Штучний холод для півночі
Лужков П.М., Додул П.Ф. - ТОВ «Ямбурггазвидобування»; Мінкін М.А., Гвоздик В.І., Кутвицька Н.Б., Рязанов А.В. - ФГУП «Фундаментпроект»
Район Крайньої Півночі є коморою України. Там є великі запаси золота, алмазів та інших природних ресурсів, але особливо він багатий на вуглеводневу сировину. Розвиток нафтогазовидобувної галузі та підтримка обсягів видобутку вуглеводневої сировини на високому технологічному рівні сьогодні безпосередньо пов'язана з освоєнням важкодоступних територій Крайньої Півночі, одним із перспективних районів якої є Західний Сибір. Однією з особливостей північних територій є суворі кліматичні умови, де температура опускається нижче 50 градусів за Цельсієм, що визначило широке поширення вічномерзлих порід. Їх наявність стала причиною надзвичайно нестійкого інженерно-геологічного середовища, яке швидко реагує на найменше втручання з боку людини. Втручання людини часто було згубним для природи, тому будівництво будівель та споруд у цьому районі на вічній мерзлоті породило безліч проблем. Ґрунти під збудованими будинками стали танути, фундаменти просідати, а будівлі кренитися і руйнуватися. Небезпечні мерзлотні процеси негативно позначалися на стійкості інженерних споруд.
Враховуючи значну віддаленість та складну природну обстановку, витрати на облаштування та експлуатацію північних нафтогазовидобувних об'єктів суттєво зросли. Причому значна частина коштів витрачається забезпечення експлуатаційної надійності інженерних споруд, стійкість яких у першу чергу залежить від надійності їх фундаментів і основ. Відомо, що вартість фундаментів у районах поширення вічної мерзлоти може досягати 70% вартості всієї споруди.
ТомуМайже протягом усього періоду підкорення та освоєння Півночі інженери працювали над створенням економічних та надійних фундаментів. При цьому стояло питання: як зберегти вічну мерзлоту, як зберегти стійкість фундаментів під уже збудованими будівлями та нафтопроводами, як заморозити відтану вічну мерзлоту.
Одним з перспективних напрямків вважається штучне заморожування талих та охолодження мерзлих ґрунтів основ з метою підвищення їх міцності та захисту від розморожування. До піонерів у цій галузі належить Федеральне Державне Унітарне підприємство «Фундаментпроект», співробітники якого мають тридцятирічний досвід роботи над проблемою штучного заморожування ґрунтів. Напрацювання дуже доречні, припали при освоєнні Заполярного газонафтоконденсатного родовища (ГНКМ), розташованого в районі з унікальною за своєю складністю, інженерно-геокріологічною обстановкою, де на невеликих площах, найчастіше в межах однієї споруди, інтенсивно чергуються ділянки з талими, вічномерзлими низькотемпературними ґрунтами. Крім того, з одного боку, наявність льодових грунтів представляла потенційну небезпеку розвитку термокарсту при їх відтаванні, а з іншого боку, існує реальна небезпека морозного пучення грунтів внаслідок їх досить глибокого сезонного промерзання-відтавання.
Вирішити проблему надійності фундаментів у таких складних умовах вдалося за допомогою термостабілізації – штучного заморожування термостабілізаторами талих та зниження температур мерзлих ґрунтів у основі споруд. Для цього у ФГУП «Фундаментпроект» розробили і серійно випускають кілька моделей термостабілізаторів. Термостабілізатор - це пародід кістковий пристрій дляохолодження ґрунтів, що являє собою металеву герметично запаяну, заправлену холодоагентом трубку діаметром від 36 до 57 мм, довжиною від 6 до 10 м і більше, що складається з конденсатора з ребра (надземної частини довжиною в межах 1-2,5 м) і випарника (підземної) довжиною від 5 до 9 м і більше). Робота здійснюється без зовнішніх джерел живлення, тільки за рахунок законів фізики - перенесення тепла внаслідок випаровування у випарнику холодоагенту та його підняття в конденсаторну частину, де пара конденсується, віддаючи тепло, і стікає внутрішніми стінками труби вниз. Як холодоагент у ФГУП «Фундаментпроект» застосовується екологічно нешкідливий, не займистий і вибухобезпечний фреон R22.
На більшості об'єктів Заполярного ГНКМ були застосовані сезоннодіючі термостабілізатори з одним вертикальним конденсатором, функціонування якого відбувається природним чином у зимовий період за рахунок негативних температур повітря, а влітку (при позитивних температурах повітря) переходить у стан спокою внаслідок припинення циркуляції холодоагенту. Ця модель термостабілізаторів використовувалася для охолодження грунтів під спорудами з підпіллями, що вентилюються, висотою більше 1 м, а також у опор естакад трубопроводів. На ділянках, що відрізняються підвищеною снігозносністю, довжина надземної частини термостабілізатора може збільшуватися до 2,5 м і більше.
Вперше для споруд з вентильованим підпіллям висотою менше 1 м, а також з метою збільшення холодопродуктивності було розроблено та застосовано на Заполярному ГНКМ модель сезон недіючого термостабілізатора з подвійним V-подібним конденсатором.
Термостабілізація ґрунтів під спорудами, що не мають вентильованих підпілля, які будували прямо на землі, наприклад підємностями були розроблені термостабілізатори з випарником, вигнутим під невеликим кутом до горизонтальної поверхні, що дозволяє заводити випарник під споруду, залишаючи конденсатор за контуром будівлі.
Спеціально для випадків, коли потрібно здійснювати охолодження ґрунтів і в літній час, була розроблена модель термостабілізатора цілорічної дії, який функціонує в зимовий час, як і сезоннодіючий термостабілізатор, за рахунок природного холоду, а в літній період одягається додаткова насадка, яка здійснює знімання тепла за позитивних температур повітря. Насадка вимагає підключення до зовнішнього джерела електричного живлення, що швидко встановлюється, економічна в експлуатації.
Розроблена у ФГУП «Фундаментпроект» унікальна методика теплотехнічних та деформаційних розрахунків, реалізована у вигляді програмного комплексу, дозволяє вибрати оптимальну схему розміщення та кількість термостабілізаторів.
Результати температурних спостережень виявили високу ефективність застосування термостабілізації. Температури ґрунтів при цьому знизилися в 2-4 рази та забезпечували необхідну надійність фундаментів. Загальний позитивний ефект підтверджувався практично повною відсутністю позаштатних ситуацій через відмову фундаментів на більшій частині інженерних споруд Заполярного ДНКМ, що вигідно відрізняє це родовище від інших об'єктів комплексної забудови у складних умовах. Це стало можливим завдяки реалізації концепції комплексного проектування фундаментів та основ, розробленої ФГУП «Фундаментпроект». Основне положення цієї концепції полягає в тому, що роботи з інженерних досліджень, проектування фундаментів та основ, а також інженерного захисту майданчиків та споруд віднебезпечних процесів, включаючи виготовлення та встановлення термостабілізаторів, здійснювалися б у межах однієї спеціалізованої організації.
Застосування штучного охолодження ґрунтів основ дозволяє суттєво знизити терміни будівництва споруди, а також металомісткість фундаментів за рахунок зменшення довжини та кількості паль. Економічна ефективність нових фундаментів, що розробляються у ФГУП «Фундаментпроект», залежно від типу споруди становить 10—30% порівняно з традиційними. Отриманий досвід є дуже цінним для використання при облаштуванні родовищ Крайньої Півночі, включаючи Ямал.