Технология управления механической безопасностью геотехнической системы в криолитозоне (геотехнический мониторинг).

Территория криолитозоны (зоны распространения многолетнемерзлых грунтов) занимает практически 70 % территории России. Строительство и эксплуатация промышленных и гражданских сооружений в данных условиях сопряжено со значительной динамикой природно?техногенных криогенных процессов, приводящих к серьезным деформациям инженерных сооружений и, как следствие, к довольно значительному увеличению материальных затрат капитального характера направляемых Инвестором на обеспечение механической безопасности сооружений в период проектирования и строительства. В отличие от территорий европейской части России, Кавказа и среднего Приобья инженерные сооружения, построенные на оставшихся, стратегических для России (и "ОАО Газпром") территориях севера Западной Сибири, Коми, Восточной Сибири, Якутии требуют затрат на поддержание эксплуатационной пригодности опорной компоненты(оснований и фундаментов) газодобывающих и газотранспортных геотехнических систем. Пионер освоения территории криолитозоны газодобывающий комплекс "Медвежье газовое месторождение" был обустроен и запущен в эксплуатацию в начале 70?х годов прошлого века. Комплекс был спроектирован и построен в рекордные сроки (с 1972 по 1984) на труднодоступных территориях, в беспрецедентных на то время по степени сложности инженерно?геокриологических и климатических условиях.

Это было первое газовое месторождение?гигант, обустраиваемое в зоне распространения многолетнемерзлых пород. К сожалению нормы проектирования оснований и фундаментов (СНиП II?В.2?66, СНиП II?18?76), действующее на момент выполнения ПИР и производства СМР, не предусматривали возможности проектирования надежных, устойчивых объектов обустройства в таких условиях. Комплекс сооружений Медвежьего промысла рассматривался как, своего рода, экспериментальное строительство, позволяющее опробовать на практике инновационные технологии проектирования и строительства для последующего обустройства других супер?гигантов севера Западной Сибири (Уренгой, Ямбург, Юбилейное, Заполярное и др.) проектирование которых выполнялось уже на основе переработанных правил (СНиП 2.02.04?88). Выход на обновленный уровень качества проектирования был не совсем беспроблемен. На восьмой – десятый год эксплуатации было обнаружено, что ряд сооружений на различных газовых промыслах испытывают значительные деформации, обусловленные подвижками свайных фундаментов. Инструментальных наблюдений за величинами подвижек на ранних стадиях эксплуатации месторождения не проводилось, и наличие деформаций фундаментов определялось по косвенным признакам: перекосам каркасов зданий, вспучиванию полов, изгибам трубопроводов, вибрации оборудования (турбоагрегатов) дожимных компресорных станций и т.д. К середине 80?х годов пространственные деформации ряда сооружений были не совместимы с возможностью дальнейшей эксплуатации и привели к необходимости их преждевременной остановки для ремонта. Неоднократно останавливались газоперекачивающие агрегаты дожимных компрессорных станций для ремонта турбин и выравнивания опор наружных газовых обвязок. Значительные объемы строительно?монтажных работ были выполнены при реконструкции "нулевого цикла" УКПГ. Все это привело к существенному росту эксплуатационных расходов. Неудивительно, что в этой ситуации, первый Проект реконструкции был запланирован и реализован уже в 1986?1988 годах, сразу же после строительства "последнего" из промысловых сооружений Медвежьего месторождения (проект реконструкции ЮжНИИГипрогаз). К выполнению комплекса научно?исследовательских и проектных работ по восстановлению механической безопасности зданий и сооружений были привлечены практически все научно?исследовательские и специализированные проектные институты строительной и частично газовой отрасли (ВСЕГИНГЕО, ТюменНИИГипрогаз, МГРИ, НИИОСП им. Герсеванова, ТИГМИ, МГУ, ПНИИИС, Фундаментпроект). Именно эти, организации суммировали практический опыт проектирования и реконструкции сооружений на многолетнемерзлых породах. Практическим итогом работ в части «анализа и суммирования полученного практического опыта послужила новая редакция СНиП 2.02.04?88 "Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах", веденного в действие с 1990 г.

Положения обновленного норматива предусматривало требования организации и осуществления регулярных наблюдений за температурой грунтов оснований, деформациями фундаментов и надфундаментных конструкций. Это действие объединялось в термин "инженерно?геологический мониторинг". Рациональные объемы наблюдательных сетей и методики проведения наблюдений были изложены в соответствующих рекомендациях, выпущенных НИИОСП им. Герсеванова.
Тем не менее, оставался открытым вопрос о том, какова периодичность проведения регулярных опросов наблюдательных сетей и что же делать с накапливаемой информацией, за счет какого источника осуществлять упомянутые работы и какими силами. Как закономерный результат – выход большинства аблюдательных сетей строительного периода из строя в результате отсутствия текущего обслуживания. Практически единственным отраслевым производственным предприятием, подложившим выполнять работы инженерно?геологическому мониторингу опорной компененты инженерных сооружений был "Надымгазпром", с середины 1980?х по настоящее время "сохранивший" в своем штатном расписании соответствующее структурное подразделение (отдел геотехнического мониторинга НТЦ). Аналогичное подразделение в последующем было создано в "Ямбурггаздобыче" (НИЛ?мерзлоты) сохраняющий соответствующую службу. Упомянутые подразделения позволяли вполне успешно решать проблемы текущего, иногда и капитального ремонта промышленных зданий и сооружений. Отраслевыми проектными институтами, к сожалению, опыт производственных подразделений не был востребован, поскольку политика привлечения специализированных сторонних проектных подразделений, получивших свой опыт на отраслевых?же объектах, считалась наиболее эффективной в описываемый период. Но отраслевые институты занимались все новыми и новыми стройками и не ставили себе в качестве целевого приоритета анализ отраслевого опыта фундаментостроения в криолитозоне. Как закономерный результат в 1999 году именно специалистами газодобывающих дочек была предложена новая концепция (технология) обеспечения эксплуатационной надежности инженерных сооружений в криолитозоне названная "геотехническим мониторингом". Предлагаемая технология ? нечто большее, чем «периодическая фиксация свершенного факта» Методологическую суть технологии можно пояснить следующим. Механическая безопасность инженерных сооружний в криолитозоне определяется преимущественно прочностью и устойчивостью грунтов оснований, изменяющейся под воздействием "опасных" процессов природного и техногенного характера. Основными природными факторами, определяющими прочность, устойчивость грунтов и динамику криогенных процессов в криолитозоне являются температурные факторы, обусловленные нарушением природного теплового баланса на "дневной поверхности" и в грунтах оснований вследствие техногенной тепловой нагрузки со стороны инженерных сооружений; Создание на этапе проектирования численной модели основного фактора? процесса (динамики температуры грунтов), приводящего к потере механической безопасности (деформациям) позволяет трактовать термин «мониторинг» уже не как «периодический контроль», а как «управление», т.е дополнить технологию инженерно?геологического мониторинга, регламентированную к выполнению СНиПом 2.02.04?88, «прогнозом» и «обоснованной численной проработкой управляющих воздействий», «превратив» все описанное действие в классическое «управленческое кольцо» (фиксируй факт –прогнозируй последствия – обосновывай управляющее воздействие – реализуй воздействие – фиксируй последствия реализации – и снова прогнозируй…).

Адаптация численной модели к результатам режимной эксплуатационной термометрии позволяет "учесть" все "не исследованные" и "не учтенные при проектировании" факторы температурного воздействия, выполнять достоверный прогноз развития негативных техногенных тепловых процессов, моделировать воздействие различных "управляющих" технических решений по реконструкции.

Подводя итог вышеизложенному, можно с уверенностью констатировать ? технология «Геотехнического мониторинга» является технологией управления эксплуатационной надежностью оснований и фундаментов и механической безопасностью инженерных сооружений в криолитозоне. Технология предусматривает следующую последовательность действий:

создание численных моделей нестационарного теплового взаимодействия «фундамент?грунт» в процессе проработки соответствующих разделов Проекта и марки рабочих чертежей АС,ОФ и ТСГ;
проектирование рациональной системы наблюдений за процессами, определяющими динамику прочностных и деформационных характеристик многолетнемерзлых грунтов основания сооружения;
организацию в процессе эксплуатации сооружений режимного опроса наблюдательных сетей;
организацию процесса периодической адаптации прогнозных численных моделей техногенного взаимодействия системы "фундамент ? грунты основания ? окружающая среда" к результатам режимного опроса сетей геотехнического мониторинга.

Технология разработана в развитие НИР "Система обеспечения безопасности газопромысловых объектов, действующих в условиях криолитозоны, посредством проведения комплексного геотехнического мониторинга». Научно? технический уровень подтвержден дипломом лауреата ежегодного конкурса ОАО «Газпром» за лучшую научно?техническую разработку № 91 от 9 августа 1999 г. Именно такую технологию и предложено именовать геотехническим мониторингом (СТО "Газпром" 2?3.1?071?2006 "Регламент организации работ по геотехническому мониторингу объектов газового комплекса в криолитозоне", СТО "Газпром" 2?3.1?072?2006 "Регламент на проведение геотехнического мониторинга объектов газового комплекса в криолитозоне"). Вернемся к истории развития отраслевого геотехнического мониторинга. К концу 90?х годов проблем устойчивости и механической безопасности стало настолько много, что было организовано (2002 г) отраслевое совещание по этому вопросу. Прилагаемый протокол совещания (Приложение 1), утвержденный на уровне высшего руководства ОАО "Газпром" подтвердил описанное выше состояние вопроса, наметил пути улучшения ситуации. На отраслевом совещании было отмечена необходимость разработки единой отраслевой стратегии и технической политики, направленной на обеспечение устойчивости инженерных сооружений газового комплекса в условиях распространения многолетнемерзлых пород. В постановляющей части «обозначены» поручения по дополнению стратегических приоритетов отрасли на 2002?2006 г.г. необходимостью разработки «единой стратегии и технической политики, направленной на обеспечение надежной работы объектов газового комплекса в криолитозоне», сформировать секцию отраслевого НТС ОАО «Газпром» по упомянутому направлению работ, создать в одном из отраслевых научных институтов (ТюменНИИГипрогаз) соответствующее структурное подразделение, осуществляющее деятельность по направлению «геотехнический мониторинг в криолитозоне» и силами последнего разработать временный регламент функционирования «отраслевой системы геотехнического мониторинга объектов газового комплекса в криолитозоне». К сожалению решения прилагаемого протокола, как и большинство решений отраслевых совещаний, было реализовано частично. Соответствующее подразделение в ООО «ТюменНИИГипрогаз» было создано в 2003 году, в период 2003?2004 г.г. им разработаны проекты отраслевых стандартов и после двухгодичной процедуры согласования введены в действие с 16 марта 2006 года «Регламент на организацию работ по геотехническому мониторингу….» (СТО Газпром 2?3.1?071?2006) и «регламент на проведение геотехнического мониторинга…» (СТО Газпром 2.?3.1?072?2006). Первый регламент определял создание единой отраслевой организационной структуры (в том числе и на уровне аппарата управления отраслью), определял цели, задачи, направления деятельности и ответственность каждого из уровней организационной отраслевой структуры, регламентировал порядок принятия решений и «обозначал» источники финансирования деятельности. Второй регламент систематизировал и унифицировал общие для отрасли требования и правила проведения работ по геотехническому мониторингу на добывающих и транспортных предприятиях. Начиная со второй половины 2006 года, после доведения регламентов до производственных предприятий в технических заданиях и технических требованиях на разработку проектов обустройства месторождений и транспорта газа для районов криолитозоны начали «появляться» требования к проектированию систем геотехнического мониторинга в объеме необходимом и достаточном для реализации требований СТО «Газпром». В условиях отсутствия норм технологического проектирования и сметных норм проектными институтами отрасли с июня 2006 г. начало освоение выпуска нового раздела проектной документации. Начиная с Объектов первоочередного строительства Бованенковского и Харасавейского месторождений (стадия РД) и «Обустройство валанжинских залежей Заполярного НГКМ» (стадия П). В дальнейшем (с 2006 по настоящее время) вся проектная продукция выпускаемая обществом содержит в своем составе соответствующий раздел. Положительный толчок развитию описываемому направлению научно? проектных работ предало принятие государством законодательных инициатив (ФЗ? 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений», (31.12.2009), Постановление правительства РФ № 87 от 16 февраля 2008 «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию») в части требований к обеспечению механической безопасности зданий и сооружений и позволившие «вписать геотехнический мониторинг» в перечисленные нормы, как «комплекс организационно?технических мероприятий», позволяющий обеспечить управление проектными «параметрами и характеристиками механической безопасности» в сложных инженерно?геологических и природно?климатических условиях. В первоначальный период проектировщики столкнулись с целым спектром проблем и требований (преимущественно эксплуатирующих организаций и ведомственной экспертизы), но по мере приобретения опыта все проблемные вопросы так или иначе были «сняты». Затраты на обустройство сетей ГТМ сведены в состав соответствующих глав ССР (2?8). Затраты на реализацию работ по геотехническому мониторингу в период строительства предусмотрены в главе 9 (прочие Заказчика). Одновременно с началом проектирования (2006) начато выполнение практических работ по оказанию услуг научно?технического характера, связанных с выполнением работ по геотехническому мониторингу на стадии строительства.

Выполнение работ такого рода в период строительства и эксплуатации и является стратегическим приоритетом проектного института, поскольку позволяет «отслеживать» поведение спроектированной геотехнической системы и, выполняя анализ возможных объективных и субъективных ошибок проектирования и строительства, (которые неизбежны на новых, пока не «опробованных стройкой» территориях строительства) аккумулировать опыт эксплуатации инженерных сооружений в криолитозоне и существенно повысить собственные возможности в части проектирования устойчивых конструкций и продвижения инновационных строительных решений и технологий. В качестве стратегического приоритета развития данное научно?проектное направление позволит существенно повысить качество проектных решений и в некоторых случаях «организовать практическое опробование» инновационных решений в части конструкции нулевого цикла инженерных сооружений. Более подробную информацию о технологии геотехнического мониторинга можно получить из прилагаемой статьи в журнале Инженерные изыскания №4 2009г.