Линейные сооружения в криолитозоне

Дорожное строительство. В криолитозоне в последние годы дорожному строительству уделяется большое внимание. Это — трасса БАМ протяженностью 3145 км, железная дорога Сургут—Уренгой—Ямбург, проектирующиеся железная и автомобильная дороги на Ямале и др. В практике проектирования дорог применяются два принципа использования грунта в качестве основания (рис. 2.3.1). 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. 2.3.1 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 (см. раздел 1.4).

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.

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. 2.3.2 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 сезонноталого 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.

Pиc. 2.3.2. 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

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. 2.3.2 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.

При 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.

Водопроводные и канализационные трубопроводы в криолитозоне представляют собой дорогостоящие сооружения. К тому же, чтобы вода не замерзала, ее приходится подогревать в течение шести—восьми зимних месяцев. Для установления способа укладки этих труб проводятся тепловые расчеты, в результате которых определяются такие характеристики, как изменение температуры вдоль водовода, его теплопотери, зона оттаивания вокруг труб и др.

Практика строительства выявила следующие способы укладки инженерных сетей: 1) надземная прокладка; 2) наземная прокладка в насыпи; 3) подземная прокладка в траншеях; 4) подземная прокладка в вентилируемых и невентилируемых каналах, где могут укладываться совместно все коммуникации (рис. 2.3.3). Все способы прокладки предусматривают применение теплоизоляции. В вентилируемых каналах в летнее время температура воздуха близка к температуре наружного воздуха. В этот период в основании канала происходит незначительное оттаивание мерзлых участков. Зимой же из-за естественной вентиляции в канале поддерживается отрицательная температура воздуха, в результате чего происходит промораживание протаявшего летом грунта. Таким образом, многолетнемерзлые грунты, залегающие ниже подготовленного основания, постоянно будут находиться в мерзлом состоянии.

Рис. 2.3.3. Схема прокладки подземных коммуникаций в непроходных (а) и проходных (б) вентилируемый каналах:

1 — тепловые сети; 2— водопровод; 3 — канализация; 4— железобетонные секции;

5 — электрические кабели; 6—7— грунты (6— естественного основания, 7— насыпные непучинистые); 8 — песчаная подушка; 9 — глинобетон; 10 — граница многолетнемерзлых грунтов

Линии электропередач (ЛЭП), не имеющие тепловыделений, в меньшей степени, чем другие линейные сооружения (авто- и железные дороги, трубопроводы), изменяют геокриологические условия. При проектировании ЛЭП основное внимание уделяется расчету устойчивости их опор. Опоры устанавливаются на свайных, столбчатых или плитных фундаментах, которые проектируются, как правило, по принципу сохранения грунтов в мерзлом состоянии. При расчетах опор на механическую устойчивость используются прочностные и деформационные характеристики мерзлых грунтов, которые определяются с учетом возможного изменения температурного режима грунтов в полосе трассы ЛЭП. При назначении прочностных характеристик мерзлых грунтов необходимо учитывать не только статические нагрузки (вес опор и фундаментов), но и динамические, обусловленные воздействием порывов ветра на опоры. Кроме того, проводятся расчеты фундаментов опор на действие сил морозного пучения.

Аэродромные покрытия состоят из искусственного покрытия и основания, лежащих на естественных грунтах. Искусственное покрытие — это самый верхний, относительно тонкий и прочный слой, воспринимающий основную ударную нагрузку. Искусственное основание состоит из слоя или из нескольких слоев щебня, гравия и песка, предварительно обработанных химическими вяжущими веществами. Оно служит для перераспределения напряжений от колес на большую площадь и передачи их на естественное основание, т.е. верхние слои грунта, выровненные и искусственно уплотненные (рис. 2.3.4). Аэродромные покрытия должны отвечать следующим техническим требованиям: 1) прочность и долговечность; 2) ровность и износостойкость; 3) шероховатость поверхности, необходимая для хорошего сцепления колес с покрытием; 4) беспыльность; 5) водонепроницаемость и устойчивость к климатическим воздействиям.

При проектировании аэродромов используются результаты расчетов прочности и устойчивости покрытия и его искусственного основания. Кроме того, необходимо знать характеристики прочности и деформируемости грунтов естественного основания.

Рис.2.3.4. Конструкция аэродромного покрытия:

1 — собственно покрытие; 2—3 — основания (2 — искусственное, 3 — естественное); 4 — растительный слой; 5 — направление и величина уклона поверхности

Обычно строительство аэродромов в районах развития мерзлоты ведется: с сохранением грунтов основания в мерзлом состоянии; с протаиванием мерзлых пород в процессе строительства и эксплуатации; с предварительным протаиванием и улучшением свойств грунтов основания. Выбор той или иной схемы проектирования и сооружения аэродромов, расчеты устойчивости оснований покрытий аэродромов проводятся так же, как и при автодорожном строительстве. Специфика проектирования аэродромов по сравнению с земляным полотном дорог заключается в предъявлении повышенных требований к их устойчивости.

Литература

Основы геокриологии. Том 5. Инженерная геокриология / Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 1999. 526 с.

Хрусталев Л.Н. Основы геотехники в криолитозоне: Учебник. – М.: Изд-во МГУ, 2005. 542 с.