Прокладка трубопровода в вечномерзлых грунтах представляет собой сложную задачу и требует комплексного подхода, учитывающего структуру грунта, особенности методов строительства, температурные характеристики грунта и транспортируемой воды.
Главным фактором, определяющим особенности мерзлых грунтов, как природных образований, при использовании их в качестве оснований зданий и сооружений, является наличие в них льда.
Термодинамические процессы, происходящие в период эксплуатации трубопроводов, оказывают влияние на грунты. Присутствующая в порах грунта вода при понижении температур превращает грунт в твердую субстанцию, в которой образующийся лед выполняет функцию связующего. В результате вспучивания грунта (морозного пучения) может наблюдаться неравномерный подъем грунтового массива вдоль трассы трубопровода.
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 вечномерзлых 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 мерзлого состояния в талое. Сезонное и многолетнее промерзание и оттаивание горных пород в сочетании с их составом вызывают широкое развитие криогенных явлений.
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.
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 поперек траншеи, и подземные эстакады. При этом сложность, трудоемкость и дороговизна данных методов не позволяют считать их рациональными решениями. Более простым, но не менее надежным методом считается устройство грунтового основания.
Замена грунтов проводится на глубине расчетного 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.
Способ надземной прокладки находит все большее применение, однако его рекомендуют применять вне населенных 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 многолетнемерзлым грунтом. Вследствие этого трубопроводы надземной прокладки на сезонно оттаивающих грунтах испытывают неравномерную осадку опор, что отражается на надежности и безопасности их эксплуатации.
Для непросадочных грунтов основания самым простым и дешевым 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 легких 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.
К современным техническим решениям конструкции опор можно отнести специальные опоры, снабженные трубчатыми системами, противодействующими промораживанию почвы, ее пучению и сейсмической активности, что не может гарантировать безаварийную эксплуатацию трубопроводов.
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 удаленности 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 жесткой 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. Но в качестве недостатка наземной прокладки следует отнести загромождение территории и увеличенную снегозаносимость трассы трубопровода.
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 объемом.
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 счет 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.
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.