Инженерно-геокриологический мониторинг объектов на многолетнемерзлых грунтах

Многолетний опыт строительства и эксплуатации дорог, жилых и промышленных зданий, инженерных сооружений в криолитозоне, к сожалению, не избавляет нас полностью от многочисленных случаев деформаций этих объектов, иногда аварийного характера, связанных с криогенными процессами и явлениями.

Дополнительную напряженность ситуации вызывает прогнозируемое на ближайший период времени многими учеными и специалистами глобальное потепление климата, что обязывает уже сейчас обеспечивать надежность сохранения мерзлого состояния грунтов оснований при наступлении подобных отрицательных воздействий.

В связи с этим защита территорий от опасных криогенных процессов и явлений, надежность эксплуатируемых объектов, в первую очередь – их оснований, и экологическая безопасность окружающей природной среды должны быть обеспечены на всех стадиях формирования и функционирования геотехнических систем (ГТС), состоящих из совокупности взаимосвязанных и взаимовлияющих природных объектов и технических сооружений, прямо связанных друг с другом, когда функционирование технического объекта в значительной степени зависит от природного, и наоборот [11].

Поэтому проблемы повышения надежности эксплуатации и экологической безопасности нефтегазовых объектов и снижения несущей способности грунтов основания вследствие их растепления по причинам деградации мерзлых пород в процессе эксплуатации автодорог, мостов, нефтегазопромысловых зданий и сооружений, построенных традиционными методами на ММГ, становятся в ряд актуальных и своевременных. В этих условиях значительно повышается роль инженерно-геокриологического мониторинга как критерия надежности и безаварийной эксплуатации геотехнических систем в криолитозоне. Проведенные нами исследования архивов климатических факторов, оказывающих отепляющее воздействие на изменения фактических значений климатических показателей в сравнении с нормативными значениями за период с 2002 по 2016 год, показали существенное их изменение в сторону потепления. По результатам исследований зафиксировано значительное повышение температур воздуха, количества осадков, температур поверхности почвы относительно нормативных показателей, заложенных в Сводах правил. Исследования продемонстрировали и тот факт, что существующая в настоящий момент нормативная база не является определяющей, необходимой и достаточной и не гарантирует экологическую безопасность нефтегазопромысловых объектов и инженерных сооружений в криолитозоне.

Все это наглядно подтверждает необходимость разработки и выполнения программ систематического инженерно-геокриологического мониторинга геотехнических систем, находящихся в криолитозоне.

Одним из разделов системы мониторинга является измерение температур грунтов в геостационарных термокаротажных скважинах.

Наше предприятие производит геомониторинг в ходе геокриологических и инженерно-экологических изысканий, в период строительства и авторского надзора, а также в процессе эксплуатации (на протяжении всего жизненного цикла объекта).

ООО НПФ «Дорцентр» принимал участие в проектировании многих объектов, на которых (в той или иной степени) производился инженерно-геокриологический мониторинг (см. Основные объекты ООО НПФ «Дорцентр»).

ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ООО НПФ «ДОРЦЕНТР»

Нефтепровод «Восточная Сибирь – Тихий Океан»;

Железнодорожная линия «Полуночная –Обская – Салехард» и «Салехард – Надым» (440 км);

Автодорога Тюмень –Тобольск – Сургут – Надым –Салехард» (291 км);

ВЛ220 кВ Уренгойская ГРЭС – Мангазея №1,2 (220 км);

Железнодорожная линия «Обская – Бованенково»;

Газопровод «Бованенково – Ухта»;

Обустройства нефтегазовых месторождений Западной Сибири – Вынгапуровского, Пур-Пе, Бованенковского, Самотлорского, Таллинского, Мамонтовкого, Приразломного, Приобского, Тарасовского, Харампурского, Муравленковского и др;

Линейные объекты компаний «Газпром», «РАО ЕЭС» и «Транснефть»;

Совмещенный мостовой переход через р.Обь в районе г.Салехарда с пролетными строениями под железнодорожное и автодорожное движение. Общая протяженность перехода 8,85 км, в т.ч. мост 2,45 км;

Совмещенный мостовой переход через р.Надым на 991 км L=3,45 км;

Автодорога Салехард-Аксарка;

Завод ОАО Ямал СПГ.

Организация геотехнического мониторинга

Структуру ГТМ, выстроенную на предприятии, составляют две основные системы: слежения и управления (рис. 1).

Первая система состоит из блоков сбора и компьютерной обработки полученной информации, вторая – из трех взаимосвязанных блоков: анализ информации, прогноз ситуации и реализация принятых на основе прогноза решений по обеспечению эксплуатацион­ной надежности объектов [5].

Рис. 1. Структура ГТМ, выстроенная в ООО НПФ «Дорцентр»

Блок сбора информации включает все указанные выше данные. В блок компьютерной обработки информации входят базы данных для накопления и хранения исходной и мониторинговой информации, программы обработки данных мониторинга, материалы инженерных изысканий.

Блок анализа информации предназначен для оперативной оценки изменений инженерно-геокриологической обстанов­ки и их влияния на устойчивость объектов и экологическую устойчивость.

Блок прогноза ситуации на основе данных мониторинга прогнозирует вероятные изменения инженерно-геокриологических условий и устойчивости объектов, что позволяет своевременно предотвращать критическое состояние природной среды и недопустимые деформации инженерных объектов.

Для разработки и осуществления необходимых мероприятий по поддержанию эксплуатационной пригодности сооружений и устойчивости геокриологической среды используется блок реализации мониторинга.

ГТМ начинается в дoстроительный период, когда проектируется и формируется наблюдательная сеть для фоновой оценки геокриологической обстановки. Результаты мониторинга в этот период служат исходными данными для оценки изменений, которые будут происходить при строительстве и эксплуатации объектов.

В строительный период проводится организация наблюдательной сети и выполняются наблюдения на строящихся объектах. Данные мониторинга в этот период оперативно представляются службам авторского надзора и другим органам, осуществляющим контроль за ведением строительных работ и экологической безопасностью территории.

В начальный период эксплуатационного периода (первые 3-5 лет) взаимодействие сооружений с природной средой происходит наиболее активно, возможны существенные изменения геокриологической обстановки и деформации сооружений.

В этот же период может быть оценена эффективность используемых способов инженерной подготовки территории, стабилизации температур­ного режима грунтов оснований, природоохранных и других мероприятий.

После 3-5 лет эксплуатации сооружений (основной период), наступает относительное динамическое равновесие в системе сооружение-природная среда, или за это время принимаются соответствующие меры для поддержания стабилизации природной обстановки и устойчивости сооружений.

Развитие опасных геокриологических процессов и деформаций сооружений в этот период могут произойти либо из-за грубых нарушений условий эксплуатации, либо в результате значительных изменений природных процессов (например, глобального потепления климата).

В связи с этим, наибольший объем наблюдений должен выполняться в начальный период эксплуатации, а затем наблюдения могут быть сокращены или сосредоточены на наиболее опасных участках сооружений. Данные мониторинга в эксплуатационный период представляются эксплуатирующей организации. На основе этой информации принимается решение о внесении изменений в режим эксплуатации объектов или о необходимости дополнительных мероприятий для обеспечения безопасного функционирования сооружений и сохранения природной среды.

Согласно СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 [12], в любом проекте оснований и фундаментов зданий и инженерных сооружений, возводимых на ММГ, в системе натурных наблюдений за состоянием грунтов оснований и фундаментов должно быть предусмотрено обязательное проведение регулярных измерений температуры грунтов как в процессе строительства, так и в период эксплуатации сооружения.

Количество, глубина и размещение необходимых для проведения мониторинга температур грунтов наблюдательных термометрических скважинах (ТС), то есть термометрического мониторинга, его программа и программа режимных наблюдений, в том числе, и за осадками зданий, определяются разрабатываемыми на нашем предприятии проектами инженерно-геокриологического мониторинга и программами режимных наблюдений за объектами, учитывающими назначение, степень ответственности и линейные размеры строящихся дорог, зданий и сооружений. Для этих целей также в полной мере должны использоваться результаты анализа инженерно-геологических изысканий, генплана застройки территории и особенностей теплового взаимодействия зданий, сооружений, трубопроводов и грунтов их оснований.

Измерения температуры грунтов должны выполняться в заранее подготовленных и выстоянных термометрических скважинах (ТС), переносными или стационарными термоизмерительными комплектами, представляющими собой гирлянды электрических датчиков температуры с соответствующей измерительной аппаратурой или гирлянды «заленивленных» ртутных термометров. Температуру мерзлых, промерзающих и протаивающих грунтов следует выражать в градусах Цельсия с округлением до 0,1°С [13, 14].

В ООО НПФ «Дорцентр» измерения температуры грунтов в сети ТС, пробуренных на территории объекта, производят с помощью комплекса, состоящего из многозонного цифрового датчика температуры МЦДТ 0922 и многоканального портативного контроллера цифровых датчиков ПКЦД-1/16, в соответствие с требованиями ГОСТ 25358-2012 Грунты. Метод полевого определения температуры.

Эти измерения проводятся преимущественно специально обученным персоналом с ведением соответствующего журнала. Периодичность этих измерений, как правило, следующая: в первый год эксплуатации объектов - ежемесячно, с интервалом по глубине не менее 1 м; в последующие годы – 3-4 раза в год, соответственно в середине зимы и в конце летнего периода.

Примеры из практики

Более подробно продемонстрируем нашу работу по инженерно-геокриологическому мониторингу на примере следующих последних проектов.

Для объекта «Многоквартирные жилые дома в квартале № 3 г. Салехард» была разработана программа геотехнического мониторинга, включающая в себя (в том числе) программу наблюдений за осадками зданий. Здесь мы впервые заложили в сеть геомониторинга наблюдения за кренами всех пяти зданий. Кроме того, в проекте Первого пускового комплекса (первой очереди строительства) заложено:

- Изготовление и установка грунтовых реперов - 4шт.

- Изготовление и установка закрепительных знаков - 4шт.

- Изготовление и установка высотных деформационных марок – 75шт.

- Изготовление и установка плановых марок - 10шт.

- Колонковое бурение скважин, кол-во/глубина - 18шт/17м

- Обустройство термометрических скважин - 18шт.

- Устройство метеостанции, снегомерного поста- 1шт.

На весь объект в схему геомониторинга заложено 96 стационарных термометрических скважин. Проект рассчитывался в следующих четырех вариантах с использованием оборудования, выпускаемого НПП «Эталон» (стоимость предоставлена их же специалистами): 1-ый вариант – сбор информации с 96-ти стационарных термокос с помощью радиосигнала; 2-ой вариант – сбор информации с 96-ти стационарных термокос с помощью проводного сигнала; 3-ий вариант – сбор информации с 96-ти стационарных термокос с помощью записи на карту памяти; 4-ый вариант – две термокосы+ПКЦД.

Стоимость всех четырех вариантов измерения температур в 96-ти стационарных термоскважинах приведена на рисунке 2.

Рис.2. Стоимость четырех вариантов измерения температур в 96-ти стационарных термоскважинах:

Из диаграмм видно, что 3-ий и 4-ый варианты существенно дешевле, чем 1-ый и 2-ой.

Следующий проект, рассматриваемый в этой статье, это геотехнический мониторинг по объекту «Строительство комплекса по добыче, подготовке, сжижению газа, отгрузке СПГ и газового конденсата Южно-Тамбейского ГКМ» (рис. 3). Программа проведения измерений предусматривает: визуальное (маршрутное) обследование; ? наблюдения за температурой грунтов в скважинах; измерение скорости ветра; измерение температуры воздуха; измерение мощности снежного покрова (в зимний период); фотофиксация объектов исследования, а также выявленных дефектов.

Кроме того, большой объем работ выполняется с использованием термокос и оборудования НПП «Эталон». Проводятся измерения температур грунтов в геостационарных термокаротажных скважинах:

- установлено 900 термометрических скважин, оборудованных стационарными термокосами;

- установлено 150 термометрических скважин, не оборудованных стационарными термокосами;

- глубина термоскважин от 12 до 30 метров.

Рис.3. Комплекс по добыче, подготовке, сжижению газа, отгрузке СПГ и газового конденсата Южно-Тамбейского ГКМ (завод Ямал СПГ)

В технической документации по инженерно-геокриологическому геомониторингу этого объекта отражаются ежемесячные графики и диаграммы числа измерений температур грунтов в термоскважинах, достигающих нескольких тысяч, приводятся схемы расположения объектов мониторинга, журналы замеров и графиков, схемы сети геомониторинга.

Помимо указанных выше мероприятий, входящих в программу инженерного геокриологического мониторинга, для решения мониторинговых задач широко используются и другие современные технологии, отличающиеся высокой информативностью, эффективностью и технологичностью, а также дистанционностью действий.

Дополнительные технологии и материалы

Для успешного осуществления инженерного геокриологического мониторинга, особенно при применении данных, приводящихся в предстроительный период инженерных изысканий, большое значение имеет использование материалов топографических, аэрофото- и космических съемок. По материалам разновременных съемок, в том числе и с беспилотных летательных аппаратов, можно оценить изменение размеров очагов загрязнения территории, тенденции развития и затухания опасных геокриологических процессов, деформации различных сооружений – магистральных трубопроводов, земляного полотна железных и автомобильных дорог, переработки и эрозии берегов водохранилищ и др. При этом на современном уровне обработки космо- и аэрофотоматериалов можно получить данные не только на уровне контурного дешифрирования, но и в количественном виде [4].

Перспективным направлением для включения в программы проведения ГТМ представляется использование георадаров – приборов, основанных на направлении электромагнитной волны короткой продолжительности в многослойные среды, приеме и преобразовании отраженного сигнала. Они работают при температуре от минус 40 до плюс 40єС. Приборы компактные и не отличаются большой массой (1,5-15 кг). Имеют высокую производительность при записи среды в полевых условиях (от 5 до 30 км за смену), однако требуют продолжительной обработки в камеральных условиях (до смены на 500-1000 м разреза). Также георадары требуют заверочных буровых работ или шурфования. В настоящее время георадары достаточно широко применяются при обследованиях зданий и инженерных сооружений, автомобильных дорог, взлетно-посадочных полос и перронов аэродромов, плотин и гидроузлов, при разведке и оценке запасов строительных материалов в карьерах, инженерно-геологических изысканиях, археологических исследованиях и т.д. [21]. Потенциал неразрушающих, высокопроизводительных, экологически чистых георадарных методов для использования при проведении геомониторинга несомненен.

Планы на будущее

ООО НПФ «Дорцентр» с уверенностью смотрит в будущее. В наших планах дальнейшее развитие инженерно-геокриологического мониторинга в криолитозоне: использование методов тепловизионной диагностики (с применением термографов и тепловизоров), использование беспилотных летательных аппаратов, применение георадарного сканирования, обработка и анализ результатов геомониторинга с использованием компьютерного моделирования и термоизоплетных методов графического анализа информации.

Выводы и рекомендации

1. Инженерно-геокриологический мониторинг обязателен при проектировании, строительстве и в процессе эксплуатации геотехнических систем в криолитозоне.

2. Сеть инженерно-геокриологического мониторинга должна быть постоянной и обеспечивать исследования и измерения на протяжении всего жизненного цикла объекта.

3. Инженерно-геокриологический мониторинг проводится:

- в процессе геокриологических и инженерно-экологических изысканий;

- в период строительства и авторского надзора;

- в процессе эксплуатации (на протяжении всего жизненного цикла объекта).

4. При производстве инженерно-геокриологического мониторинга необходимо шире использовать тепловизоры, георадары и беспилотные летательные аппараты.

5. Неисполнение Регламентов геомониторинга приводит к авариям и катастрофам геотехнических систем в криолитозоне.

Список литературы

1. Патенты РФ: № 11687 – «Система температурной стабилизации грунтов оснований на ММГ», № 66362 «Фундамент», №1804524; «Способ предотвращения попадания нефтяных загрязнений в русло водотока», №12967793; «Способ прокладки трубопровода на грунтах со слабой несущей способностью». 

2. Хрусталев Л.Н., С.Ю. Пармузин, Емельянова Л.В. Надежность северной инфраструктуры в условиях меняющегося климата. – М.:Университетская книга, 2011 г. – 260 с.

3. Стрижков С.Н., Варламов Н.В. Об обеспеченности нормативными документами в области проектирования, строительства и эксплуатации объектов ТЭК на многолетнемерзлых грунтах и на Арктических территориях . Сборник докладов международной конференции «Нефтегазстандарт – 2012», С-Пб., сентябрь 2012 г., с. 12-18

4. Стрижков С.Н., Загребнев А.С. Аэротепловизионные исследования систем температурной стабилизации грунта на объектах трубопроводного транспорта.Научно-технический и производственный журнал «Трубопроводный транспорт (теория и практика)», апрель 2012 г., с. 8-12

5. Стрижков С.Н., Скорбилин Н.А. Мониторинг как критерий оценки надежности объектов с системами температурной стабилизации грунтов. Научно-технический и производственный журнал «Трубопроводный транспорт (теория и практика)», январь 2012 г., с. 10-17

6. Стрижков С.Н. Вопросы строительства и проектирования дорог в криолитозоне. Научно-технический и производственный журнал «Трубопроводный транспорт (теория и практика)», апрель 2013г., с. 53-55

7. Стрижков С.Н. Инновационные процессы в нефтегазовом комплексе России. (Монография). Тюмень: Печатник, 2006. 208 с.

8. Стрижков С.Н. Формирование инновационной среды в строительном комплексе Тюменской области. Ежеквартальный научно-технический журнал «Строительный вестник Тюменской области» №2 (40) 2007 г., с.28-36

9. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Кинцлер Ю.Э. Практический опыт строительства оснований зданий и сооружений в условиях ВМГ. – Тюмень: ООО НПО «Фундаментстройаркос», 2002.

10. Стрижков С.Н. Стратегия инновационного развития, строительства и освоения территорий в криолитозоне /Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Стратегия инновационного развития, строительства и освоения районов Крайнего Севера», 19-20 апреля 2011, Тюмень, с. 12-32.

11. Ершов Э.Д. Общая геокриология. – М.: Изд-во МГУ, 2002. – 685 с.

12. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 / Госстрой России. – М.: ГУП ЦПП, 2012. – 52 с.

13. ГОСТ 25358-2012 Грунты. Метод полевого определения

14. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть IV. Правила производства работ в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. - М., 1999.

15. ВСН 61-89. Изыскания, проектирование и строительство железных дорог в районах вечной мерзлоты. – М.: ЦНИИС Минтрансстроя СССР, 1990.

16. Рекомендации по инженерно-геокриологическим изысканиям для строительства мостов и труб на вечномерзлых грунтах севера Тюменской области, включая Ямал. М.: ЦНИИС Минтрансстроя СССР, 1988.

17. Рекомендации по наблюдению за состоянием грунтов оснований и фундаментов зданий и сооружений, возводимых на вечномерзлых грунтах. – М.: НИИОСП им. Н.М.Герсеванова Госстроя СССР, 1982.

18. СТО Газпром 2-3.1-072-2006. Регламент на проведение геотехнического мониторинга объектов газового комплекса в криолитозоне. – М., 2006.

19. СТО Газпром 2-2.1-435-2010. Проектирование оснований, фундаментов, инженерной защиты и мониторинга объектов ОАО «Газпром» в условиях Крайнего Севера. – М., 2010.

20. РСН 67-87. Инженерные изыскания для строительства. Составление прогноза измерений температурного режима вечномерзлых грунтов численными методами.

21. Кулижников А.М., Белозеров А.А. Неразрушающие георадарные методы в инженерных изысканиях. – ООО «Логические системы», 2008.