Район Крайнего Севера является кладовой России. Там есть большие запасы золота, алмазов и других природных ресурсов, но особенно он богат углеводородным сырьём. Развитие нефтегазодобывающей отрасли и поддержка объемов добычи углеводородного сырья на высоком технологическом уровне сегодня напрямую связана с освоением труднодоступных территорий Крайнего Севера, одним из перспективных районов которого является Западная Сибирь. Одна из особенностей северных территорий — это суровые климатические условия, где температура опускается ниже 50 градусов по Цельсию, что определило широкое распространение вечномерзлых пород. Их наличие стало причиной чрезвычайно неустойчивой инженерно-геологической среды, которая быстро реагирует на малейшее вмешательство со стороны человека. Вмешательство человека часто было пагубным для природы, поэтому строительство зданий и сооружений в этом районе на вечной мерзлоте породило массу проблем. Грунты под построенными зданиями стали таять, фундаменты проседать, а здания крениться и разрушаться. Опасные мерзлотные процессы негативным образом сказывались на устойчивости инженерных сооружений.
Учитывая значительную удаленность и сложную природную обстановку, затраты на обустройство и эксплуатацию северных нефтегазодобывающих объектов существенно возросли. Причем значительная часть средств тратится на обеспечение эксплуатационной надежности инженерных сооружений, устойчивость которых в первую очередь зависит от надежности их фундаментов и оснований. Известно, что стоимость фундаментов в районах распространения вечной мерзлоты может достигать 70% от стоимости всего сооружения.
Поэтому практически на протяжении всего периода покорения и освоения Севера инженеры работали над созданием экономичных и надежных фундаментов. При этом стоял вопрос: как сохранить вечную мерзлоту, как сохранить устойчивость фундаментов под уже построенными зданиями и нефтепроводами, как заморозить оттаявшую вечную мерзлоту.
Одним из перспективных направлений считается искусственное замораживание талых и охлаждение мерзлых грунтов оснований с целью повышения их прочности и защиты от оттаивания. К числу пионеров в этой области относится Федеральное Государственное Унитарное предприятие «Фундаментпроект», сотрудники которого имеют тридцатилетний опыт работы над проблемой искусственного замораживания грунтов. Имеющиеся наработки как нельзя кстати, пришлись при освоении Заполярного газонефтеконденсатного месторождения (ГНКМ), расположенного в районе с уникальной по своей сложности, инженерно-геокриологической обстановкой, где на небольших площадях, зачастую в границах одного сооружения, интенсивно чередуются участки с талыми, вечномерзлыми высокотемпературными и вечномерзлыми низкотемпературными грунтами. Кроме того, с одной стороны, наличие льдистых грунтов представляло потенциальную опасность развития термокарста при их оттаивании, а с другой стороны, существует реальная опасность морозного пучения грунтов вследствие их достаточно глубокого сезонного промерзания-оттаивания.
Решить проблему надежности фундаментов в таких сложных условиях удалось с помощью термостабилизации — искусственного замораживания термостабилизаторами талых и понижения температур мерзлых грунтов в основании сооружений. Для этих целей в ФГУП «Фундаментпроект» разработали и серийно выпускают несколько моделей термостабилизаторов. Термостабилизатор — это па рож ид костное устройство для охлаждения грунтов, представляющее собой металлическую герметично запаянную, заправленную хладагентом трубку диаметром от 36 до 57 мм, длиной от 6 до 10 м и более, состоящее из конденсатора с оребрением (надземной части длиной в пределах 1—2,5 м) и испарителя (подземной части длиной от 5 до 9 м и более). Работа осуществляется без внешних источников питания, только за счет законов физики — переноса тепла вследствие испарения в испарителе хладагента и его поднятия в конденсаторную часть, где пар конденсируется, отдавая тепло, и стекает по внутренним стенкам трубы вниз. В качестве хладагента в ФГУП «Фундаментпроект» применяется экологически безвредный, не воспламеняющийся и взрывобезопасный фреон R22.
На большинстве объектов Заполярного ГНКМ были применены сезоннодействующие термостабилизаторы с одним вертикальным конденсатором, функционирование которого происходит естественным образом в зимний период за счет отрицательных температур воздуха, а в летнее время (при положительных температурах воздуха) переходит в состояние покоя вследствие прекращения циркуляции хладагента. Эта модель термостабилизаторов использовалась для охлаждения грунтов под сооружениями с вентилируемыми подпольями высотой более 1 м, а также у опор эстакад трубопроводов. На участках, отличающихся повышенной снегозаносимостью, длина надземной части термостабилизатора может увеличиваться до 2,5 м и более.
Впервые для сооружений с вентилируемым подпольем высотой менее 1 м, а также в целях увеличения холодопроизводительности была разработана и применена на Заполярном ГНКМ модель се зон недействующего термостабилизатора с двойным V-образным конденсатором.
Термостабилизация грунтов под сооружениями, не имеющими вентилируемых подполий, которые строили прямо на земле, например под емкостями, были разработаны термостабилизаторы с испарителем, изогнутым под небольшим углом к горизонтальной поверхности, что позволяет заводить испаритель под сооружение, оставляя конденсатор за контуром здания.
Специально для случаев, когда требовалось осуществлять охлаждение грунтов и в летнее время, была разработана модель термостабилизатора круглогодичного действия, который функционирует в зимнее время, как и сезоннодействующий термостабилизатор, за счет естественного холода, а в летний период одевается дополнительная насадка, осуществляющая съем тепла с конденсатора при положительных температурах воздуха. Насадка требует подключения к внешнему источнику электрического питания, быстро устанавливается, экономична в эксплуатации.
Разработанная в ФГУП «Фундаментпроект» уникальная методика теплотехнических и деформационных расчетов, реализованная в виде программного комплекса, позволяет выбрать оптимальную схему расстановки и количество термостабилизаторов.
Результаты температурных наблюдений показали высокую эффективность применения термостабилизации. Температуры грунтов при этом понизились в 2—4 раза и обеспечивали необходимую надежность фундаментов. Общий положительный эффект подтверждался практически полным отсутствием нештатных ситуаций по причине отказа фундаментов на большей части инженерных сооружений Заполярного ГНКМ, что выгодно отличает это месторождение от других объектов комплексной застройки в сложных условиях. Это стало возможным благодаря реализации концепции комплексного проектирования фундаментов и оснований, разработанной ФГУП «Фундаментпроект». Основное положение этой концепции заключается в том, что работы по инженерным изысканиям, проектированию фундаментов и оснований, а также инженерной защиты площадок и сооружений от опасных процессов, включая изготовление и установку термостабилизаторов, осуществлялись бы в рамках одной специализированной организации.
Применение искусственного охлаждения грунтов оснований позволяет существенно снизить сроки строительства сооружения, а также металлоемкость фундаментов за счет уменьшения длины и количества свай. Экономическая эффективность новых фундаментов, разрабатываемых в ФГУП «Фундаментпроект», в зависимости от типа сооружения составляет 10—30% по сравнению с традиционно применяемыми. Полученный опыт представляется весьма ценным для использования при обустройстве месторождений Крайнего Севера, включая Ямал.
