Прокладка труб в вечной мерзлоте
Проблемы
Вечномерзлые, или многолетнемерзлые, грунты широко распространены в северных регионах Российской Федерации. Считается, что вечная мерзлота — это наследие последнего ледникового периода, и она постепенно (в геологическом смысле) тает. Прочностные свойства грунтов связаны с долей льда в них и температурой: чем она ниже, тем их прочностные свойства выше. Содержание льда в них может колебаться в весьма значительных пределах: они могут быть как достаточно сухими, так и весьма льдистыми, вплоть до состояния грязного льда.
Распространение многолетней мерзлоты может быть сплошным, на глубину сотен метров от поверхности, или же прерывистым — в виде отдельных линз. Мерзлота весьма чувствительна к изменениям температурного режима: нарушение слабого поверхностного растительного слоя, например, гусеницами вездеходов или бульдозеров приводит к стремительному таянию мерзлоты, разрушению ее структуры и образованию огромных полей протаивания. Грунты, в мерзлом состоянии служившие надежным основанием, за несколько летних сезонов превращаются в болотную жижу, в которой возможно всплытие трубопроводов, их поперечное смещение и деформация.
Таким образом, при прокладке трубопроводов инженеры сталкиваются с двоякой задачей: им нужно проложить трубопроводы в среде, которая в ненарушенном состоянии обладает высокими прочностными и несущими свойствами, но в случае изменения теплового режима может быстро превратиться в болото. При этом сами трубопроводы могут быть источниками тепла, разрушающего структуру грунтов основания.
Решения
На этапе проектирования необходимо определиться: где на трассе трубопровода будут сохраняться естественные условия залегания мерзлых грунтов, а где допустимо нарушение их залегания. Все решения возможны лишь при тщательном и всестороннем анализе технических возможностей по прокладке трубопровода по выбранной трассе и при всестороннем экономическом сравнении предложенных вариантов.
В частности возможно строительство трубопровода над поверхностью земли, на специальных опорах, укладка его на поверхность земли с созданием специальной грунтовой подушки и траншейным способом. Один трубопровод может иметь самые разные участки прокладки.
Трубопровод на опорах будет испытывать значительные перепады температур, в связи с чем повышаются требования к качеству стали самого трубопровода и его опор. В ряде случаев может потребоваться применение опор особого типа, запасающих холод в зимний период, чтобы сохранить мерзлоту летом, так называемые сезонные охлаждающие устройства — СОУ. Яркий пример нефтепровода на сваях — «Заполярье-Пурпе».
При строительстве насыпей, на которые укладываются трубопроводы, надо использовать так называемый сыпучемерзлый грунт, то есть грунт с низким содержанием частиц льда. Необходимо применять специальные теплоизоляционные материалы и использовать трубы с термоизоляцией заводского производства. При траншейной укладке следует производить отсыпку сыпучемерзлого грунта на дно траншеи и укладывать теплоизоляционные экраны.
Чтобы исключить вероятность всплытия трубопроводов, следует производить их балластировку или укрепление анкерами, в том числе вмораживаемыми на глубину, гарантирующую отсутствие оттаивания. Во всех случаях желательно использовать СОУ, чтобы предотвратить оттаивание мерзлых грунтов, особенно в зоне установки опорных элементов или анкеров.
Особенности газоснабжения в районах с холодным климатом
Около половины территории Российской Федерации — районы вечной мерзлоты, в которых содержание льда в промерзлых грунтах достигает 90%. В основном это Восточная Сибирь и Забайкалье.
Технологии строительства
Горные породы, содержащие лед и имеющие многолетние минусовые температуры, называются многолетнемерзлыми. При проведении строительных, геологоразведочных и других видов работ непременно учитываются особенности почв в условиях вечной мерзлоты и применяются специальные технологии.
Строительство зданий на обычном фундаменте нарушает термический режим мерзлоты и приводит к неравномерному оттаиванию грунта, вызывающему просадку и разрушение построек. Здания, возводимые на промерзшем грунте, оставляют на несколько лет для проверки устойчивости, в случае деформации их разбирают и переносят в другое место.
Строительство в районах вечной мерзлоты осуществляется следующими методами:
Перечисленные методы можно условно объединить в две группы: строительство, при котором грунты основания используются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации, и строительство, при котором грунты основания используются в оттаивающем и в оттаявшем состоянии.
Поставка газа в северные регионы сопряжена с рядом сложностей, характерных именно для данной местности. В первую очередь нужно учитывать возможности доставки топлива потребителям и строительства ГНС как такового.
Существуют два вида доставки газа – в автоцистернах или баллонами. В первом случае можно использовать групповые резервуарные, а во втором – групповые баллонные установки или отдельно стоящие баллоны, расположенные в кухнях жилых помещений. При поставке и использовании топлива не должны нарушаться противопожарные нормы. В качестве альтернативы рассматривают внедрение систем с использованием газовоздушных смесей.
Часто газоснабжение осуществляется от регазификационных установок с искусственным испарением. Такая установка включает в себя резервуары, взрывозащищенные испарители, трубопроводы, запорно-регулирующая и предохранительную арматуру систем автоматики, причем все части установки должны быть расположены в надземном отапливаемом помещении и герметично соединены между собой. При такой системе газоснабжения, для подстраховки на случай отключения электроэнергии, необходимо предусмотреть варианты подачи газа за счет естественного испарения.
Особенности климата в северных районах усложняют технологию строительство систем газоснабжения, поскольку приходится учитывать такие факторы, как влияние низких температур на систему; воздействие тепла, выделяемого установкой, на промерзший грунт; повреждения газопровода, происходящие при оттаивании и промерзании почвы.
Почва, на которой будет строиться газопровод, может быть подвержена оттаиванию. В этом случае необходимо предусмотреть защиту грунта от воздействия тепла, поскольку оттаивание может привести к оседанию почвы и нарушению устойчивости близлежащий зданий, построенных с учетом сохранения мерзлоты. В том случае, если грунты характеризуются незначительными осадками или в непосредственной близости от теплотрассы нет никаких сооружений, на которые может повлиять проседание почвы, некоторое оттаивание допускается. Площадка для строительства должна размещаться на непучинистых грунтах, не подвергающихся образованию наледей и провалов.
Способ прокладки газопровода выбирается в зависимости от условий. На территории жилых кварталов и в промышленных зонах часто применяют прокладку в насыпях-валиках или надземную. Если такой вид размещения газопровода по каким-либо причинам нецелесообразен, то прибегают к подземной прокладке. При этом глубина заложения не должна быть менее 0,8 м. Место залегания труб подвергают оттаиванию, грунт уплотняют и понижают уровень грунтовых вод, для того, обеспечения газопроводу устойчивости. В особо сложных случаях приходится применять дополнительные средства для обеспечения надежности системы.
В законодательстве также прописаны нормы, которым должны следовать при строительстве газопроводов в условиях вечной мерзлоты.
СНиП 42-01-2002: «Надземные и наземные газопроводы с обвалованием могут прокладываться в скальных, многолетнемерзлых грунтах, на заболоченных участках и при других сложных грунтовых условиях. Материал и габариты обвалования следует принимать исходя из теплотехнического расчета, а также обеспечения устойчивости газопровода и обвалования».
В СНиП 2.02.04-88 так и называется «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах». Кроме того, некоторые указания относительно прокладки траншей в мерзлых грунтах даются в Своде правил по проектированию и строительству газораспределительных систем из металлических и полиэтиленовых труб (СП 42-101-2003) и Своде правил по проектированию и строительству газопроводов из металлических труб (СП 42-102-2004).
Упаковка продукции, отправляемой в районы Крайнего Севера (в том числе и газовое топливо) должна соответствовать ГОСТ 15846-79.
На территории городов, построенных с учетом принципов использования и сохранения мерзлоты, необходимо продумать такой способ прокладки газопровода, чтобы он не нанес вред устойчивости зданий. В таких случаях желательно применять совмещенный надземный подвод труб различного назначения, либо в вентилируемых непроходных или полупроходных каналах.
Строительство трубопроводов на вечномерзлых грунтах
Вечномерзлые грунты обладают рядом особенностей, делающих их весьма неблагоприятными для любого строительства, в том числе и трубопроводного. Основным строительным недостатком вечномерзлых грунтов является изменчивость их несущей способности в очень широких пределах. При отрицательной температуре они могут воспринимать весьма большие нагрузки без заметных деформаций, а при нулевой и тем более положительной температуре, они теряют несущую способность и разжижаются. При повторном замерзании грунты вспучиваются, растрескиваются, что может привести к разрушениям трубопроводных конструкций, расположенных в таком грунте. Это требует принятия специальных защитных мер, конструктивного или технологического характера. В зимний период вечномерзлые грунты представляют монолит скального типа, что обеспечивает работу на нем любых строительно-монтажных машин, т. е. технология строительства линейной части трубопроводов остается такой же, как и в нормальных условиях. Это относится к расстановке трубоукладчиков, другой строительной техники, организации поточного строительства и т. д. В летний период работы по строительству линейной части либо полностью прекращаются, либо производятся по технологии, применяемой на болотах.
Линейные трассовые работы при сооружении трубопроводов на многолетнемерзлых грунтах производятся в зимнее время с использованием мерзлых грунтов в качестве оснований. Работы на трассе начинаются после промерзания деятельного слоя на глубину не менее 0,6 м, во избежание повреждения мохорастительного покрова. На отсыпанных площадках может происходить работа круглогодично. После промерзания деятельного слоя многолетнемерзлых грунтов выполняются следующие трассовые работы:
— расчистка и планировка строительной полосы;
— сооружение временных дорог и технологических проездов;
— развозка вдоль трассы трубных секций, блоков, свай, других конструкций и материалов, предназначенных для монтажа линейной части;
— установка и монтаж свайных опор, включая выполнение противопучинных и противопросадочных мероприятий;
— разработка траншей и засыпка трубопроводов;
— монтаж линейной части трубопроводов, включая изоляционные и теплоизоляционные работы;
— укладка и закрепление трубопровода в проектном положении;
— монтаж крановых узлов;
— устройство систем ЭХЗ и линий связи;
— очистка полости и испытание трубопроводов на прочность и герметичность;
— осушка полости трубопроводов;
— техническая и биологическая рекультивация земель в пределах строительной полосы;
— окончательное формирование валика над трубопроводом.
В летний период в базовых условиях и на отсыпанных площадках выполняются следующие внетрассовые работы:
— формирование запасов материально-технических ресурсов;
— заготовка и осушка грунта в карьерах;
— сварка и противокоррозионная изоляция трубных секций;
— изготовление скользящих и неподвижных опор для надземных трубопроводов, фасонных частей, конструктивных элементов для теплоизоляции стыков и монтажа компенсаторов;
— подготовка торцов труб под сварку и их консервация;
— изготовление кривых вставок и их изоляция;
— теплоизоляция труб и деталей;
— укрупнительная сборка, изоляция и испытание крановых узлов, трубных блоков;
— ремонт и подготовка строительной техники и автотранспорта к эксплуатации.
Выполнение линейных трассовых работ в летний период при потере несущей способности деятельного слоя грунта допускается только с применением специальных технологий и техники, оказывающей минимальное давление на грунт.
Жилые городки, склады материалов, трубозаготовительные базы, места стоянки и ремонта техники на затопляемых территориях располагаются либо за пределами зоны возможного заводнения, либо на отсыпанных незатопляемых площадках. Строительство трубопроводов осуществляется с использованием строительных и транспортных машин, технологической оснастки в северном исполнении с применением специальных сортов горючесмазочных материалов, гидротормозных, охлаждающих и других эксплуатационных жидкостей. Организованные стоянки строительных и транспортных машин оборудуются средствами группового обогрева.
Индустриализация строительства реализуется за счет применения типовых конструктивных элементов трубопроводов повышенной технологической готовности, в том числе изолированных в заводских или базовых условиях труб, а также укрупненных узлов, блоков, модулей заводского или базового изготовления (крановых узлов, камер пуска-приема очистных устройств, трубных блоков и секций различного назначения, неподвижных и скользящих опор надземных трубопроводов, облегченных строительных конструкций и т. п.).
Организация конвейерной части комплексного линейного технологического потока должна обеспечивать максимально сжатый фронт производства работ. Это достигается тем, что отдельные виды работ (специализированных потоков) могут производиться при минимальных, обусловленных только технологией, сближениях (минимальных технологических заделах), при жесткой синхронизации темпов ведения отдельных работ. Технологический задел не должен превышать производительность потока за I смену, что позволяет избежать заноса траншеи снегом, промерзания дна траншеи и отвала грунта.
В условиях многолетнемерзлых грунтов трубопроводы, как правило, прокладываются надземно (на свайных опорах).
Общая подготовка к строительству объекта предусматривает:
— определение рациональных размеров сезонных, текущих и страховых запасов труб, сварочных, изоляционных и других материалов;
— подготовка причалов, пристаней, железнодорожных станций к приему грузов, особенно в период речной и морской навигации;
— определение размеров участков для хранения сезонных запасов труб и материалов и согласование их размещения с местной администрацией;
— оформление отвода земель во временное пользование для производственных баз, складских помещений, жилых городков, строительства трубопровода;
— согласование с местной администрацией мест водозабора для производственных и бытовых нужд, а также мест сброса сточной и отработанной в результате производственной и бытовой деятельности воды.
При подготовке к производству строительно-монтажных работ выполняются:
— сооружение временных дорог;
— заготовка грунта в карьерах;
— технологическая подготовка труб, узлов и деталей на производственных базах;
— ремонт, техническое обслуживание и подготовка техники к работе в зимний период;
— формирование страховых, текущих и сезонных запасов труб, материалов и оборудования;
— устройство полевых жилых городков;
— монтаж производственных баз;
— сооружение складских помещений;
— размещение пунктов обогрева вдоль трассы;
— организация радиосвязи между бригадами;
— организация и подготовка мобильных средств освещения в трассовых условиях.
В процессе инженерной подготовки строительной полосы выполняются следующие работы:
— проведение (в зависимости от местных условий) различного рода противоэрозионных и других мероприятий, которые определены проектом;
— сооружение технологических проездов;
— расчистка строительной полосы от мелколесья и кустарников;
— промораживание или осушение заболоченных и переувлажненных плохо замерзающих участков;
— подготовка оснований под насыпи.
Особую сложность представляет строительство и эксплуатация временных дорог и технологических проездов в условиях многолетнемерзлых грунтов. Подъездные и вдольтрассовые дороги и технологические проезды могут сооружаться из привозного грунта (грунтовая дорога) или снега и льда (снего-ледовые дороги – автозимники).
При строительстве временных дорог выдвигаются особые экологические требования. Так, строительство временных дорог и технологических проездов осуществляется без снятия мохорастительного покрова с целью сохранения мерзлотного режима грунтов.
Прокладку автозимника по поверхности полностью промерзающих рек и озер осуществляют после тщательной проверки состояния ледяного покрова. При резкой извилистости русла, наличия наледей, многослойного льда, крупных камней, торосов автозимник прокладывают в пойме реки.
Трассу автозимника по возможности прокладывают на не заносимых снегом участках. Если трасса должна пересекать снегозаносимые участки, то ее направление совмещают, как правило, с направлением господствующих ветров или располагают под углом к нему не более 20°.
Транспортировка трубных блоков, элементов крановых узлов осуществляется на прицепах и полуприцепах-тяжеловозах. Крепление трубных блоков и элементов крановых узлов выполняют с использованием прокладок, предохраняющих изоляционное покрытие от повреждений.
В зимнее время перевозка грузов на дальние расстояния (свыше 20 км) осуществляется только колоннами транспортных средств, для взаимовыручки при возникновении экстремальных ситуаций.
Для перевозки труб, материалов, запорной арматуры, людей, продуктов, запчастей используют также вертолеты и легкие самолеты.
Земляные работы
Разработка грунта в карьерах производится преимущественно в теплое время года. Зимой разработка грунта осуществляется с рыхлением мерзлой породы буровзрывным методом или механическими рыхлителями. Летом разработка грунта выполняется без предварительного рыхления, послойно по мере естественного оттаивания.
Способ разработки траншеи выбирается в зависимости от структуры грунта и степени его промерзания. При выборе способа разработки траншеи стремятся к уменьшению ее ширины с целью сужения повреждаемой полосы земли, снижения трудоемкости и стоимости разработки траншеи. Разработку траншеи рекомендуется выполнять преимущественно роторными экскаваторами без откосов на полную глубину. При отсутствии мощного роторного экскаватора разработка траншеи производится дифференцированным способом, т. е. постепенным расширением и углублением траншеи проходом нескольких роторных экскаваторов.
Разработка траншей в многолетнемерзлых грунтах с крупными каменистыми включениями выполняется гидравлическими одноковшовыми экскаваторами с вместимостью ковша 1,5 м, осуществляя предварительное рыхление грунта механическим или буровзрывным способом.
При промерзании деятельного слоя до 1,0 м рыхление грунта выполняют мощными бульдозерами-рыхлителями. При большой глубине промерзания рыхление грунта выполняют буровзрывным способом.
Очистку от снега траншеи осуществляют одноковшовым экскаватором (драглайном) или обратной лопатой, снабженной кривой стрелой. Практикуется очистка траншеи от снега за рубежом экскаваторами-грейферами; для этого отвал грунта сразу после рытья траншеи планируют. Экскаватор с грейфером перемещается по спланированному отвалу грунта и очищает траншею от обваловавшихся грунтов и снега.
Засыпать траншею следует бульдозером поперечными или косопоперечными проходами. Засыпку трубопровода выполняют также роторным экскаватором. Для проезда экскаватора отвал грунта должен быть спланирован бульдозером. Засыпку трубопровода возможно выполнять и одноковшовыми экскаваторами с предварительным рыхлением грунта.
Установка свайных опор для надземных трубопроводов производится, как правило, методами, исключающими растепление многолетнемерзлых грунтов, а именно:
— забивкой свай в предварительно пробуренные скважины меньшего диаметра (забивка в лидерные скважины);
— установкой свай в скважины большего диаметра (буроопускной способ) с заливкой зазоров специальными растворами;
— установкой свай с одновременным бурением скважины и ее погружением (бурозабивной способ).
Монтаж и укладка подземного трубопровода.
Монтаж трубопровода в нитку должен производиться до разработки траншеи. Монтаж трубопровода осуществляется из труб, изолированных в базовых или заводских условиях.
Сварка стыков трубопроводов осуществляется по специальной технологической инструкции, учитывающей природно-климатические условия (низкая температура атмосферного воздуха).
Укладка трубопровода производится в очищенную от снега и льда траншею и на подготовленное дно, исключающее механические повреждения изоляционного покрытия.
Закрепление трубопровода на проектных отметках на обводненных и заболоченных участках производится балластными грузами или вмораживаемыми анкерами.