Территория Крайнего Севера составляет более 44 % от всей территории Российской Федерации. Социально-экономическое развитие этих территорий связано с освоением минерально-сырьевых ресурсов. Так на Российском Севере по состоянию на 2022 г. запасы нефти и конденсата оцениваются в 22,7 млрд т, что составляет более 70 % общероссийских, а запасы природного газа составляют около 59 трлн м3 – это 83 % общероссийских запасов [1]. Однако суровые климатические условия регионов Крайнего Севера не останавливают крупнейшие нефтегазовые компании в освоении его территорий. Совместно с научно-проектными институтами, при поддержке правительства РФ нефтегазовые компании помогают в разработке новых нормативно-технических документов, которые учитывают особенности территорий с вечномерзлыми грунтами и аномально низкими температурами для строительства необходимой инфраструктуры при разработке месторождений. Несмотря на появление новых технологических решений, остаются нерешенные проблемы.
Нормативно-технические особенности строительства и эксплуатации переходов
При строительстве и эксплуатации объектов нефтегазового комплекса нарушение теплового режима многолетнемерзлых грунтов вызывает активацию различных процессов, характерных для данной территории. Воздействие этих процессов зависит от особенностей состава грунтов, их физико-химических свойств, характера техногенного влияния и его продолжительности, а также от характеристик природного ландшафта.
Организации, занимающиеся проектированием и эксплуатацией объектов нефтегазового комплекса, сталкиваются с различными неблагоприятными природными явлениями. Основными геокриологическими процессами, которые представляют наибольшую опасность для зданий и сооружений, являются морозные пучения грунта и осадки талых вод, вызванные образованием ореолов оттаивания.
В соответствии с требованиями СП 25.13330.2020, при проектировании зданий и сооружений на территории, где распространяются многолетнемерзлые грунты (ММГ), необходимо использовать данные инженерно-геологических изысканий, проводимых на основании СП 47.13330.2016. Эти изыскания включают специальные геокриологические и гидрогеологические исследования, которые учитывают особенности конструкции и технологии проектируемых сооружений, их тепловое и механическое взаимодействие с ММГ, а также возможные изменения геокриологических условий. Принцип использования ММГ как основания выбирается на основании теплотехнического расчета с учетом мерзлотно-грунтовых условий, способа и конструктивного решения прокладки трубопровода, режима его эксплуатации, прогноза локальных и общих изменений инженерно-геокриологических условий и свойств грунтов основания и мероприятий по охране окружающей среды. Помимо этого, выбранный принцип должен обеспечивать работоспособность и ремонтопригодность трубопровода в течение всего периода эксплуатации [2, 3].
Также согласно ВСН 014-89 и СП 36.13330.2012 требованиями при проектировании трассы трубопровода являются условия выбора будущей трассы и площадки под сооружение с отсутствием широкого распространения бугров пучения и бугристых торфяников и избегание участков с буграми пучения, а обходить бугры пучения следует с низовой стороны [3, 4].
При прокладке подземных трубопроводов через автомобильные дороги необходимо учитывать возможность пересечения этих дорог в местах поворотов. Однако при этом необходимо соблюдать определенные требования, установленные в СП 25.13330.2020, СП 284.1325800.2016 и ГОСТ Р 55990-2014 [2, 6, 7].
При проектировании подземных переходов трубопроводов через автомобильные дороги необходимо учитывать возможность их пересечения в местах поворотов. Однако для таких переходов необходимо предусмотреть специальные защитные футляры из стальных труб, которые должны быть больше номинального диаметра трубопровода как минимум на 200 мм, а также определяемый исходя из условий производства работ и конструкции перехода. Толщину стенки стального футляра следует принимать не менее 1/70 его номинального диаметра, но не менее 10 мм.
Положение трубопровода в футляре фиксируется опорно-центрирующими устройствами с диэлектрическим покрытием, а концы футляра укрываются защитной резиновой манжетой. Также концы футляра должны выводиться на расстояние:
- при прокладке через железные дороги – 50 м от подошвы откоса насыпи или бровки откоса, выемки;
- при прокладке через автомобильную дорогу – 25 м от бровки земляного полотна, но не менее 2 м от подошвы насыпи.
Угол пересечения трубопровода с железными или автомобильными дорогами должен быть 90°, но не менее 60°.
Если температура транспортируемого продукта является положительной, то необходимо предусмотреть мероприятия, исключающие растепление грунта, – теплоизоляцию футляра, устройство двух вытяжных свечей, термостабилизаторы и т.д. Высота вытяжной свечи должна быть не менее 5 м от уровня земли.
Глубина залегания трубопровода, прокладываемого под автомобильной дорогой, должна быть не менее 1,4 м от верха покрытия дороги до верхней образующей защитного футляра [2–7].
Несмотря на соблюдение всех требований нормативно-технической документации, связанных с взаимодействием трубопровода и вмещающих его грунтов, изыскателям, проектировщикам, строителям и эксплуатирующим организациям приходится сталкиваться с разнообразными условиями, которые иногда могут неоднозначно оцениваться с позиций нормативных документов или вовсе нерегламентироваться .
Геокриологические процессы при эксплуатации
При рассмотрении геокриологических процессов стоит обращать внимание на то, в какой зоне проложен трубопровод. Так, имеются районы, северные криолитозоны, в которых вечная мерзлота распространена по всей территории. Однако есть южные криолитозоны, характеризующиеся редкоостровными и спорадическими зонами распространения ММГ. Такие зоны являются источником образования массивных бугров пучения, что еще больше осложняет как проектировку, так и эксплуатацию трубопровода, поскольку смещения относительно проектной оси на данных территориях могут достигать нескольких метров как в сторону, так и по вертикали [8, 9].
В качестве объекта рассматривается подземный переход в северной криолитозонге под автодорогой (рисунок 1), спроектированный с привлечением научно-технического центра компании ПАО «НК «Роснефть» и использующийся повсеместно в компании с 2023 г.
На стальной футляр действуют следующие внешние нагрузки: вертикальное и боковое давление грунта, давление насыпи дороги и давление от проходящего транспорта (рисунок 2). При этом нагрузка от транспорта оценивается как переменная от единичного транспорта.
В процессе эксплуатации подземный переход под автодорогой проседает, как показано на рисунке 3.
Срок эксплуатации перехода составляет четверть срока службы трубопровода. Как видно из рисунка 1, на футляр давит толща дорожной отсыпки, что является дополнительным видом нагрузок, помимо воздействия грунта (рисунок 2). Воздействие отсыпки на футляр приводит с смещению проектной оси трубопровода вниз, что вызывает напряженно-деформированное состояние.
Однако для относительно больших смещений от проектной оси трубопровода должно сложиться воздействие нескольких факторов одновременно, таких как:
- снижение плотности основания;
- вибрации, создаваемые проезжающим автотранспортом;
- массовые характеристики давления на футляр.
Снижения плотности основания обусловлено потерей целостности сложной системы ММГ. В процессе строительства и эксплуатации у объекта исследования был нарушен верхний теплоизолирующий слой в виде различной растительности и плодородного слоя почвы.
В свою очередь, положительная температура транспортируемого продукта по трубопроводу приводит к нарушению термодинамического равновесия системы «ММГ – футляр – трубопровод». Дополнительный объем тепла приводит к образованию ореола оттаивания.
Также в процессе эксплуатации автодороги возникает тепловое загрязнение от автотранспорта и от дорожного полотна, которое имеет высокий коэффициент поглощения солнечной радиации наружной поверхностью (от 0,8 до 0,9), что тоже вызывает растепление грунта и потерю его целостности. Суммарные тепловые воздействия от перечисленных факторов формируют ореол оттаивания ММГ под автодорогой, наглядно прослеживающийся на рисунке 4.
Образовавшийся ореол оттаивания при периодической смене сезонов «лето – зима» является причиной следующих геокриологических процессов:
1. Оттаявшая вода, проникающая в верхние слои почвы, приводит к морозному пучению, что, в свою очередь, является опасным фактором, поскольку такие бугры оказывают выталкивающее воздействие на трубопровод и вызывают напряженно-деформированное состояние. Наступление лета вновь приводит к оттаиванию ММГ, и рельеф вновь изменяется, что вызывает просадку автодороги и трубопровода. Также оттаявшая вода проникает в поры горных пород, что вызывает криогенное выветривание, что тоже приводит к снижению плотности основания.
2. Повышение температурного поля вокруг подземного перехода приводит к морозобойному растрескиванию, что, в свою очередь, вызывает деформации мерзлых пород.
Изменение массовых характеристик, вызванных давлением на футляр от проезжающего автотранспорта и вибрацией, позволило динамически изменять массовые характеристики верхнеобразующего свода над футляром. Под действием массы и вибраций футляр проседал все глубже, что привело к изменению проектной оси трубопровода.
Выводы
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод, что в условиях Крайнего Севера строительство подземных переходов через автомобильные и железные дороги является сложной геолого-технической задачей. При проектировании в условиях данной местности необходимо тщательно проводить инженерно-геологические изыскания, которые будут использоваться для будущих проектов. Однако на практике при соблюдении всех требований проекта возникают непредвиденные факторы, оказывающие негативное влияние на прокладываемый трубопровод, поскольку грунты в условиях Крайнего Севера становятся нестабильными после даже малейшего антропогенного вмешательства. В связи с чем необходимо усиливать контроль за уже эксплуатирующимися трубопроводами и при выявлении отклонений от проекта разрабатывать мероприятия по нивелированию рисков.
В качестве мер по защите ММГ от нарушения естественного температурного режима и последующих геокриологических процессов следует рассматривать методы замораживания и температурной стабилизации грунтов, например системы «ГЕТ» и «ВЕТ», или же использовать сезонно-охлаждающие устройства «СОУ». Выбор метода зависит от индивидуальных особенностей проекта прокладки трубопровода и местности прокладки.
Литература
1. Кузнецов С.К., Бурцев И.Н., Тимонина Н.Н., Кузнецов Д.С. Минерально-сырьевые ресурсы Российского Севера // Известия Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук № 2 (54), 2022, с. 72–82.
2. СП 25.13330.2020 «Свод правил. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».
3. СП 47.13330.2016 «Свод правил. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения».
4. ВСН 014-89 «Ведомственные строительные нормы. Строительство магистральных и промысловых трубопроводов. Охрана окружающей среды».
5. СП 36.13330.2012 «Свод правил. Магистральные трубопроводы».
6. СП 284.1325800.2016 «Свод правил. Трубопроводы промысловые для нефти и газа. Правила проектирования и производства работ».
7. ГОСТ Р 55990-2014 «Национальный стандарт Российской Федерации. Месторождения нефтяные и газонефтяные. Промысловые трубопроводы. Нормы проектирования».
8. Васильчук А.К., Васильчук Ю.К. Особенности инженерных изысканий для строительства трубопроводов в пределах бугристых ландшафтов зоны спорадического распространения многолетнемерзлых пород [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_22768272_18545663.pdf.
9. Бельский С.Г., Чижевская Е.Л., Голик В.В., Халин А.Н., Халин А.Н.,
Земенкова М.Ю. Предиктивное управление параметрами устойчивости подземных нефтепроводов в сложных природно-климатических условиях [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.ru/download/elibrary_50454199_16598336.pdf.
