Вечномерзлые или, точнее, многолетнемерзлые грунты занимают более половины территории России, а их чрезвычайное многообразие и легкая ранимость приводят к столь значительным затруднениям в устройстве и эксплуатации зданий и сооружений, что очень многие из них оказываются в аварийном состоянии даже на стадии строительства. Ситуация, кроме того, обостряется прогнозируемым глобальным потеплением климата, что обязывает уже теперь обеспечивать надежность сохранения мерзлого состояния грунтов оснований при наступлении подобных отрицательных воздействий. Созданы эффективные, надежные и экономичные устройства, обеспечивающие устойчивость мерзлого состояния грунтов за счет использования естественного холода: горизонтальные трубчатые системы замораживания и температурной стабилизации грунтов - системы «ГЕТ», вертикальн6ые трубчатые системы замораживания - системы «ВЕТ» и индивидуальные сезонно действующие охлаждающие устройства - СОУ- термостабилизаторы.
Системы «ГЕТ» позволяют строить крупные здания и сооружения с полами по грунту шириной до 100 м, что очень важно при наличии больших нагрузок на полы. Это справедливо при сливающемся характере мерзлоты. При несливающейся мерзлоте, когда кровля грунтов расположена на глубине 5-10 м. и более, применяется система «ВЕТ», в процессе строительства промораживающая грунты основания до уровня сливающейся мерзлоты.
Обе системы уникальны, имеют много разновидностей, применяются совместно и в отдельности, экономят до 50 % капвложений на нулевом цикле, совместимы с холодильными машинами. Еще в 1991 году на Международной конференции в Норильске они были признаны самым перспективным техническим решением в условиях глобального потепления климата.
СОУ-термостабилизаторы в значительной мере усовершенствованы по сравнению с продукцией других предприятий: менее металлоемки и более эффективны за счет промораживания только заданных горизонтов и ускоренного запуска.
Термостабилизаторы одинаково работоспособны при любом угле наклона - от 0 до 90.град. Они применяются как для увеличения несущей способностей фундаментов, так и для борьбы с выпучиванием свай, не боятся ударов сверху при погружении в грунт и абсолютно надежны в отношении герметичности.
Примерно 40% от общего объема работ на многолетнемерзлых грунтах приходится на новое строительство, еще столько же – на укрепление грунтов оснований в целях устранения аварийных ситуаций, оставшиеся 20% - научные разработки по совершенствованию проектных решений.
Работы ведутся на различных месторождениях Тюменской области: Харасавейском, Бованенковском, Уренгойском. Юбилейном, Ямбургском, Заполярном, Сандибинском, Самбургском, Яро-Яхинском; Хаканжинском, – близ Охотска, Барун-холба – в Иркутской области, Западно-Заозерном на Чукотке, на объектах железной дороги Обская – Бованенково, в Салехарде, Надыме, Лабытнангах, поселках Тазовский, Газ-Сале. Яр-Сале, Аксарка.
В настоящее время данные работы оказались востребованы в краю алмазодобытчиков – Мирном, Айхале, Удачном (республика Саха), и других городах и поселках. Здесь широко применяются ранее апробированные технические решения на промышленных, гражданских и жилых зданиях, находящихся в аварийном состоянии, а также глубинное промораживание грунтов (до 100 м.) в теле плотины. Причем, по глубинному промораживанию имеются уникальные разработки.
Большое внимание уделяется качеству выпускаемых изделий, которые подвергаются тщательному контролю, что гарантирует надежность в эксплуатации.
Для сварки труб малого диаметра применяется исключительно автоматическая сварка вращающейся дугой (СВД), разработанная в Киевском институте им. Патона, которая постоянно совершенствуется. Для этих целей используются как стационарные установки, так и передвижные на автомобилях повышенной проходимости. При этом сварочная головка на передвижных установках может удаляться от автомобиля на 50 м., что позволяет вести автоматическую сварку систем «ГЕТ» и «ВЕТ» на зданиях любой ширины. Все установки СВД сейчас оснащены приборами компьютерного контроля режимов и результатов сварки. В результате сварщик оператор незамедлительно после сварки получает ответ о годности или негодности сварного соединения, что очень важно для оперативной сварки труб работающих под давлением.
Все выпускаемые СОУ-термостабилизаторы и все охлаждающие трубы систем «ГЕТ» и «ВЕТ» свариваются вышеописанной автоматической сваркой, что гарантирует их герметичность и надежность в работе.
Компьютерный контроль автоматической сварки труб методом СВД позволил разработать новую технологию изготовления и монтажа индивидуальных СОУ-термостабилизаторов и систем «ВЕТ» в ограниченных пространствах типа проветриваемого подполья. Эта технология, сейчас используется для устройства систем замораживания грунтов оснований под существующими зданиями.
Кроме замораживания и температурной стабилизации грунтов оснований ведутся работы по устройству буроинъекционных свай и подфундаментной инъекции. Буроинъекционные сваи совместно с инъекцией или без нее применяются в самых разнообразных специфических случаях: для усиления фундаментов при аварийных ситуациях; при устройстве перекрытий, пристроек, надстроек; при устройстве фундаментов вблизи существующих зданий, исключающих применение сваебойной техники и т.д.
С помощью буроинъекционных свай была усилена несущая способность фундаментов двух жилых домов в г. Нефтеюганске (один дом с ленточным фундаментом, другой – со свайным); восстановлены фундаменты под оборудование в котельной пос. Коротчаево (новообразование мерзлоты в период строительства и осадка фундамента после начала эксплуатации); построены фундаменты для ряда пристроек в г. Тюмени, в том числе для подкрановой эстакады на промбазе и цехового перекрытия.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СТРОИТЕЛЬСТВО
И РЕМОНТ ОСНОВАНИЙ ЗДАНИЙ И ПРОМЫСЛОВЫХ
СООРУЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ММП
Основными районами строительства зданий и сооружений на вечномерзлых грунтах по замораживанию и температурной стабилизации грунтов оснований, явились месторождения Уренгойское, Медвежье, Харасавэй, Ямбургское, Юбилейное, Заполярное, Сандибинское и месторождение Хаканджинское близ Охотска, а также г. Салехард и Лабытнанги (включая станции Обская, Паюта, поселки Аксарка, Катравож, Яр-Сале), города Надым и Мирный.
При этом объемы работ распределялись следующим образом: 40 % - в новом строительстве с выполнением этапов проектирования, строительства и наблюдений; 60 % - в исправлении ошибок проектировщиков и строителей, обнаруживающихся в ходе или по окончании строительства зданий и сооружений, а также в устранении аварийных ситуаций на действующих объектах, возникающих по разным причинам.
Во всех этих случаях имеется в виду использование грунтов оснований по I принципу или переориентация на I принцип, а в качестве охлаждающих инструментов - индивидуальные сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ) - термостабилизаторы, системы «ГЕТ» и системы «ВЕТ», применяемые как в сочетании с проветриваемым подпольем, так и без него.
Технические решения позволяют эффективно строить здания любых размеров с полами по грунту, с проветриваемым подпольем обеспечивать первоначальное промораживание грунта с гарантией отсутствия выпучивания свай при несливающемся характере мерзлотных условий, эффективно бороться с выпучиванием свай на любых грунтах. Различное сочетание этих систем и их модификаций насчитывает десятки вариантов, что позволяет решать любые задачи строительства ремонта и устранения аварийных ситуаций.
Самое серьезное внимание обращается на качество монтажных работ и обеспечение надежности систем температурной стабилизации грунтов оснований.
Так, например, применение автоматической сварки стальных труб вращающейся дугой (СВД) и компьютерного контроля качества сварки повысило и качество работ. С помощью автоматической сварки мы ведем монтаж систем «ГЕТ» и «ВЕТ», а также установку СОУ - термостабилизаторов в сложных условиях.
В процессе ремонтных работ на основаниях и при устранении аварийных ситуаций на зданиях и сооружениях основные проблемы связаны с тем, что наличие фундаментов, перекрытий, полов, оборудования создает серьезные ограничения для выбора средств и способов замораживания грунта. При этом материалов изысканий, как правило, явно недостаточно (или отсутствуют), а время для принятия мер ограничено. Кроме того, исполнительная документация по фундаментам тоже часто отсутствует или не соответствует действительности (особенно после подрезки свай при их выпучивании). Поэтому проектирование таких работ приходится сознательно вести в основном в условиях «недостаточной информации».
Интересен также анализ причин, по которым создаются аварийные или пред аварийные ситуации, и конкретных технических решений по их устранению.
Так, при строительстве нового здания Салехардского аэровокзала запроектированного вначале по второму принципу, к концу возведения коробки здания под половиной его была обнаружена мерзлота, оттаивать которую было нельзя. Другими словами, здесь была ошибка изысканий. Здание было перепроектировано на первый принцип, устроено полузаглубленное подполье, в талой части основания установлена система ВЕТ (бурение и установку вертикальных охлаждающих труб производили с перекрытия первого этажа, конденсаторные блоки разместили на расстоянии 60 м от здания), по внешнему периметру здания установили индивидуальные СОУ - термостабилизаторы. Грунты основания проморожены за первый же зимний сезон после устройства системы (1998-1999 г.г.).
При обустройстве Юбилейного месторождения на цехе ТЭГ'а строителями не была выполнена продувка свай холодным воздухом, предусмотренная проектом. В связи с этим на талых грунтах в осях 10...18 после устройства перекрытия над полузаглубленным подпольем и установки оборудования (в том числе тяжелых колонн) свайные фундаменты стали претерпевать неравномерную осадку.
Было предложено проморозить грунты основания системой «ВЕТ». Все работы были выполнены за четыре месяца от начала проектирования до окончания монтажа и закончены к началу зимы 1999-2000 г.г. При этом бурение и установка вертикальных охлаждающих труб производилось с перекрытия подполья без демонтажа оборудования, а обвязка труб - в тесных условиях необорудованного подполья. Грунты основания были проморожены до твердомерзлого состояния в первую же зиму. Однако один угол здания у заказчика вызывал опасения, так как грунты основания здесь были проморожены слабее других участков из-за недостаточно полных данных о их состоянии на период проектирования. В конце лета 2000 г. (август-сентябрь) была подключена к системе «ВЕТ» размещенной на этом опасном участке, передвижную холодильную машину без смазки цилиндров и благополучно «довело» твердомёрлое состояние грунтов здесь до начала нового зимнего периода.
На Ямбургском месторождении все производственные здания промзоны (в основном 36x60 и 36x72 м) были построены с полами по грунту, воздушной системой их замораживания и температурной стабилизации (первый принцип). Воздушная система состояла из поперечных труб диаметром 325 мм, соединенных коллекторами по бокам здании и функционировала очень слабо. В связи с этим, несмотря на относительно хорошие грунты, к 1995 г. стали наблюдаться просадки полов и деформации колонн. Здесь мы усматриваем ошибки проектировщиков:
1) не рассчитана гидродинамика каналов;
2) не учтено, что ежегодно накапливаемый лед в каналах должен обязательно таять летом, а влага удаляться.
Было принято решение заменить воздушные системы системами «ГЕТ». На первых четырех зданиях использованы «чистые» системы «ГЕТ». При этом снимались полы, устраивались охлаждающие трубы диаметром 25...42 мм и теплоизоляция (в одном здании с тяжелым станочным оборудованием охлаждающие трубы разместили в трубах воздушной системы, т.е. без демонтажа оборудования и полов). При дальнейшей работе на других зданиях появилась опасность выпучивания свай, поэтому систему «ГЕТ» стали дополнять системой «ВЕТ» и индивидуалыми СОУ - термостабилизаторами.
На Ямбургском складе ГСМ проявилось техногенное воздействие на грунты основания девяти РВС-5000. Резервуары получили деформации осадки, максимальное значение которых достигало 1030 мм, а максимальный перепад осадок на одном резервуаре составлял 585 мм, при этом резервуары эксплуатировались холодными. Для замораживания грунтов оснований на этих РВС-5000 использованы индивидуальные термостабилизаторы, размещенные вертикально и под углом 45° по периметру резервуаров.
На Уренгойском месторождении проявилось техногенное воздействие на свайные опоры технологических трубопроводов (УКПГ 1АС; УКПГ 7,9,11,12,13), подвергающиеся выпучиванию. Использовано противопучинное промораживание индивидуальными СОУ - термостабилизаторами по данной методике.
В Надыме на «сплошной мерзлоте» были построены два пятиэтажных жилых дома. Фундамент - свайный, сваи – длиной 12 м, под домами - теплые подвалы. В результате воздействия теплых подвалов и пролива горячей воды из системы отопления при отсутствии хорошей гидроизоляции началась неравномерная осадка свай и крен одного из домов. На наш взгляд, здесь ошибки проектирования дополнены некачественными строительством и эксплуатацией. Здесь использовались индивидуальные СОУ - термостабилизаторы длиной 14,5 м по периметру зданий и индивидуальные СОУ - термостабилизаторы специальной конструкции, монтируемые в подвале с помощью передвижной установки автоматической сварки методом СВД и выводом конденсаторной части за пределы здания. В результате температурное поле грунтов основания восстановлено за два зимних периода.
Таким образом, на практике мы наблюдаем все возможные причины нарушения несущей способности оснований при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений. Добавив к этому текущее потепление климата, приходим к выводу, что кроме ужесточения мониторинга и дисциплины проектирования, строительства и эксплуатации необходимо развитие эффективных средств и методов замораживания и температурной стабилизации грунтов оснований, применимых как в новом строительстве, так и при ремонтных работах.
В новом строительстве для использования технических решений, эффективных при строительстве оснований и фундаментов и надежности эксплуатации, существуют три основные проблемы:
1.Необходимы инструктивные материалы для проектирования оснований и фундаментов на ММП, которые регламентировали бы строительство зданий и сооружений с полами по грунту в одних случаях и проветриваемым подпольем - в других, а также применение систем «ГЕТ» и «ВЕТ» (резервуары, здания с полами по грунту) и индивидуальных СОУ термостабилизаторов.
2.Здания и сооружения с полами по грунту и системами «ГЕТ» и «ВЕТ» получаются дешевле проветриваемого подполья. Поэтому некоторые строительные организации неохотно воспринимают такие решения так как при этом у них снижаются объемы по нулевому циклу, и стараются их избежать. Вышеупомянутые инструктивные материалы здесь тоже необходимы, обязательные к применению.
3.Возведение качественной насыпи для зданий и сооружений с полами по грунту обязательно. Однако, как правило, или не готовы строители или не согласованы сроки проектирования и строительства, в результате про чего происходит спешка при строительстве оснований и фундаментов. Мы полагаем, что необходимо опережающее строительство оснований и фундаментов для зданий и сооружений как с полами по грунту, так и с проветриваемым подпольем. При этом в течение одного сезона промораживаются грунты основания до требуемой температуры, качественно уплотняется насыпь, не допускается выпучивания свай и пучения полов.