книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

мышленного освоения (геологоразведка, транспорт, строитель­ ство, эксплуатация объектов).

Это воздействие оказывает прямое и косвенное влияние на составляющие почвенно-растительного покрова.

Прямое воздействие - механическое уничтожение (вытап­ тывание людьми, скотом, повреждение транспортом и земле­ ройной техникой, захламление строительным и бытовым мусо­ ром).

Косвенное воздействие - изменение условий обитания рас­ тений (осушение или обводнение территории, изменение уровня залегания грунтовых вод, уничтожение растительного покрова, загрязнение почвы, активизация биогенных процессов).

При нарушении почвенно-растительного покрова развива­ ются овраги, оползни, эрозия, а на участках с многолетнемерз­ лыми грунтами возникают криогенные явления (термокарст, солифлюкция, пучение, термоэрозия, наледи).

Термокарст - неравномерное проседание или провал поч­ вы и подстилающих ее горных пород вследствие вытаивания из них включений льда. При этом образуются понижения, в кото­ рых скапливается вода, способствующая дальнейшему протаиванию. Термокарст приводит к образованию воронок и впадин разных размеров. Обычно они заняты термокарстовыми озера­ ми.

Солифлюкция - стекание оттаявших грунтов на склонах под действием силы тяжести, движения влаги и др. Солифлюкия особенно активно происходит в конце теплого периода. Иногда образуются оползни.

Пучение - неравномерное увеличение объема промерзающе­ го грунта за счет увеличения объема воды.

Термоэрозия - нарушение пород и вытаивание содержаще­ гося в них льда под тепловым и механическим воздействием поверхностного стока. В результате образуются овражно­ балочные промоины, овраги и балки.

Наледи - образование наслоений льда в результате умень­ шения или перекрытия живого сечения водоносного горизонта.

Причиной проявления криогенных процессов является ме­ ханические нарушения на поверхности и в верхней части зем­ ной поверхности до глубин 5 - 10 м. Это происходит при унич­ тожении или изменении растительного покрова, изменении

Механика мерзлых грунтов н принципы строительства нефтегазовых - 4 1 2 - объектов в условиях Севера

мощности и плотности снега, а также мезо- и микрорельефа ( выемки, насыпи, выравнивание поверхностей). При этом проис­ ходит изменение теплового баланса поверхности. Растительный покров летом предохраняет грунты от перегревания, а зимой - от переохлаждения.

Глубина протаивания после уничтожения растительного покрова увеличивается в 1,5 - 3 раза.

В результате протаивания грунтов происходит образование провалов и разрушений конструкций, уничтожение экосистем, образованием карьеров, отвалов, свалок, лесоповалов, сосредо­ точенных вокруг стройплощадок, трасс дорог и трубопроводов. Например, на Тазовском полуострове, где находятся почти все крупные месторождения газа, площадь отведенных земель и техногенно нарушенных земель составляет всего доли процента (по разным оценкам от 0,2 до 0,5% всей территории), однако, они оказывают глубокое локальное и большое деформирующее воздействие на весь полуостров и поверхностные водотоки, свя­ занные с рассечением территории линейными сооружениями, переносом загрязняющих веществ по воздуху и водотоками на большие площади вниз по течению.

17.1. Требования по охране окружающей среды при про­ ведении строительных работ в зоне ММГ

При выполнении строительно-монтажных работ необходимо строго соблюдать требования защиты окружающей среды, сохра­ нения ее устойчивого равновесия и не нарушать условия землепользовния, установленные законодательством.

Трассовые строительно-монтажные работы должны выпол­ няться преимущественно в зимний строительный сезон при промерзании деятельного слоя на глубину, исключающую разрушение мохово-растительного покрова строительной техни­ кой.

Движение транспортной и строительной техники круг­ логодично допускается только по постоянным дорогам, а в зимний период - по специально подготовленным зимним техно­ логическим дорогам.

При прокладке трубопроводов следует сохранять темпе­

ратурный и влажностный режим вечномерзлых грунтов.

Для предотвращения протаивания вечномерзлых грунтов следует максимально сохранять мохово-растительный покров и восстанавливать его путем высева злаков в пределах нарушен­ ных участков.

При строительстве дорог с грунтовым основанием на вечно­ мерзлых грунтах отсыпку полотна дороги следует осуществ­ лять пионерным способом "от себя", не допуская езды транс­ порта за пределами отсыпанного полотна. Грунт для полотна дороги следует отсыпать непосредственно на моховорастительный покров.

Для предотвращения эрозионных процессов при прокладке трубопровода следует стремиться к сохранению естественной сети местного стока, а в случае ее нарушения следует произ­ водить восстановление стока.

Для предотвращения развития эрозии при необходимости в траншеях на склонах, крутизна которых более 3°, следует уст­ раивать замки из слабо фильтрующего грунта, препятствующие течению воды вдоль траншеи и возникновению эрозионного вы­ носа.

На склонах, лишенных растительности, или с нарушенным растительным покровом следует проводить фиторекультива­ цию - залужение откосов быстрорастущими злаковыми расте­ ниями с развитой корневой системой (овсяница, красная, лисозвост луговой и др.).

При прокладке трубопроводов на склонах (если в этом есть необходимость) должно производиться закрепление откосов в соответствии с требованиями проекта.

При производстве работ в летний период следует приме­ нять строгие противопожарные мероприятия. Не допускать при работе на сухих торфяниках применения открытого огня, не раз­ водить костры и не сжигать порубочные остатки. Разведение от­ крытого огня допускается только в специально оборудованных местах в соответствии с правилами противопожарной безопасно­ сти.

При проектировании и строительстве трубопровода необ­ ходимо учитывать пути миграции животных, максимально со­ хранять районы зимних и летних пастбищ.

Запрещается устраивать складирование труб и материалов,

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 1 4 - объектов в условиях Севера

возводить временные поселки строителей и выполнять другие строительные и вспомогательные работы на участках олень­ их пастбищ.

Для восстановления нормального режима водотоков следует предусматривать:

биологическую рекультивацию речных пойм, нарушенных строительством;

планировку береговых откосов и берегоу!фепление; расчистку русел реки от наносов, вызванных строительными

работами.

Для восстановления нормального гидрологического режима территории и естественного стока поверхностных вод, а также для исключения подпора воды вдоль трассы трубопровода при необходимости в местах переходов трубопровода через естест­ венные препятствия осуществляют строительство водопропуск­ ных сооружений.

Машины и механизмы для Крайнего Севера

Развитие нефтегазового комплекса в Западной Сибири и на Крайнем Севере создали необходимость создания экологически безопасной техники. Одним из определяющих критериев явля­ ется несущая способность грунтов. Так, например, проходи­ мость снегоболотоходов оценивается по сопротивлению верти­ кальному деформированию и сдвигу в горизонтальной плоско­ сти. СКБ Тосстроймашина" установили требования к давлению на грунт транспортного средства с учетом реальной несущей способности почвенно-растительных комплексов арктических и субарктических зон. В частности, 30% поверхности допускает движение техники с давлением до 0,02 МПа, 30% - от 0,02 до 0,04 МПа, 10% - скальные грунты, допускающие движение ко­ лесной техники, 24% поверхности погфыта лесом. Установлено, что лучшие показатели по воздействию на поверхность имеют сочлененные четырехгусеничные машины, у которых большая опорная поверхность с бесшовными ленточными гусеницами и плоскими траками (отечественные и импортные), отечественные болотоход БТ 36Г'Тюмень"(грузоподъемность 36 т, среднее давление 0,033 МПа, ДТ-200М (грузоподъемностью 20т, сред­ ним давлением 0,026 Мпа) и др.

Специалистами Миннефтегазстроя совместно с канадской фирмой "Формост" создан самый мощный в мире снегоболотоход Ямал, способный перевозить по болотистой и заснеженной местности грузы массой 70 т. Высокие транспортные возможно­ сти и большая грузоподъемность делают его идеальным средст­ вом для трубопроводного строительства. На нем можно размес­ тить грузоподъемные устройства, экскаваторное и сварочное оборудование. Давление на грунт полностью погруженного вез­ дехода не превышает 0,04 МПа. Нагрузка на грунт в 2 -3 раза ниже, чем трубоукладчика "Катерпиллер 594Н и Комацу Д 355С-3 [50].

Сохранению поверхностного слоя тундры и лесотундры способствует применение роторных экскаваторов. В настоящее время созданы роторные траншейные экскаваторы типа ЭТР 254 различных модификаций. Экскаватор разрабатывает траншеи глубиной 2,5 и 3 м под трубопроводы диаметром 1220, 1420 мм. Экскаватор ЭТР 307 для траншей в вечномерзлых грунтах се­ чением 3,1 3,1 м за один проход. Причем, при массе в 160 т, имеет давление на грунт до 0,1 МПа.

Индустриализация нефтегазового строительства

При строительстве объектов НТК широко применяется комплексно-блочный метод. Многие промышленные и социаль­ но-бытовые полностью изготовляют на базах, расположенных в промышленно развитых центрах, в заводских условиях, а затем отдельными блоками доставляют на место там монтируют. Это позволяет вдвое снизить занятость строителей, сокращается временный отвод земель и значительный природоохранный эфект. Заводскую готовность объектов можно довести до 90%. На площадке его устанавливают и подключают. За рубежом из­ готовляют суперблоки массой до 2000 т. У нас планируется до­ вести до 1000т. Ограничения обусловлены возможностями транспортировки суперблоков. Трубы на трассу тоже доставля­ ют из двухтрехтрубных секций, сваренных на трубопрводных базах. Там же на трубы наносятся изоляционные покрытия, тру­ бы покрывают специальными защитными покрытиями из поли­ меров, керамики и др.

БКУ и суперблоки перевозят по воде на блок-понтонах, а последующую транспортировку по суше на специальном

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 4 1 0 - объектов в условиях Севера

транспорте или по специально подготовленным снеголедовым дорогам. Для этого разработана специальная технология строи­ тельства спецзимника продленного срока действия, позволяю­ щая использовать его для провозки суперблоков до июля - авгу­ ста включительно.

Для предохранения тундры от разрушения под основание спецзимника намораживают плиту из льда. Подзаряд плиты хо­ лодом вечной мерзлоты снизу и термоизоляция сверху снежной насыпью позволяют сохранить такой зимникна большую часть теплого периода.

Для установки БКУ необходимы надежные основания. Для них используются свайные фундаменты и сборные ростверки. Технологии опробированы на Уренгое, Медвежьем и Ямбурге и применяется на Ямале.

Средняя температура ММГ на севере полуострова Ямал со­ ставляет (-5) - (-6)° С, а на повышениях еще ниже. Толщина снежного покрова редко превышает 0,4 - 0,5 м. Естественное протаивание составляет 0,3 - 0,7 м Но если удалить снеговой покров, то за 2,5 - 2 месяца удается понизить температуру грун­ та с -6 до -18° С на глубину до 2 м. Сверху промороженной площадки покрывают земляной насыпью выше линии снегового покрова. Такие основания обеспечивают интенсивный конвек­ тивный теплообмен в течение долгой зимы. Такие основания летом растепляются на 0,1 0,3 м и надежно удерживают в своем теле сваи.

Для предотвращения разрушения оснований их покрывают структурообразующими составами ("Универсин", латекс), по­ лимерным армированием (пленками или растворами) и т. п. Ме­ тод получил название "поднятие уровня в тело основания", он широко применяется на Крайнем Севере.

Другим методом защиты мохорастительного слоя на за­ страиваемой площади с помощью мерзлых торфяных грунтов укладываемых сверху основания под земляную насыпь. В каче­ стве армирующих конструкций широко используют нетканые синтетические материалы (НСМ), хорошо фильтрующие влагу и удерживающие тонкодисперсные грунты в теле основания.

Для погружения свай производят бурение скважины для по­ гружения в нее сваи.

Применяются специальные сваи. Они снабжаются теплооб­ менными устройствами (термосифонами), или имеют непрово­ дящие перемычки в теле. При исключении теплообмена сваи надежно удерживают объекты в теплый период, не растепляя нижележащего мерзлотного основания и не вызывая процессов пучения.

Иногда объекты утанавливают на безсвайные регулируемые опоры. Большая площадь опоры надежно удерживается грунто­ вым основанием, исключает теплообмен с толщей основания, а возможность регулировки опоры позволяет ликвидировать про­ садки подсыпкой.

Высокая льдистость и низкие среднегодовые температуры определяют необходимость строительства с обеспечением со­ хранности мерзлого состояния пород в основании сооружений и на прилегающей территории (принцип I).

В связи с этим необходимо соблюдать следующие условия: все строительно-монтажные работы должны проводиться в

зимнее время; строительство объектов должно вестись на насыпных грун­

тах, отсыпку которых необходимо проводить в зимнее время; для дополнительной изоляции грунтов от протаивания ис­

пользуются опилки, войлок, искусственные изоляционные мате­ риалы (пенопласт, пенополистирол и др.);

опережающее строительство дорог по отношению к другим объектам;

все здания строятся на свайных основаниях, без подвалов, с холодными подпольями;

все линейные коммуникаций (водопроводы, канализацию, газопроводы) желательно прокладывать надземно на свайных опорах в теплоизоляции;

для движения по тундре должна применяться техника с ма­ лым давлением на грунт (на воздушной подушке и др.);

Методы рекультивации нарушенных земель

В ходе исследований установлено, что не проведение свое­ временно работ по восстановлению приводит к росту площадей нарушенных земель в объеме 1 0 - 25% в год за счет активизации эрозионных и криогенных процессов. После прекращения тех­

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -4 1 8 - объектов в условиях Севера

ногенного вмешательства процесс роста ущерба активно про­ должается 5 - 1 0 лег. Это приводит к росту общего ущерба в 3 - 10 раз. Самовосстановление земель происходит в худшем каче­ стве, например, ягельники не самовосстанавливаются.

Рекультивация земель - это комплекс работ, направленных на восстановление продуктивности и народнохозяйственной ценности нарушенных и загрязненных земель, а так же на улуч­ шение условий окружающей среды.

Цели рекультивации:

предотвращение или нейтрализация карстовых процессов, эрозии, оползней солифлюкции и др;

восстановление естественного поверхностного стока и дре­ нажной сети, предотвращение подтопления и заболачивания;

сохранение температурного режима многолетнемерзлых грунтов (в криолитозоне);

восстановление коренной растительности или антропоген­ ных фитоценозов, предотвращение опустынивания;

сохранение мест обитания местной фауны, восстановление путей миграции животных, рыб и птиц.

Рекультивации подлежат:

трассы трубопроводов по всей полосе отвода, проектной и фактической

территории временных поселков и баз строителей после их демонтажа, площадки буровых;

нарушенные участки временных дорог, проездов, зимников, внедорожных проездов;

территории вокруг наземных сооружений НТК, в том числе наземных и надземных трубопроводов, других инженерных коммуникаций;

береговые участки в местах переходов трубопроводов, до­ рог через водные объекты, понижения, где нарушены естествен­ ные водотоки;

прочие нарушенные строительством или хозяйственнобытовой деятельностью территории, в том числе загрязненные производственными и бытовыми отходами, нефтепродуктами и др.

Основные технические решения и затраты должны быть предусмотрены в рабочих проектах.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -420 - объектов в условиях Севера

кусственных (пенопласт, воздушная пена алкилсульфата натрия, карбомидный пенопласт и др.) теплоизоляционных материалов.

Широко используют методы охлаждения грунта с помощью специальных устройств (термосвай), заполненных жидкостью с температурой замерзания ниже нуля градусов. В зимний период в результате циркуляции происходит отвод тепла и заморажива­ ние грунта. В летнее время циркуляция автоматически прекра­ щается и установка "запирается".

Биологический этап включает комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы.

Биологический этап выполняется после завершения техни­ ческого этапа и заключается в подготовке почвы, внесении удобрений, подборе трав и травосмесей, их посеве и уходе за посевами.

Биологический этап направлен на закрепление поверхност­ ного слоя почвы корневой системой растений, создание сомкну­ того травостоя и предотвращение развития водной и ветровой эрозии почв на нарушенных землях.

Травы местного происхождения более приспособлены к ме­ стным почвенно-климатическим условиям, поэтому более ус­ тойчивы к неблагоприятным воздействиям.

Высеваемые травы должны обладать способностью быстро создавать сомкнутый травостой и прочную дернину, устойчи­ вую к смыву и выпасу скота, быстро отрастать, после скашива­ ния.

Перед проведением биорекультивации нарушенных земель на кислых почвах предварительно проводят мелиоративные ме­ роприятия, в том числе известкование почв.

Для известкования почв рекомендуется применять молотый известняк (известковая мука), известковый туф (ключевая из­ весть), торфотуф.

Вначале проводится пробный посев трав для оценки оста­ точной фитотоксичности почвы и интенсификации процессов биодеградации нефти и улучшения агрофизических свойств почвы.

Перед пробным посевом трав проводится вспашка (на глу­ бину загрязнения), рыхление и дискование. В подготовленную