Принципы использования ММГ в качестве основания сооружений и способы прокладки трубопроводов в мерзлых грунтах

Первый принцип — это сохранение многолетнемерзлых грунтов в основании земляного полотна в течение всего периода эксплуатации дороги за счет поднятия верхней поверхности мерзлоты до подошвы насыпи. Второй принцип основан на оттаивании многолетнемерзлых грунтов основания. Оттаивание мерзлоты может быть частичным, на глубину, определяемую расчетом по допустимым деформациям полотна, и полным, предполагающим оттаивание мерзлых грунтов до начала строительства дороги и осушение грунта под дорожной конструкцией и на придорожной полосе.

Рис. 2.1 Примеры применения принципов проектирования и строительства автомобильных и железных дорог в криолитозоне

а —с созданием ядра многолетнемерзлых пород в основании насыпи, б— с частичным оттаиванием мерзлых грунтов, в —с предварительным оттаиванием многолетнемерзлых грунтов, 1 — насыпной грунт. 2— мохово-растительный слой, 3— естественное основание насыпи, 4 и 5 — границы многолетнемерзлых пород соответственно в естественных условиях и в эксплуатационный период

 

Проектирование по I принципу ведут на участках с низкотемпературными многолетнемерзлыми сильнопросадочными грунтами, когда оттаивание может привести к недопустимым деформациям и разрушению дорожной одежды.

Сохранение мерзлых грунтов в основании дорог обеспечивается конструкцией дороги и мероприятиями, использование которых обосновывается теплотехническими расчетами. Земляное полотно отсыпают из несцементированных обломочных грунтов с обязательным сохранением мохово-дернового покрова в основании насыпи и вдоль дороги. Для сохранения мохового покрова отсыпку насыпи выполняют «от себя». Строительные машины при этом передвигаются по отсыпанной насыпи, грунт отсыпается непосредственно на моховой покров. Для уменьшения высоты насыпи в основание земляного полотна укладывают теплоизолирующие прослойки из торфа, уплотненного мха, шлака и др. Хорошие результаты дает использование теплоизолирующих пенопластовых щитов повышенной прочности, которые с успехом были использованы при строительстве некоторых участков на трассах железных дорог Уренгой—Ямбург, БАМ. В качестве охлаждающих применяются вертикальные и наклонные сезонноохлаждающие устройства

Проектирование по I принципу может осуществляться и с предварительным промораживанием грунтов основания. Этот метод был предложен Б.И. Поповым, Н.Ф. Савко и другими при строительстве дорог в Западной Сибири, южнее границы распространения многолетнемерзлых пород. Обводненные грунты болотных массивов с мощным слоем торфа невозможно было использовать в качестве основания для автодорог. Удаление снежного и растительного покрова в течение 2—3 лет на трассах дорог привело к промерзанию верхнего стоя торфа, формированию маломощного прослоя многолетнемерзлых пород, который и был использован в качестве основания для насыпей.

Проектирование по II принципу — с частичным оттаиванием мерзлоты — ведут обычно для насыпи из глинистых и песчаных грунтов с влажностью менее предела текучести и незначительными осадками при протаивании. Мохово-дерновый покров в основании насыпи при этом не убирается. Проектирование по II принципу — с полным оттаиванием мерзлоты — ведут преимущественно на легкоосушаемых грунтах. Его применяют главным образом тогда, когда возможны заблаговременное оттаивание мерзлых грунтов, осушение дорожной полосы и упрочнение грунтов основания в результате их предпостроечной осадки при протаивании. При этом необходимо не менее чем за год до начала основных работ расчистить дорожную полосу от леса, кустарника, снять моховой покров в пределах полосы и устроить водоотводные канавы.

В криолитозоне проектирование железных и автомобильных дорог проводится в основном на насыпях. Выемки допускаются главным образом на участках с благоприятными геокриологическими (скальные, щебенистые или гравелистые слабольдистые грунты) и гидрогеологическими (отсутствие надмерзлотных вод) условиями. При необходимости сооружения выемки на участке льдистых дисперсных грунтов ее нужно проектировать только с заменой льдистых грунтов, обеспечением теплоизоляции откосов и водоотвода из выемок. Наибольшую опасность для земляного полотна представляет неравномерное пучение, которое вызывается главным образом неоднородностью грунтов, неодинаковыми условиями их увлажнения и промерзания. Основными мероприятиями по предотвращению и уменьшению пучения являются: замена грунтов, устройство прослоек из крупнозернистых грунтов (для увеличения интенсивности промерзания и прерывания путей миграции влаги), осушение полосы отвода, применение теплоизоляционных слоев (для сокращения глубины промерзания), засоление грунтов (понижение температуры замерзания) и т.д.

Магистральные трубопроводы служат для транспортировки газа, нефти и других энергоносителей от месторождения до населенного пункта или промышленного объекта. Сегодня они являются неотъемлемой частью ландшафта криолитозоны, протягиваясь на сотни и тысячи километров, пересекая на своем пути различные геокриологические зоны. В настоящее время существуют различные типы прокладки и конструктивные особенности трубопроводов и используется разная температура транспортируемого продукта.

Конструктивные особенности и температурный режим трубопроводов зависят от характера перекачиваемого продукта. Так, нефтепроводы могут эксплуатироваться только при положительной температуре, причем минимальные температуры нефтепровода составляют плюс 5—10 ⁰С, так как при более низкой температуре нефть густеет, образуются парафиновые пробки, она становится непригодной для транспортировки. Газопроводы могут иметь как положительную, так и отрицательную температуру.

В зависимости от положения относительно поверхности грунта трубопроводы, делятся на подземные, наземные (в насыпи или без обваловки) и надземные. Наибольшее тепловое влияние на мерзлые грунты оказывают трубопроводы, уложенные подземно, поскольку трубы (особенно больших диаметров), широко использующиеся на магистральных газопроводах, залегают в многолетнемерзлых породах ниже глубины сезонного оттаивания. Наименьшее тепловое воздействие на мерзлые породы наблюдается при надземной прокладке трубопроводов.

Pиc. 2.2. Сезонный ход температуры газа (I) и схемы теплового взаимодействия подземных газопроводов с многолетнемерзлыми (II) и талыми (III) грунтами при разных соотношениях среднегодовой t_ср, минимальной t_min и максимальной t_max /температур газа

а - t_ср <0⁰С, t_max <0⁰С; б- t_ср <0°С, t_max >0°С; в - t_ср > 0°С, t_min <0°С; г - t_ср >0°С, t_min >0°С;

тг — талый грунт; стс — сезонноталый слой; смс — сезонномерзлый слой; ммг — многолетнемерзлый грунт

Температурный режим перекачиваемого газа определяет его тепловое влияние на вмещающие мерзлые породы, особенности формирования сезонных и многолетних ореолов оттаивания мерзлых пород. В зависимости от конкретных условий подготовки газа он может транспортироваться как с положительной, так и с отрицательной температурой. Все многообразие возможных режимов транспортировки газа может быть сведено к четырем вариантам. На рис. 2.2 показаны схемы теплового взаимодействия подземного трубопровода с грунтами. Учитывая, что в любых мерзлотных условиях, даже в области сплошного распространения многолетнемерзлых пород, такое линейно-протяженное сооружение, как трубопровод, будет неизбежно пересекать талые участки (например, при подземной прокладке на участках подрусловых или подозерных таликов). На приведенной схеме отдельно рассмотрены варианты теплового взаимодействия трубопровода с грунтами на участках распространения многолетнемерзлых пород и на таликовых участках.

Очевидно, что в зависимости от сочетания среднегодовой, минимальной среднемесячной, максимальной среднемесячной температуры газа картина теплового взаимодействия трубопровода с мерзлыми и талыми грунтами будет различна. Так, при транспортировании газа с положительной температурой продукта в течение всего периода эксплуатации (в правой части рисунка показана принципиальная картина динамики температурного режима трубопровода) на участках распространения многолетнемерзлых пород будут формироваться многолетние ореолы оттаивания.

Мощность сезонно-талого слоя над трубопроводом может сокращаться. На участках таликов существенных изменений происходить не будет, здесь при высокой температуре газа возможно лишь сокращение глубины сезонного промерзания пород. Такой температурный режим транспортировки газа условно назван положительным.

В том случае, когда среднегодовая температура газа положительная, а зимняя минимальная отрицательная, в области распространения мерзлых пород на фоне многолетних ореолов оттаивания в зимнее время будет отмечаться сезонное промерзание под нижней стенкой трубы. На участках развития таликов в зимнее время будут формироваться сезонные ореолы промерзания пород. Такой температурный режим газа назван теплым.

При отрицательной среднегодовой и положительной максимальной температуре пород в криолитозоне многолетнее оттаивание отложений исключается, однако в теплое время года под нижней стенкой трубы будут формироваться сезонные ореолы оттаивания. На участках распространения талых пород будут формироваться ореолы многолетнего промерзания, оттаивающие на некоторую глубину в теплый период. Подобный температурный режим газопровода назван холодным.

Наконец, когда в течение всего времени эксплуатации температура газа имеет отрицательные значения, в области многолетней мерзлоты возможно сокращение глубин сезонного оттаивания пород над трубопроводом, а на участках таликов будут формироваться многолетние ореолы промерзания, оттаивание грунтов в которых под нижней стенкой отмечаться не будет.

Рассмотренные на рис. 2.2 варианты температурного режима трубопровода возможны и на одной трассе. Например, газ на выходе из компрессорной станции имеет постоянную температуру плюс 30—40⁰С. При взаимодействии трубопровода с грунтом или воздухом температура по длине трассы постепенно понижается, приближаясь к температуре окружающей среды. В связи с этим на начальном участке трассы возможно многолетнее протаивание грунта вокруг трубопровода, а на расстоянии 100—150 км от компрессорной станции — сезонное или многолетнее промерзание. Таким режимом характеризуется, в частности, трубопровод Медвежье—Надым—Пунга.

Основными нежелательными криогенными процессами при прокладке подземных трубопроводов с положительной температурой являются образование ореолов оттаивания вокруг трубопровода, осадка грунта, заболачивание за счет изменения условий поверхностного стока, термокарст, по траншеям часто развивается термоэрозия. При отрицательной температуре газа, когда формируются ореолы промерзания вокруг трубопроводов, возможно их выпучивание.

Прокладка трубопроводов в насыпи создает проблему обеспечения устойчивости самой насыпи. Опыт эксплуатации газопроводов в Западной Сибири показал, что местные грунты, представленные пылеватыми песками, практически не пригодны для ее возведения, так как через два—три года после начала эксплуатации насыпь размывается, оголяя трубопровод. ри надземной прокладке основной проблемой является обеспечение устойчивости свайных опор от воздействия сил морозного пучения, развивающихся в промерзающих грунтах сезонноталого слоя. Поскольку вес трубопровода незначителен, то для «погашения» касательных сил выпучивания фундаментов опор требуется значительное заглубление свай.

Все это предопределяет специфику геокриологических исследований при проектировании, строительстве и эксплуатации магистральных трубопроводов. Трассы магистральных трубопроводов выбирают так, чтобы обойти участки с негативными мерзлотными процессами и явлениями (бугры пучения, активный термокарст, солифлюкция). Для уменьшения теплового взаимодействия горячих и теплых трубопроводов на вмещающие фунты применяют теплоизоляцию трубы.

При расчетах трубопроводов обязательно выполняется прогноз промерзания—оттаивания вмещающих грунтов, учитывается осадка грунтового основания при его оттаивании и пучение при его сезонном и многолетнем промерзании.

Переходы магистральных трубопроводов через естественные и искусственные препятствия осуществляются надземно или под водой. Через неширокие водные преграды, овраги и транспортные магистрали обычно устраивают надземный переход. При этом применяют балочные, арочные, вантовые и многопролетные балочные конструкции. Для преодоления широкой водной преграды устраивают мост или дюкер (труба с закрепленными пригрузами, уложенная по дну водоема в траншею).

Можно утверждать, что сегодня уровень наших знаний и накопленный опыт проектирования, строительства и эксплуатации магистральных трубопроводов позволяют осуществить любой способ прокладки трубопровода в любых мерзлотно-грунтовых условиях. Вопрос заключается лишь в затратах средств и труда на строительство и эксплуатацию трубопровода.