Способы прокладки трубопровода на участках вечномерзлых грунтов

Irina Gavrilova

student undergraduate, Far Eastern Federal University, Russian Federation, Vladivostok

Maria Safonova

student undergraduate, Far Eastern Federal University, Russian Federation, Vladivostok

Аннотация. В данной статье рассматривается проблема прокладки трубопроводов в условиях вечной мерзлоты. Содержание статьи посвящено выбору оптимального метода прокладки трубопровода в вечномерзлых грунтах из всех существующий на данный момент методов. Данная тема актуальна для множества районов, в частности для Республики Саха (Якутия), так как там идет обширное газоснабжение, и соответственно, нужно прокладывать множество трубопроводов для доставки газа к потребителю.

Abstract. The title of the article is «Pipeline laying in perpetually frozen soil». The article deal with the problem of laying pipelines in perpetually frozen soil. The content of the article is devoted to the choice of the optimal method of laying the pipeline in permafrost soils from all existing methods now. This topic is relevant for a variety of areas, for the Republic of Sakha (Yakutia), as there is extensive gas supply, and accordingly, it is necessary to lay a lot of pipelines to deliver gas to the consumer.

Ключевые слова: трубопроводы; вечномерзлый грунт; вечная мерзлота; многолетнемерзлые породы; надземная прокладка; подземная прокладка; наземная прокладка.

Keywords: pipelines; permanently frozen soil; permanently formation; above-ground routing; buried; subsurface; ground level.

Большая половина территории России покрыта вечномерзлыми грунтами (65% — это около 11 млн км²). Наиболее распространена вечная мерзлота в Восточной Сибири и Забайкалье, южная граница ее проходит по центральной части Кольского полуострова, а также пересекает Восточно-Европейскую равнину, на Урале отклоняется к югу почти на 60° с. ш., а к северу отклоняется вдоль Оби, далее она проходит по южным склонам Сибирских Увалов близ Енисея, в районе Подкаменной Тунгуски. Затем граница вечной мерзлоты поворачивает к югу, вдоль Енисея, проходит склоны Западного Саяна, Тувы и Алтая к границе с Казахстаном. На Дальнем Востоке ее граница проходит от Амура к его устью. Также наиболее распространена она в районе Республики Саха (Якутии).

Прочность грунтов зависят от доли содержащегося в них льда и температурой. Зависимость такова, что чем ниже температура, тем более высоки прочностные свойства грунтов. Содержание льда может колебаться, они могут быть как достаточно сухими, так и весьма льдистыми, иногда даже до состояния грязного льда.

Многолетняя мерзлота может распространяться либо прерывисто – в виде отдельных друг от друга линз, либо сплошно, даже на глубину сотен метров от поверхности. Также мерзлота довольно чувствительна к изменениям температурных режимов: нарушение слабого поверхностного растительного слоя, к примеру, вездеходами или бульдозерами, может привести к стремительным таяниям мерзлоты, а также к разрушению ее структуры и появлению мест протаивания. Надежные основания в виде грунтов, покрытых вечной мерзлотой, за несколько летних сезонов могут превратиться в болото, что в некоторых случаях приводит к всплытию трубопроводов, их смещению и деформации.

В связи с этим, инженеры, при прокладке трубопроводов в условиях вечной мерзлоты, сталкиваются с проблемой, напоминающей замкнутый круг: ненарушенная система мерзлых грунтов является отличным и надежным основанием для трубопровода, но в случаях изменений тепловых режимов, он превращается в болотную жижу, и что самое главное, трубопроводы сами могут служить причиной изменения теплового режима.

Выбор способа прокладки трубопровода довольно сложное решение, т.к. опят строительства на промерзших грунтах показывает, что классические технические методы совершенно не подходят в этом случае, более того они являются экономически не выгодными. Поэтому очевидно, что необходимо разрабатывать и внедрять новые технологические решения, учитывая долгосрочные прогнозы температурных режимов грунтов оснований, которые должны быть способны предупредить или же компенсировать отрицательное воздействие тепла для всех трубопроводов, прокладываемых в условиях вечной мерзлоты.

Подземная прокладка. Данный способ прокладки актуален только при том условии, что окружающая среда не будет изменяться. Для этого предлагается метод, с помощью которого можно регулировать режимы перекачки, что поможет предупредить прогрессирующее таяние грунтов под трубопроводом. Также этот способ является экономически выгодным, и не требующим дополнительных затрат. Но, как и у любого другого способа, у него есть свои довольно существенные недостатки, один из которых, то, что возникает необходимость в разработке мерзлых грунтов, что в свою очередь плохо, так как надежность сооружений тем выше, чем менее нарушено основание сооружения из многолетнемерзлых грунтов.

На сегодняшний день, существует множество различных способов предотвращать таяние льдов под сооружениями за счет естественного холода. К таким методам относятся горизонтальные трубчатые системы замораживания и температурной стабилизации грунтов (системы «ГЕТ») и вертикальные трубчатые системы замораживания (системы «ВЕТ»). Также при строительстве можно использовать трубчатые сезонно-охлаждающие устройства, которые способны поддерживать несущую возможность грунта в условиях вечной мерзлоты. Помимо этого, предлагается транспортировать с использованием теплоизоляционного экрана. Способ заключается в том, что происходит регулирование процесса протаивания – промерзания грунта охлаждением газа (если это будет газопровод) по синхронно изменяющейся температуре воздуха со сдвигом по амплитуде, которая равна среднегодовой температуре атмосферного воздуха.

Надземная прокладка. Применимо только для районов с сильнольдистыми грунтами. В мерзлом состоянии данный вид грунта имеет хорошую несущую способность. Но в оттаявшем состоянии эти грунты теряют свою несущую способность и имеют большую сжимаемость.

Высокотехнологичные опоры с системами промораживания грунтов и рассчитанные с учетом сейсмической активности прокладки трубопровода не могут обеспечить безаварийную работу. Так как происходит выпучивание опорных свай. Структура грунтов по трассе отличается, выпучивание свай происходит неравномерно. За год прирост может достигать нескольких десятков сантиметров: 0,27 м и 0,40 м. Это приводит к изменению положения оси трубопровода, потере устойчивости и авариям.

Для использования данного способа конструкция надземных опор должна строго удовлетворять не только требованиям экономичности, но и экологической безопасности. Из-за использования тяжелой техники для забивки свай под опоры трубопровода, вокруг металлических свай образуется протаивание, оврагообразование, нарушающее несущую способность свай, что плохо удовлетворяет вышеуказанным требованиям. А применение специальных трубчатых термосвай повышает стоимость проекта и усложняет строительство, но не защищает от выпучивания свай.

Наземный способ прокладки. Не всегда применение подземного и надземного способа может обеспечить надежность конструкции. Для таких случаев применяется наземный способ прокладки. В отличие от предыдущего, наземный способ дает возможность минимального вторжения в грунтовый массив. Данный способ не требует разработки траншеи, что немаловажно в условиях вечной мерзлоты. Трубы не требуют строительства опор и фундаментов, кожуха будет достаточно. Таким образом, упрощается технология работ и снижаются экономические затраты. Мерзлое основание сохраняется и растительный покров остается нетронутым. Исключается использование термостабилизаторов. Так как имеется подушку в виде насыпи, трубопровод не испытывает существенных дополнительных нагрузок от сейсмических воздействий. Приходится намного меньше ветровых нагрузок, чем у надземного. Наземный способ, как и надземный, не должны мешать миграции животных и обеспечивать проезд транспорта. Это значит, что необходимо предусмотреть строительство путей для миграции. Вероятность отказов при наземной прокладке значительно ниже, чем при других способах прокладки. Под отказами имеют в виду: при подземной прокладке — разрывы газопровода вследствие пучения грунтов, при надземной прокладке – трещины усталостного характера вследствие вибраций многопролетного газопровода при пучении одной или нескольких опор, при открытой наземной прокладке – потеря устойчивости и образование гофр.