Статья ВАК: Строительство и реконструкция трубопроводов в условиях вечной мерзлоты

Вечномёрзлые грунты занимают 65% территории Российской Федерации, что составляет около 11 млн к м². К ним относятся грунты, занимающие Арктику, часть Архангельской области, Республику Коми и бóльшую часть Сибири. Средняя температура за год на этих территориях имеет значения ниже нуля, а грунт содержит в своём составе лёд. В таких условиях выбор способа прокладки трубопровода представляет собой сложную задачу и требует комплексного подхода, учитывающего структуру грунта, особенности методов строительства, температурные характеристики грунта и транспортируемой воды.

В российской практике с проблемой строительства трубопроводных систем в суровых климатических условиях столкнулись уже при строительстве Транссибирской железнодорожной магистрали. Это привело к разработке специальных конструкций трубопроводов, даже не считаясь с дороговизной сооружений и последующей их эксплуатации, так как не было опыта строительства таких систем ни в России, ни за рубежом.

В статье рассмотрены способы строительства и реконструкции трубопроводов в условиях вечной мерзлоты, используемые на сегодняшний день. Одним из путей решения задач эффективной эксплуатации действующих трубопроводных систем является своевременное проведение на них ремонтно-восстановительных работ, в том числе с помощью бестраншейных технологий [1, 2]. Ремонт и модернизация трубопроводов должны сопровождаться улучшением гидравлических характеристик внутренних поверхностей безнапорных трубопроводов и открытых лотков, транспортирующих ливневые и сточные воды [3, 4].

Современный строительный рынок предлагает широкий ассортимент полимерных и композиционных материалов защитных покрытий (облицовок, изоляции и т. д.) с малыми гидравлическими сопротивлениями [5]. Оперативное нанесение на внутреннюю поверхность ветхих трубопроводов подобных покрытий с помощью бестраншейных методов ремонта позволяет содействовать решению задач эффективного транспортировании вод, содержащих инородные включения, без их осаждения в лотковых частях труб [6].

Материалы и методы исследований

Главным фактором, определяющим особенности мёрзлых грунтов, как природных образований, при использовании их в качестве оснований зданий и сооружений, является наличие в них льда [1]. Термодинамические процессы, происходящие в период эксплуатации трубопроводов, оказывают влияние на грунты. Присутствующая в порах грунта вода при понижении температур превращает грунт в твёрдую субстанцию, в которой образующийся лёд выполняет функцию связующего. В результате вспучивания грунта (морозного пучения) может наблюдаться неравномерный подъём грунтового массива вдоль трассы трубопровода [2].

Температура верхней границы зоны нулевых годовых амплитуд и толщина поверхностного грунта, ежегодно оттаивающего летом и замерзающего зимой и именуемого как «деятельный слой», являются основными характеристиками температурного режима вечномёрзлых грунтов. На глубине около 12–15 м грунты имеют отрицательную температуру. В южных районах данная температура составляет от 0 до −3°C, а в северных до −12°C.

Несущая способность грунтов снижается при переходе грунтов из мёрзлого состояния в талое. Сезонное и многолетнее промерзание и оттаивание горных пород в сочетании с их составом вызывают широкое развитие криогенных явлений [3]. Ниже будут рассмотрены способы строительства и реконструкции трубопроводов в данных условиях. Одной из главных проблем при устройстве трубопроводных сетей в районах вечномёрзлых грунтов является прокладка трубопроводов. На практике применяются следующие виды прокладки сетей: подземная, надземная и наземная.

Наиболее существенные геологические изменения происходят при подземной прокладке, где практически полностью уничтожается растительный покров в пределах всей полосы трассы. Уничтожению также подвергаются кустарник, травостой и мохорастительный покров с дерниной, а на отдельных участках — и слой почв [3]. После проведения раскопочных работ растительность возобновляется очень медленно. На склонах крутизной более 10–15° растительность не восстанавливается, так как при прохождении по ним строительных машин и механизмов повреждается почвенный слой под влиянием процессов термоэрозии и солифлюкции (медленного вязкопластического течения на склонах переувлажненных почв и тонкодисперсных грунтов в условиях их попеременного промерзания, протаивания и действия силы тяжести).

Уничтожение растительности приводит к увеличению летней инсоляции (облучению земной поверхности солнечной радиацией) поверхностных отложений, улучшению условий инфильтрации. В зависимости от рельефа, состава и особенно льдистости грунтов степень нарушения растительности и почвы существенно различается. На сильнольдистых грунтах уничтожение растительности при строительстве трубопроводов, как правило, сопровождается уничтожением почв и активным развитием термокарста, термоэрозии и солифлюкции. Рекультивация покровов в этом случае требует проведение сложных дополнительных мероприятий. На малольдистых грунтах почва нарушается незначительно, почвенный покров частично сохраняется, что облегчает его рекультивацию. Всё это в целом приводит к существенному изменению теплообмена на поверхности и в грунтах. Суммарное влияние всех изменений на поверхности почвы при строительстве трубопроводов в целом приводит к нарушению теплообмена и понижению среднегодовой температуры грунтов на трассе трубопровода на 1–2°C по сравнению с естественными условиями [4].

Показателен опыт прокладки инженерных коммуникаций на сибирских железнодорожных магистралях, где за основу была принята стандартная для европейской части России технология укладки труб в траншеи с теплоизоляцией на глубину 2–2,5 м. В диссертационной работе А. В. Гинзбурга [5] указывается, что 84% обследованных участков подземной прокладки трубопроводов находятся в аварийном состоянии. Основными причинами выхода из строя трубопроводов является замерзание воды в трубах, приводящее к образованию ледовых пробок, разрушению стыковых соединений, а также сварных швов.

В современной практике строительства водоотводящих сетей используется несколько типов искусственных оснований под трубопроводы, которые возможны в условиях вечной мерзлоты. К ним можно отнести свайные фундаменты, продольные лежневые опоры, сплошные настилы из пластин, уложенных поперёк траншеи, и подземные эстакады. При этом сложность, трудоёмкость и дороговизна данных методов не позволяют считать их рациональными решениями. Более простым, но не менее надёжным методом считается устройство грунтового основания. Его можно устроить путём замены местного грунта в основании или выполнением мероприятий по предварительному оттаиванию и уплотнению местного грунта.

Рис. 1. Схема прокладки канализационного трубопровода в земле на грунтовом основании (1 — трубопровод; 2 — заменённый грунт; 3 — глинобетон или глина; 4 — местный грунт)

Замена грунтов проводится на глубине расчётного протаивания их под трубопроводом. Ширина искусственного основания принимается равной ширине траншеи. На искусственное основание под трубу укладывается гидроизолирующий слой, например, глинобетон, где должен размещаться и трубопровод, как это показано на рис. 1 [5].

При проведении работ по замене грунтов основания следует использовать местный уплотнённый малопросадочный грунт с малым коэффициентом фильтрации. Высота заменяемого слоя грунта в основании трубопровода зависит от вида заменяемых просадочных грунтов, глубины заложения трубы и её диаметра.

Необходимо отметить, что классические технические решения подземной прокладки трубопроводов в вечномёрзлых почвах крайне расточительны с экономической точки зрения. Это обстоятельство ведёт к необходимости разработки новых технических решений с учётом контроля температурного режима грунтовых оснований, который способен компенсировать или предотвратить негативное воздействие тепла на трубопровод.

Однако недостатком данного метода является необходимость разработки грунтов. Это может повлиять на долговечность и надёжность зданий, сооружений и трубопроводных трасс — чем меньше разработано мерзлотно-грунтовое основание, тем выше надёжность и долговечность сооружаемых конструкций.

Фото 1. Надземная прокладка трубопровода

Способ надземной прокладки находит всё большее применение (фото 1), однако его рекомендуют применять вне населённых мест. Основным фактором, влияющим на успех реализации надземной прокладки трубопроводов, являются климатические условия в конкретных районах строительства. Абсолютный перепад температур составляет от −56°C зимой до +34°C летом, плюс сильные ветры со скоростью свыше 40 м/с, тундра с карликовой растительностью, болота, значительные территории с многолетнемёрзлым грунтом. Вследствие этого трубопроводы надземной прокладки на сезонно оттаивающих грунтах испытывают неравномерную осадку опор, что отражается на надёжности и безопасности их эксплуатации.

Для непросадочных грунтов основания самым простым и дешёвым типом является прокладка трубопроводов по поперечным опорам, проложенным на естественной или планируемой поверхности или на земляных призмах. Однако опоры данного типа проектируют незначительной высотой, что при небольшой просадке приводит к контакту трубопровода с поверхностью земли. При этом наружная изоляция труб увлажняется и может потерять присущие ей теплоизоляционные свойства. При устройстве таких опор на них целесообразно укладывать трубопроводы в основном небольших диаметров из относительно лёгких материалов, таких как асбестоцемент, полипропилен и т. д.

Более совершенным типом опор могут служить городковые опоры, которые по причине особенностей их проектирования и строительства обеспечивают достаточный просвет между нижней частью трубопровода и поверхностью земли вдоль трассы. В случае проектирования трубопроводов над сильнопросадочными и льдонасыщенными грунтами устраивают свайные основания из железобетонных опор или деревянных брусов.

Заслуживает особого внимания разработанный С. А. Тимашевым метод «расчёта надёжности в пространстве нагрузок», который предлагает при расчётах нагрузок считать постоянными величинами собственный вес конструкции, перекачиваемый продукт и рабочее давление транспортируемой среды. При этом за переменные величины принимаются: кинематическое воздействие от просадки (пучения) опор, воздействие от ветровой нагрузки, степень повреждения (дефектности) трубопроводов. В этом случае строится допустимая зона по условно-предельному состоянию, то есть достижению эквивалентными напряжениями предела текучести материала трубы, а трубопровод рассматривается как многопролётная неразрезная тонкостенная трубчатая балка [6].

К современным техническим решениям конструкции опор можно отнести специальные опоры, снабжённые трубчатыми системами, противодействующими промораживанию почвы, её пучению и сейсмической активности, что не может гарантировать безаварийную эксплуатацию трубопроводов.

В частности, при пучении грунтов образуются искусственные бугры, что ведёт к неравномерному выпучиванию свай, достигающему нескольких десятков сантиметров. При этом теряется устойчивость самого трубопровода по причине смещения положения оси, что может явиться причиной аварийной ситуации.

Тем не менее, по заключениям специалистов, одним из лучших решений строительства трубопроводов на Крайнем Севере является именно надземный способ. При этом обязательным условием должно быть максимальное соответствие проектных и строительных работ требованиям экологической безопасности.

Также надземный способ максимально соответствует идее наименьшей разработки грунта по трассе прокладки трубопроводной сети. При значительной удалённости места прокладки трубопроводов, сопровождаемой сложностями в организации доставки материалов и оборудования на трассу и отсутствием теплоизоляционных материалов трубопроводов, в качестве альтернативы свайным основаниям возможна прокладка одиночных ниток трубопровода в земляных валиках, что можно охарактеризовать как наземный способ прокладки.

Достоинство данной технологии строительства трубопроводов заключается в том, что не требуется вмешательство в грунтовый массив с соответствующими материальными и экологическими последствиями в виде повышения затрат на строительство, нарушения растительного покрова, препятствия ветровым нагрузкам, которые присутствуют при надземном способе. Кроме того, в сейсмически активных зонах трубопровод в насыпи не испытывает дополнительных усилий от возможных подвижек грунта и не имеет с грунтовым массивом жёсткой связи.

Для сравнения отметим статистику отказов работы и эксплуатации трассы Соленинское — Месояха — Норильск, которая показала, что частота отказа на 1 км трассы при подземном способе прокладки трубопровода составляет 3,0, при надземном — 0,42, а при наземном — 0,13 [7]. Но в качестве недостатка наземной прокладки следует отнести загромождение территории и увеличенную снегозаносимость трассы трубопровода.

Мыс Нюкля близь Магадана относится к Крайнему Северу с его суровым климатом

Результаты исследований

Общая тенденция последних десятилетий по широкому распространению бестраншейных технологий для строительства и ремонта трубопроводных систем не могла не коснуться районов Крайнего Севера. Как известно, бестраншейные технологии позволяют осуществлять прокладку трубопроводов в свободном подземном пространстве без проведения земляных работ или с минимальным их объёмом.

Наиболее распространены следующие методы бестраншейного строительства: продавливание, горизонтально-направленное бурение (ГНБ), наклонно-направленное бурение (ННБ), тоннельная проходка (микротоннелирование).

Метод продавливания является универсальным способом прокладки кожухов труб, отличается экологичностью, позволяя сохранить уникальный растительный покров, а также оставить нетронутыми дорожные насыпи и покрытия. Суть данного метода заключается в продавливании специального кожуха гидравлическим домкратом. Кожух, который вдавливается в землю открытым концом, имеет кольцевой нож с наружными и внутренними скосами. Прокладку данным методом производят звеньями (модулями) труб по 6–12 м, которые наращиваются с помощью сварки.

Горизонтально-направленное бурение представляет собой способ прокладки трубопроводов без разработки грунта и рытья траншей. Процесс производится бурением криволинейной скважины буровыми штангами из стартового котлована в финишный или без сооружения котлованов. Движение штанг по будущей трассе трубопровода осуществляется с использованием специальных домкратных установок. Последующая прокладка труб производится за счёт обратного поступательного движения штанг из финишного котлована в стартовый с использование набора специальных расширителей, соответствующих диаметру протаскиваемого трубопровода.

Для бестраншейной прокладки трубопровода методом ГНБ рекомендуется использовать стальные, чугунные и полиэтиленовые трубы [9].

В местах пересечениях прокладываемого трубопровода с железными дорогами и автотрассами, а также на болотистой местности и в грунтах с высоким уровнем подземных вод используют метод наклонно-направленного бурения.

Данный метод допускает прокладку трубопроводов вне пределов плоскости скольжения оползающих грунтов и зон затопления, а также при ширине перехода более 100 м. Ограничивающими факторами могут являться необходимость соблюдения определённого радиуса изгиба трубы и геологические условия района прокладки.

Фото 2. Общий вид проходческого щита в шахте

Технология микротоннелирования заключается в отрывке двух котлованов — стартового и приёмного. Расстояние между ними составляет от 50 до 500 м. В стартовом котловане устанавливается домкратная станция. Если длина участка превышает 200 м, то устраивается промежуточная домкратная станция. Домкраты передают толкающее усилие к микротоннелепроходческому щиту с режущим инструментом (фото 2) через колонну труб, которую наращивают по мере движения вперёд. Данный метод можно применять в твердомёрзлых грунтах с применением бурового тиксотропного (например, глинистого) раствора, который обеспечивает устойчивость стенок скважины за счёт их смазки, приводящей к снижению сопротивления при движении щита в горизонтальной скважине [10].

На практике используется множество способов бестраншейной реконструкции трубопроводов, среди которых можно выделить нанесение цементно-песчаных и полимерных внутренних защитных покрытий, протаскивание полимерных рукавов (рубашек) и полимерных труб различного поперечного профиля. Выбор метода зависит от длины ремонтируемого участка, материала труб, степени износа, характера дефектов, а также от диаметра трубопровода, наличия грунтовых вод, вида транспортируемой среды.

Самым простым и дешёвым из перечисленных выше способов реновации трубопроводов является нанесение цементно-песчаных покрытий (ЦПП). Минимальная толщина слоя зависит от диаметра и материала труб, а требуемая — от толщины стенок, физического состояния (степень износа) и возраста труб. Технология нанесения ЦПП не зависит от глубины залегания труб и типа грунта. Метод используется при коррозионных обрастаниях, абразивном износе, но он неэффективен при смещении труб в стыках, деформации труб, при раскрытии стыков и сильном абразивном износе. Отличительной особенностью метода нанесения ЦПП является то, что он не обеспечивает увеличения несущей способности трубы.

Фото 3. Рукав из нержавеющей стали

Другим способом бестраншейной реконструкции является использование сплошных металлических покрытий. На фото 3 представлен рукав из нержавеющей стали, который классифицируется как защитное металлическое покрытие. Конструкция рукава состоит из двухслойной фольги (0,2–0,4 мм). По краям фольга сваривается с наружным покрытием из специального термоплавкого клеевого состава и ворсистого синтетического материала (полиэфирного иглопробивного волокна). Ворсистый материал создаёт дополнительную несущую способность ремонтируемой трубопроводной системы после процесса протягивания рукава внутрь подлежащего реновации трубопровода, тепловой диффузии клеящего вещества через него к внутренней поверхности старой трубы и последующего затвердевания. Применять данный метод возможно на трубопроводах диаметром от 100 до 600 мм.

Данная технология благодаря небольшим габаритам по ширине рукава не требует разработки траншеи и может быть проведена через люк смотрового колодца. За одну проходку возможно реконструировать участки длиной до 200 м. Отличие данной технологии состоит в том, что протяжку рукава можно осуществлять при любых температурах (даже отрицательных) и при практически полном износе трубопровода. Нержавеющая сталь обеспечивает сохранение высокого качества транспортируемой питьевой воды, не допуская появления коррозии на внутренних стенках трубы.

Недостатком метода является недостаточная гибкость и эластичность протягиваемого рукава, провоцирующего образование складок в изгибах трубы. Радиус изгиба подобных труб не должен превышать величины 30° [11].

На практике нашёл применение метод протаскивания в трубопровод гибких полимерных рукавов («чулков»). Его используют для труб круглого и овального сечения диаметром от 600 до 3000 мм. Пропитанный органической смолой рукав аккуратно вводят в трубу под давлением.

Фото 4. Подача полимерного чулка в трубопровод

Подобный «чулок» может проходить изгибы до 90°. «Чулок» абсолютно герметичен и способен восстановить несущую способность трубопровода (фото 4).

Введение и закрепление отверждаемых на месте оболочек в трубопроводе может достигаться двумя путями. Первый способ заключается в протаскивание бесшовного гибкого полимерного рукава на всю протяжённость реконструируемого участка между двумя колодцами. При этом распрямление «чулка» происходит под давлением тёплого воздуха, воды или пара. Второй способ отличается плавным введением скрученной в рулон оболочки в виде «чулка» (лайнера) в санируемый участок с последующим его выворотом. Прижатие к стенке и полимеризация органической смолы осуществляется давлением жидкости или пара. На сегодняшний день освоена инновационная технология полимеризации «чулка» ультрафиолетовым облучением, которое производится в ночное время при отсутствии воздействия дневного света.

Наиболее распространённым методом санации в условиях вечной мерзлоты среди методов бестраншейной реконструкции трубопроводов является метод протаскивания в старый трубопровод нового. Данный метод имеет две разновидности: без разрушения и с разрушением ремонтируемого трубопровода. Однако в условиях вечной мерзлоты метод с разрушением трубопровода не нашёл применения. Причиной этого является возможность периодического оттаивания и последующего замораживания грунта, провоцирующего вероятность пучения грунта, что способно привести к повреждению нового трубопровода остатками старой разрушенной трубы.

В основе реализации данного метода лежит протягивание полиэтиленовой трубы, например, напорной трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД), в реконструируемый трубопровод. Метод можно использовать для трубопроводов, имеющих сквозную коррозию или другие значительные дефекты труб.

Преимуществ метода состоит в том, что не требуется вскрытие дорожного полотна, стоимость технологических операций незначительна, практически отсутствуют технические осложнения.

Протягивание производится из траншеи, вырытой в начале ремонтируемого участка трубопровода, или из колодца. Перед вводом новые участки труб свариваются друг с другом. Метод подходит для реконструкции прямолинейных участков длиной в несколько сотен метров и труб большого диаметра.

В качестве результатов исследования произведён анализ характера вихреобразования в однофазных потоках и перемещения твёрдых фракций различного гранулометрического состава в двухфазных потоках при различных наполнениях. Характер вихреобразования определялся путём визуальной фиксации преломления отражённой на поверхности воды линии тени (теневой дорожки) от специальных светильников. При этом были проведены эксперименты в двух режимах, то есть с использованием однои двухфазного потоков.

Выводы

1. Метод прокладки трубопроводов в условиях Крайнего Севера напрямую зависит от характера грунтов основания, степени их просадочности и несущей способности и может быть подземным, надземным и наземным.

2. Практически все известные методы бестраншейной прокладки трубопроводов пригодны для регионов Крайнего Севера с их вечномёрзлыми грунтами.

3. Практика показывает, что наиболее распространённым методом бестраншейного строительства трубопроводов в условиях вечной мерзлоты является горизонтально-направленное бурение.

4. Наиболее распространённым методом санации трубопроводов, эксплуатируемых в условиях вечномёрзлых грунтов, является метод протаскивания в старый трубопровод новой полимерной трубы, при этом метод применяют только без разрушения старого трубопровода.

5. Не исключается метод реконструкции трубопроводов в условиях вечной мерзлоты с помощью нанесения набрызгиваемых покрытий при условии применения специализированных присадок, которые понижают температуру схватывания (полимеризации) покрытий до −40°C.