [4].

Проектирование и строительство трубопроводов в условиях ММГ является сложной инженерной задачей, требующей комплексного подхода. Современные технологии позволяют минимизировать риски, обеспечивая надежность и долговечность трубопроводных систем в суровых северных условиях. Дальнейшее развитие криогенных технологий и мониторинговых систем будет способствовать повышению эффективности таких проектов.