Новые перспективы северного строительства жилых и административных зданий с применением углекислотных систем термостабилизации грунтов

Г.М. Долгих

И.П. Рило (Lpolirorip@gmail.com)

Аннотация

В докладе отражена необходимость совершенствовать существующие и разрабатывать новые методы строительных технологий с учетом долгосрочных прогнозов и управления температурным режимом грунтов оснований, способных компенсировать отрицательное воздействие потепления и техногенных факторов на существующие, строящиеся и проектируемые сооружения. На основе многолетних исследований НПО «ФСА» разработало и производит четыре основных вида сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ), широко используемых почти на всех нефтегазовых объектах страны, расположенных в северных широтах. В условиях полигона исследуются и отрабатываются новые технологии охлаждения с применением углекислотных систем термостабилизации грунтов. На их основе разработаны «Технические решения по проектированию оснований и фундаментов объектов жилищно–гражданского назначения на вечномерзлых грунтах с применением систем температурной стабилизации грунтов (хладагент систем – углекислота)».

1.Введение

Неблагоприятные климатические условия северных регионов создают множество проблем при сооружении зданий. Природные богатства Сибири вовлекаются в хозяйственный оборот, поэтому на вечномёрзлых грунтах возникают города и посёлки, что влияет на устойчивость северных природных систем. Верхний пласт грунта, оттаивающий летом и застывающий в зимнее время, является подвижным слоем. Поэтому для строительства сооружений в таких районах используют свайный фундамент.

При возведении фундамента на многолетнемерзлых грунтах (ММГ) основной задачей является сохранение мерзлого состояния грунта, при котором он обладает высокой несущей способностью. Более 75% зданий и сооружений в зоне вечной мерзлоты построено и эксплуатируется по принципу сохранения мёрзлого состояния грунтов оснований. При излишне высоком уровне теплового потока, поступающего сверху, граница оттаивания опускается, основание под фундаментом резко снижает свою прочность.

Кроме того, в результате масштабного освоения месторождений полезных ископаемых произошли существенные изменения во всех компонентах природной среды. Наиболее очевидно они проявились в деградации вечномёрзлых грунтов на урбанизированных территориях. Произошло загрязнение грунтов легкорастворимыми солями NaCl, CaCl₂, CaSO4, MgSO4, MgCl₂, которые попадают в них в результате оседания выбросов в атмосферу предприятиями перерабатывающей промышленности и постоянных утечек из коммунальных инженерных сетей и различных трубопроводов. Поверхностное и глубинное засоление многолетнемёрзлых грунтов (ММГ) ведёт к их переходу из твёрдого мёрзлого в пластично-мёрзлое и немёрзлое состояние. Температура их замерзания опустилась до -3 … -5ºС.

Расширение площадей распространения деструктивных криогенных процессов наблюдается во всех городах России, стоящих на вечной мерзлоте. Они выражаются в разрушении фундаментов, неравномерной осадке и даже обрушении зданий, а также в провалах шоссе, железнодорожных путей, блоков подземных коллекторов коммунальных сетей, формировании просадочных рытвин и увеличении зон заболачивания городских территорий. Негативные криогенные процессы проявляются в повышении температуры локальных тепловых полей под зданиями и сооружениями, образовании многочисленных техногенных таликовых зон, увеличении глубин сезонного оттаивания грунтов. Исследования показали, что деградация ММГ в городах северных промышленных регионов является результатом длительного техногенного влияния на вечномёрзлые основания.

Традиционно в качестве основного технического решения, обеспечивающего сохранение вечномерзлого состояния грунтов оснований зданий и поддержания их проектного температурного режима, выбираются вентилируемые подполья на сваях. Но их применение, несмотря на простоту, имеет весомый недостаток: увеличение металлоемкости и стоимости «нулевых циклов», ограниченность линейных размеров промышленных зданий, и как следствие – увеличение площади застройки. В итоге доля фундамента в сметной стоимости объекта может достигать 60%. Проветриваемые подполья под большепролетными зданиями и зданиями, внутри которых имеются мокрые процессы, источники высоких температур и температура грунтов оснований выше              -1…-1,5ºС не обеспечивает сохранность основания в мерзлом состоянии.

Таким образом, очевидна необходимость внедрения новых строительных технологий с учетом долгосрочных прогнозов и управления температурным режимом грунтов оснований, способных компенсировать отрицательное воздействие теплопритоков для существующих, строящихся и проектируемых сооружений.

 

2. Внедрение и производство термостабилизирующих систем

Пути решения геокриогенных проблем городских территорий предопределяют применение уникальных наукоемких технологий термостабилизации грунтов.                    В последнее время строительство зданий и сооружений в районах распространения ММГ ведется, как правило, с использованием СОУ, позволяющих в зимний период заморозить талые и понизить температуру пластичномерзлых грунтов. Накоплен большой опыт их изготовления, транспортировки, монтажа.

В результате многолетних исследований НПО «ФСА» разработало и производит четыре основных вида сезоннодействующих охлаждающих устройств (СОУ): горизонтальные и вертикальные естественнодействующие трубчатые системы (соответственно, ГЕТ и BET), индивидуальные СОУ термостабилизаторы и глубинные СОУ.

Принцип действия термостабилизирующих устройств основан на переносе естественного холода к основанию фундамента, благодаря чему в вечной мерзлоте поддерживается неизменная температура, грунт не растепляется от теплового воздействия зданий или в результате сложных процессов, происходящих в подземных слоях. При этом устройства не требуют затрат электроэнергии. Они могут быть вертикальные, наклонные, слабонаклонные, горизонтальные. В качестве хладоносителя используются: аммиак и двуокись углерода.

Технические решения НПО «ФСА» широко используются почти на всех нефтегазовых объектах страны, расположенных в северных широтах. Они с успехом внедрены на месторождениях более 350 нефтегазовых объектов ведущих компаний России - ОАО «Газпром» (в Уренгое, Надыме, Ямбурге, Югорске, полуострове Ямал), ОАО «НК «ЛУКОЙЛ» и ОАО «НК «Роснефть», ОАО «АК «Транснефть», алмазодобывающее пред­приятие АК «Алроса», золотодобывающее предпри­ятие ОАО «Полиметалл», городские администра­ции таких северных городов, как, например, Новый Уренгой, Салехард, Надым, Лабытнанги, Мирный.

Установка термостабилизирующих систем позволяет вдвое сократить бюджет строительства нулевого цикла на мерзлом грунте.

За более чем 20-летнюю историю работы компании было смонтировано             2350 систем ГЕТ и BET, 208690 индивидуальных СОУ термостабилизаторов и глубинных СОУ.

Экономическая эффективность применения систем температурной стабилизации грунтов составляет от 20% до 50% стоимости нулевого цикла по сравнению с использованием проветриваемых подполий. Высокие темпы и масштабы северных строек потребовали от НПО «ФСА» активного наращивания производственных мощностей. Толь­ко за 2012-2013 годы удалось вдвое увеличить объемы выпускаемой продукции - до 10000 индивидуальных термостабилиза­торов и 100 термостабилизирующих систем BET и ГЕТ в месяц. На сегодняшний день производствен­ная база научно-производственного объединения не имеет мировых аналогов по: совершенству технологии, объемам выпускаемой продукции, КПД и мощности единичных систем термостабилизации, достижению необходимого низкотемпературного поля в грунте.

Инновационные технические решения, предлагае­мые НПО «ФСА», год от года ста­новятся все более востребованными; предприятие активно расширяет географию деятельности. В насто­ящее время термостабилизирующие системы НПО «ФСА» поддерживают в мерзлом состоянии в общей сложности 28 миллионов кубо­метров грунта на площади 2,8 миллиона квадратных метров, охватывая пространство от Нарьян-Мара до Чукотки. И это, с учетом масштабных планов не­фтегазовых компаний по освоению месторождений Крайнего Севера и Чукотки, только начало.

Существуют трудности обеспечения надежности оснований и фундаментов зданий, особенно для областей вблизи границы территориального распространения криолитозоны, со значительной частью, сложенной пластичномерзлыми грунтами. В этих областях геолого–географические условия криолитозоны характеризуются наличием мерзлых пород островного и прерывистого характера как по глубине, так и в плане. Зачастую, часть здания, может быть расположена на пластичномерзлых грунтах сливающегося типа, часть на сплошных таликах, часть на ММГ с погружением верхней границы на глубину до 10–15м. При этом пластичномерзлые грунты могут иметь небольшую мощность 15–20м. Это определило задачу коллективу НПО «ФСА» по совершенствованию существующих и разработке новых систем термостабилизации с целью обеспечения более глубокого охлаждающего эффекта с расширением границ вечной мерзлоты и понижением температуры грунта при необратимом изменении энергетического баланса грунтовой поверхности.

 

Рисунок 1        Объекты промышленного строительства, выполненные по технологиям НПО «ФСА» 

a. Системы ГЕТ в основании резервуарного парка. Ванкорское месторождение. b. Системы ВЕТ в приустьевой зоне скважин. Бованенковское месторождение. c. Системы ГЕТ в основании производственного здания. Ванкорское месторождение d. Термостабилизаторы, установленные совместно со сваями. Нефтепровод Ванкор - Пурпе

 

Рисунок 2 Опытная схема системы ГЕТ

1-конденсаторный блок; 2-ускоритель циркуляции; 3-гидрозатвор; 4-грязевик; 5-испаритель.

3.Экспериментальные исследования аммиачной и углекислотной систем ГЕТ на полигоне

Опытная схема системы ГЕТ приведена на рисунке 2, идентичная система применяется для охлаждения оснований зданий и сооружений. Эксперименты проводились в широком диапазоне изменения параметров процессов охлаждения грунтов: нагрузка 5-50 Вт/м, скорость ветра 0,5–12 м/с, температура воздуха -7…-15ºC. Результаты исследований приведены в таблице 1.

При сравнительно одинаковых параметрах процессов, в случаях работы углекислотной ГЕТ по сравнению с аммиачной ГЕТ, значительно больше понижается температура поверхности испарителя, примерно на 0,8-6,5ºC. Причем, с увеличением нагрузки эта разница увеличивается, что объясняется различием теплофизических свойств хладагентов и обеспечивает более обширный охлаждающий эффект, который расширяет границы вечной мерзлоты и понижает температуру грунта.

 

Таблица 1  Сравнительная таблица работы аммиачной и углекислотной систем ГЕТ

Примечание: одним цветом выделены одинаковые по условиям проведения эксперименты.

4. Технические решения

Коллективом компании НПО «ФСА» на основе собственных научных исследований и проведенных натурных экспериментальных работ разработаны «Технические решения по проектированию оснований и фундаментов объектов гражданского назначения на вечномерзлых грунтах с применением систем температурной стабилизации грунтов (ТСГ) (хладагент систем – углекислота)».

Данные технические решения направлены на разработку проектных решений, обеспечивающих рациональное использование и удобство в эксплуатации зданий и сооружений жилищно-гражданского назначения, расположенных в районах распространения ММГ. При их создании учитывался 20-ти летний опыт проектирования, строительства и эксплуатации оснований с системами температурной стабилизации грунтов оснований (хладагент охлаждающих систем – аммиак) на объектах промышленного назначения.

Горизонтальные естественнодействующие трубчатые системы замораживания грунтов основания «ГЕТ» впервые были применены на объектах промышленного назначения Уренгойского месторождения, в качестве теплоносителя использовали аммиак. Массовое внедрение систем «ГЕТ» и «ВЕТ» пришлось на обустройство Харасавэйского, Сандибинского, Южно-Русского, Самбургского, Верхнечонского, Ванкорского, Бованенковского, Ныдинского и Южно-Хыльчуюского месторождений.

В данной рубрике приведены примеры наиболее значимых объектов гражданского назначения (рис. 3a,b,c), на которых были впервые применены и смонтированы системы ТСГ (хладагент – аммиак).

Рисунок  3         Объекты выполненного строительства гражданского назначения по разработанным технологиям НПО «ФСА»

a. Реконструкция и расширение аэровокзала пропускной способностью 200 пассажиров в час в г.Салехарде (применена система ВЕТ и термостабилизаторы в основании здания).

b. Опорная база промысла «Ванкор». Пождепо на 4 автомобиля (применена система ГЕТ в основании здания в связи с большими нагрузкам на полы).

c. Служебно-эксплуатационный блок (СЭБ) с узлом связи на Самбургском месторождении (применена система ГЕТ в основании здания в связи со сжатыми сроками строительства).

 

Разработанные углекислотные системы термостабилизации

·   Горизонтальная естественнодействующая трубчатая (тип - ГЕТ) регулируемая система температурной стабилизации.

Система представляет собой герметично выполненное теплопередающее устройство, не требующее затрат электроэнергии, автоматически действующее в зимнее время за счет силы тяжести и положительной разницы температур между грунтом и наружным воздухом.

Система «ГЕТ» (рис. 4) состоит из двух основных элементов:

-  охлаждающих и соединительных труб диаметром 33,7мм, размещенных в основании здания, служащих для циркуляции теплоносителя и замораживания грунта;

-  конденсаторного блока, расположенного над поверхностью грунта, соединенного с испарительной частью и предназначенного для конденсации паров теплоносителя и перекачки его по системе за счет естественной конвекции и силы тяжести.

Рисунок 4. Система ГЕТ в основании сооружения.

 

·      Вертикальная естественнодействующая трубчатая (тип - ВЕТ) объёмная регулируемая система температурной стабилизации.

Система «ВЕТ» (рис. 5) состоит из: вертикальных охлаждающих труб (ТОВ); соединительных труб; конденсаторного блока и гидрозатвора.

Размещенная в основании здания, система ВЕТ способна охлаждать грунт на глубину до 12-15м.

Система «ВЕТ» предназначена для замораживания грунтов оснований и сооружений, расположенных на ММГ несливающегося типа.

Ширина зданий – до 100м. Разработана специально для решения задачи быстрого замораживания основания грунта под фундаментом на начальном этапе строительства и эксплуатации объекта, когда необходимо обеспечить сразу проектную несущую способность основания.

Рисунок 5. Система ВЕТ в основании сооружения

Предлагаемые технические решения позволяют реализовать конструкции фундаментов без проветриваемых подполий: на ММГ сливающегося типа с системой ГЕТ и на ММГ несливающегося типа с комплексной системой ГЕТ-ВЕТ.

В качестве технических решений по устройству оснований и фундаментов с применением систем ТСГ (хладагент-углекислота) в зданиях жилищного фонда, социально-культурного и коммунально-бытового назначения предлагается использовать следующие варианты конструкций фундаментов без проветриваемых подполий: с теплым техническим этажом (рис. 6a); с теплой надземной автостоянкой (рис. 6b,6c); с теплой подземной автостоянкой (рис. 6d,e,f).

 

Рисунок 6 Здания гражданского назначения с использованием систем ТСГ

a. Жилой дом с техническим этажом и системами ГЕТ и ВЕТ в основании здания на ММГ несливающегося типа.

b. Здание Сбербанка с теплой надземной автостоянкой. Система ГЕТ и ВЕТ в основании здания. Фундамент – монолитная железобетонная плита.

c. Здание Сбербанка с теплой надземной автостоянкой.

Система ГЕТ и ВЕТ в основании здания. План на отм. 0,000

d. Торговый центр с теплой подземной автостоянкой. Система ГЕТ и ВЕТ в основании здания. Фундамент – свайный или монолитная железобетонная плита

e. Торговый центр с теплой подземной автостоянкой.

Система ГЕТ и ВЕТ в основании здания.

f. Торговый центр с теплой подземной автостоянкой. Система ГЕТ и ВЕТ в основании здания на ММГ несливающегося типа

Расстояние от зданий гражданского назначения до надземных частей (конденсаторного блока, ускорителя циркуляции, гидрозатвора) должно составлять не менее 12м и размещаться на участках свободных от инженерных коммуникаций.

Для сохранения надземной части систем от механических повреждений, актов вандализма необходимо предусматривать металлическое ограждение жалюзийного типа.

Надёжность систем температурной стабилизации ГЕТ - ВЕТ обеспечивается конструкцией охлаждающего основания. Каждый участок имеет две системы охлаждения, работающие параллельно. Шаг укладки труб рассчитывается с условием сохранения мерзлого состояния основания при отказе в работе одной системы.

 

5. Описание хладагентов

По степени токсичности аммиак относится к IV классу опасности. Предельно допустимая доза (ПДК) в атмосферном воздухе территории промпредприятия – 7 мг/м3; в атмосферном воздухе населенного пункта 0,2 мг/м3. При случайных утечках аммиак быстро улетучивается, так как он легче воздуха.

Двуокись углерода – инертный газ тяжелее воздуха, не поддерживающий горение и обладающий удушающим действием в замкнутом пространстве при концентрации более 0,5%.

Поскольку двуокись углерода не обладает отравляющими и токсичными свойствами, то её применение в качестве хладагента для систем температурной стабилизации грунтов для зданий гражданского назначения делает системы абсолютно безопасными даже в случае разгерметизации и выходе хладагента.

НПО «ФСА» имеет разрешение № РРС 00-042201 на применение оборудования: «Системы и установки криогенные по ТУ 3642-004-54098700-2006», выданное Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору от 11.02.2011 г.

 

 

6. Надежность оснований и фундаментов зданий гражданского назначения при применении систем ГЕТ и ВЕТ. Надежность работы систем ГЕТ и ВЕТ.

 

Надежность оснований и фундаментов зданий жилищно-гражданского назначения гарантируется применением систем ГЕТ и ВЕТ на период эксплуатации объекта в течение 50-ти лет, за счет создания твердомерзлого состояния грунтов.

Надёжность работы систем ГЕТ и ВЕТ обеспечивается методами резервирования, регулирования и защиты систем от механических повреждений и коррозии.

Защита систем от механических повреждений происходит за счет:

- размещения надземных частей систем (конденсаторного блока, ускорителя циркуляции, гидрозатвора) на расстоянии не менее 12м на участках, свободных от инженерных коммуникаций и в зонах менее подверженных механическому воздействию с их ограждением;

- металлического ограждения жалюзийного типа надземной части систем;

- круглогодичного размещения охлаждающих труб в мерзлом грунте;

- установки по контуру укладки охлаждающих труб указательных знаков;

- прокладки подземных соединительных труб до конденсаторных блоков в защитных металлических коробах;

- использования труб с толщиной стенки, обеспечивающей прочность при давлении до 100 атм (рабочее давление не более 40 атм);

- 100 % контроля сварных соединений;

- применения на вентилях герметичных колпачков с металлическими прокладками и опломбирования вентилей после запуска систем в работу.

Метод резервирования заключается в том, что количество охлаждаемых систем и шаг укладки охлаждающих труб принимаются исходя из следующих условий:

- охлаждающие трубы основной рабочей системы (изготовленные из стальных труб) размещаются с шагом 1 метр;

- охлаждающие трубы резервной системы выполнены из стальных труб, укладываются параллельно охлаждающим трубам основной системы на расстоянии 0,5 метра с шагом 1 метр и в аварийных случаях подключаются к конденсаторному блоку;

- в случае выхода из строя охлаждающих труб основной системы подключаются охлаждающие трубы резервной системы к конденсаторному блоку либо холодильной машине, в зависимости от характера ситуации. Целесообразно использовать для этих целей холодильную машину в контейнерном исполнении с конденсатором воздушного охлаждения  фирмы «AIRCOOL CO» (г. Санкт-Петербург) и этиленгликоля в качестве рабочего тела.

Ликвидации растепления грунтов, возникающая от техногенного теплового воздействия на основания в процессе строительства или эксплуатации зданий, осуществляется путем подключения  резервной системы охлаждающих труб к холодильной машине.

Антикоррозионная защита систем обеспечена:

- применением инертной, по отношению к стали, углекислоты со степенью очистки 99,99%;

- применением атмосфероустойчивых лакокрасочных покрытий для надземной части системы;

- применением оцинкованных охлаждающих труб  с толщиной покрытия не менее 160 мкм. Гарантийный срок эксплуатации не менее 50 лет.

Перечень мероприятий, необходимый при эксплуатации оснований и фундаментов зданий жилищно-гражданского назначения с примененными системами ГЕТ и ВЕТ, не отличается от перечня мероприятий для зданий и сооружений с проветриваемым подпольем и включает:

- осмотр оснований;

- измерение высотного положения и температур грунтов;

- измерение температуры оребренных конденсаторных труб блоков в зимнее время при помощи тепловизора.

 

Выводы

 

Использование систем термостабилизации грунтов в основаниях зданий и сооружений гражданского назначения, с применением углекислоты в качестве хладагента, при строительстве свайных фундаментов на вечномерзлых грунтах позволяет:

-        снизить затраты до 60% за счет увеличения несущей способности свайных фундаментов при замораживании грунтов на стадии нулевого цикла;

-        снизить затраты на их эксплуатацию в экстремальных, с точки зрения геокриологии, природно-климатических условиях Крайнего Севера;

-        обеспечить надежность основания;

-        упростить конструкции фундаментов зданий и сократить сроки строительства;

-        увеличить единичную мощность СОУ;

-        обеспечить низкотемпературное поле грунтов;

Также следует отметить, что предлагаемые варианты «Технических решений…» дают возможность:

-        рационально и функционально использовать внутридворовое пространство жилой, смешанной и общественно-деловой застройки;

-        предусматривать комплексное использование подземного пространства для размещения в нем стоянок автотранспорта.

 

Ссылки

 

Пат. 3217791США, Средства для поддержания вечной мерзлоты. Основы/E. L. Long, – №386341; Заяв. 30.07.64, Опубл. 16.11.65, CI. 165—45, – 3с., 3 л. ил.;

Пат. 3220470 США, Система охлаждения почвы/J. C. Balch, – №228897; Заяв. 08.10.62, Опубл. 30.11.65, CI. 165—40, – 3с., 2 л. ил.;

Liu Jiankun, Li Dongqing, Ma Wei, Zhang Luxin. Modeling of the Sun; Precipitation Shed in Protecting Roadbed; cut on Permafrost in Tibet, China. Permafrost Engineering. Proceedings of the Fifth International Symposium on Permafrost Engineering. — Якутск: Институт мерзлотоведения, 2002. – Том 2. – с. 80–88.;

Zhang Luxin, Liu Jiankun. Numerical inves; tigation of experimental roadbed thermal stabili; ty on Fenghuoshan permafrost in Tibet. Proc. International Symposium on Geocryological Problems of Construction in Eastern Russia and Northern China. — Якутск: Сибирское отделение Российской Академии Наук, 1998. — Том. 2. — с. 3–7.

Температурный анализ, строительство и методы мониторинга мерзлых грунтов, /при поддержке Технического Совета по строительству в холодных регионах; под редакцией David C. Esch.