Обеспечение экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог в условиях Западной Сибири

УДК 625.711 + 502.7

И.А. Чижиков, Е.В. Щербина

ФГБОУВПО «МГСУ»

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СТРОИТЕЛЬСТВА НЕФТЕГАЗОПРОМЫСЛОВЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

Приведены результаты натурных наблюдений за осадками при использовании одного из методов строительства вдоль трассовых нефтегазопромысловых дорог на слабых болотистых грунтах (торфы) с описанием технологии монтажа геосинтетических материалов. Разработанные ранее технологии строительства дорог на слабых основаниях характеризуются большой материалоемкостью, энергетическими затратами, антропогенными воздействиями на окружающую среду. К таким методам относится полная или частичная замена слабых грунтов на пески, щебень или крупнообломочный материал с использованием лесных ресурсов в качестве армирующего элемента основания (лежневки). Задачей исследования стала разработка экологически безопасной технологии устройства нефтепромысловых дорог, позволяющей снизить антропогенные воздействия на окружающую среду и обеспечить прочность и эксплуатационную безопасность конструкции. Проведенные исследования показали, что эффективным решением этой задачи является использование геосинтетических материалов для повышения несущей способности слабого основания. Геосинтетические материалы в конструкции земляного полотна дороги позволяют обеспечить высокий темп строительства, качество и надежность эксплуатации конструкции, сокращение объема использования строительных материалов, снижение материалоемкости и энергопотребления, что направлено на обеспечения экологической безопасности при строительстве нефтегазопромысловых дорог. Ранее для оценки экологической безопасности автором был использован метод квалиметрии, позволяющий получить балльную оценку экологической безопасности. Выполненные оценки показали преимущество технологии армирования оснований в сравнении с методами частичной или полной замены грунтов. Важным показателем эффективности метода армирования оснований служит прогноз развития осадок во времени, который позволяет оценить надежность и эксплуатационную пригодность разработанного решения. Исследования выполнялись на участке промысловой автомобильной дороги, проходящей внутри коридора коммуникаций, соединяющего три Салымских нефтяных месторождения Западной Сибири.

Ключевые слова: осадка насыпи, нефтегазопромысловые дороги, армирование основания, натурные наблюдения, Западная Сибирь, новые технологии, материалоемкость, антропогенные воздействия, окружающая среда.

В конце прошлого века международная общественность и бизнес впервые активно начали обсуждать концепцию «зеленого строительства», главной задачей которой стала минимизация антропогенного воздействия строительного объекта на окружающую природную среду на всех этапах его жизненного цикла. Это означает, что в результате строительства не должно ухудшиться состояние земель, уменьшиться видовое разнообразие флоры и фауны, ухудшиться состояние подземных вод и других элементов биосферы. Наибольшую остроту эти вопросы приобретают при строительстве вдольтрассовых дорог в Западной и Восточной Сибири. Здесь сосредоточены крупнейшие запасы природных ресурсов страны, интенсивно развивается нефтегазодобывающая промышленность, например протяженность одного лишь трубопровода Восточная Сибирь — Тихий океан составляет 4200 км сложнейших для строительства дорог территорий, проходящих по болотам Сибири, площадь которых занимает второе место после площади лесов. В связи с этим повышение экологической безопасности технологий строительства дорог на слабых основаниях является актуальной задачей, имеющей важное практическое значение.

Разработанные ранее технологии строительства дорог на слабых основаниях характеризуются большой материалоемкостью минерального сырья как в процессе

ВЕСТНИК г/2о12_

строительства, так и эксплуатации. К подобным методам относится полная или частичная замена слабых грунтов (в основном торфов) на пески, щебень или крупнообломочный материал с использованием лесных ресурсов в качестве армирующего элемента основания (лежневки). Задачей исследования стала разработка экологически безопасной технологии устройства нефтепромысловых дорог, позволяющей снизить антропогенные воздействия на окружающую среду и обеспечить прочность и эксплуатационную безопасность конструкции.

Проведенные исследования показали, что эффективным решением этой задачи является использование геосинтетических материалов для повышения несущей способности слабого основания [1]. Геосинтетические материалы в конструкции земляного полотна дороги позволяют обеспечить высокий темп строительства, качество и надежность эксплуатации конструкции, сокращение объема использования строительных материалов, снижение материалоемкости и энергопотребления, что направлено на обеспечение экологической безопасности при строительстве нефтегазопромысловых дорог. Для оценки экологической безопасности нами был использован метод квали-метрии, позволяющий получить балльную оценку экологической безопасности, что также принято при построении системы различных национальных стандартов «зеленого строительства» [2]. Различия в системах заключаются в количестве и формулировках применяемых критериев, значениях граничных значений показателей соответствия, названиях и количестве баллов и системе градации. Выполненные оценки показали преимущество технологии армирования оснований в сравнении с методами частичной или полной замены грунтов.

Важным показателем эффективности метода армирования оснований служит прогноз развития осадок во времени, который позволяет оценить надежность и эксплуатационную пригодность разработанного решения. Исследования выполнялись на участке промысловой автомобильной дороги, проходящей внутри коридора коммуникаций, соединяющего три Салымских нефтяных месторождения Западной Сибири. Строительство автодороги осложнено многочисленными болотами, проходящими через участок строительства. В процентном соотношении общая протяженность болот составляет 31,5 % общей длины 49-километрового коридора коммуникаций. Глубина болот колеблется от 1 до 6 м [3].

Определение прочности армирующей геоткани выполнялось по 1-му предельному состоянию расчетным методом по схеме круглоциллиндрических поверхностей скольжения и плоскому сдвигу на контакте арматура — грунт насыпи.

Технология производства работ включала в себя следующий порядок: сшивку геоткани в цельные полотна и обеспечивающие безстыковочные зоны на захватках диной 25 м (рис. 1); планировку основания;

укладку цельных полотен на основание с нахлестом не менее 1 м; отсыпку и уплотнение слоя насыпи толщиной 70 см (рис. 2);

устройство обратных заворотов геоткани с последующим преднапряжением армирующего элемента с помощью строительной техники (рис. 3, а);

последующая отсыпка грунта насыпи с уплотнением до проектных отметок. Проектная осадка насыпи рассчитывалась по двум методикам: расчет конечной осадки торфяного основания на основе региональной типизации торфов ВСН 26—90 [4] и расчет осадок методом слоя ограниченной мощности H.A. Цытовича.

Результаты расчетов по каждому из пикетов, расположенных с шагом 200 м, участка автомобильной дороги представлены на графике (рис. 4). По вертикали отложено значение осадки в сантиметрах. Как следует из приведенных графиков, различия в некоторых точках указывают на несовершенство имеющихся методик, а следовательно, требуют экспериментального подтверждения.

Рис. 1. Сшивка геоткани

Рис. 2. Отсыпка и уплотнение слоя насыпи

Рис. 3. Преднапряжение геоткани техникой

V- (О 10 К

(О (О (О Р>

г (О Ю N О}

Tt-

iL iL iL iL iL

a a tz a a

т- СО in К

1Л 'Л Ю '-О

-Skoh -S ВСН

Рис. 4. Значений расчетной осадки насыпи, полученной по двум методам расчета

Мониторинг осуществлялся на участке дороги длиной 3 км, продольный профиль представлен на рис. 5. Участок характеризуется залеганием торфа различной мощности, грунтовые воды находятся практически на поверхности природного рельефа. Наблюдения проводились методом геодезических съемок, в качестве реперов были выбраны металлические водопропуска из металлических труб диаметром 1,2 м, которые укладывались на армированное геотканью основание. Водопропуска устанавливались с шагом 200 м на пикетах: ПК31+00, ПК 33+00, ПК 35+00, ПК 37+00, ПК 39+00, ПК 41+00, ПК 43+00, ПК 45+00, ПК 47+00, ПК 49+00, ПК 51+00, ПК 53+00, ПК 55+00, ПК 57+00, ПК 58+40.

оо

ПК 33 ПК 35 ПК 37 ПК 39

& 5 8

ПК 41 ПК 43 ПК 45

§ б

¡й о)

Рис. 5. Продольный профиль насыпи ПК 31—ПК 58+40

Наблюдения за осадкой насыпи проводилось несколькими циклами. Первый цикл съемок последовательный, что обусловлено технологией производства работ. Водо-пропуска монтировались последовательно в течение 20 сут, а геодезическая съемка велась индивидуально после монтажа водопропуска и отсыпки насыпи до проектных отметок. Последующие циклы съемок проводились сразу по всем токам наблюдений. Первые 10 мес. (период интенсивных осадок) наблюдения проводились постоянно каждый месяц. Все результаты заносились в журнал наблюдений, а затем обрабатывались. Результаты наблюдений представлены в таблице и на графике (рис. 6).

-•-ПК 31 --ПК 33 ПК 35 -*— ПК 37 -ж-ПК 39 -•-ПК 41 —•—ПК 43

-ПК 45

-ПК 47

ПК 49 -о-ПК 51 ПК 53 -*- ПК 55 -*-ПК 57 -•- ПК 58+40

Рис. 6. График фактической осадки

Сравним результаты фактической осадки через 10 и 20 мес. с расчетными данными осадок (таблица).

Результаты расчетной и фактической осадки за 10 и 20 мес.

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

№ m m m m m 7 3 9 3 41 3 4 5 4 7 4 9 4 51 3 5 5 5 7 5 8 5

пикета « С « С « С « С « С « С « С « С « С « С « С « С « с « С « С

о U S 0 o10 мес расч 0,29 1,27 ,9 1,84 1,58 0,39 2,14 0,58 1,45 ,7 ,8 ,6 0,66 1,45 0,32

1

CO JJ a ç№ мес 00 00 TT m in 00 ,7 ,71 4 ,91 2 ,4 8 ,4 3 ,8 5 ,9 8 ,9 6 ,3 5 m

U F о 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,

cj U S 0 S 20 мес СЛ (N 7 ,2 9 4 ,9 5 ,0 9 ,3 5 ,9 8 ,5 ,51 ,91 6 ,3 6 ,0 6 ,6 2 2 m

расч 0, 1, 2, 1, 2, 0, 2, 0, 1, 1, 2, 2, 0, 1, 0,

2

<D a S 20 мес 2 ,2 m чо 9 чо чо ,9 9 ,9 9 6 ,0 4 ,5 2 ,6 8 ,9 7 4 ,2 2 ,5 4 о m

F 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 0, 0, 0, 1 1 0, 1 0,

Анализ полученных результатов показывает:

осадка основания стабилизировалась во всех точках наблюдения практически за 20 мес., что согласно теоретическим расчетам составляет 95 % конечной осадки;

Фактическая осадка t, мес

0 5 10 15 20 25

ВЕСТНИК г/2о12_

предложенное проектное решение и технология отвечают требованиям прочности и надежности, несущая способность основания обеспечена;

использование технологии армирования грунтов основания геосинтетической тканью приводит к некоторому выравниванию значений осадки по профилю дороги;

предложенная технология позволяет снизить материалоемкость строительства, уменьшить антропогенные воздействия на окружающую среду, повысить экологическую безопасность строительства нефтегазопромысловых дорог.

Библиографический список

1. Щербина Е.В. Геосинтетические материалы в строительстве. М. : Изд-во АСВ, 2004. 111 c.

2. Чижиков И.А. Эколого-экономическая эффективность устройства промысловых дорог Западной Сибири с использованием геосинтетических материалов // Экология урбанизированных территорий : сбор. материалов междунар. науч.-техн. конф. М. : Прима-Пресс-М, 2006. С. 197—200.

3. Чижиков И.А., Щербина Е.В. Использование многофакторного анализа для оценки экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог // Экология урбанизированных территорий. 2010. № 3. С. 96—100.

4. ВСН 26—90. Инструкция по применению и строительству автомобильных дорог нефтяных и газовых промыслов Западной Сибири. М. : Минтрансстрой, 1990. C. 54—56.

Поступила в редакцию в январе 2012 г.

Об авторах: Чижиков Илья Александрович — аспирант кафедры городского строительства и экологической безопасности, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ilya2@mail.ru;

Щербина Елена Витальевна — доктор технических наук, заведующий кафедрой городского строительства и экологической безопасности, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ev.scherbina@yandex.ru.

Для цитирования: Чижиков И.А., Щербина Е.В. Обеспечение экологической безопасности строительства нефтегазопромысловых дорог в условиях Западной Сибири // Вестник МГСУ. 2012. № 2. С. 145—151.

I.A. Chizhikov, E.V. Shcherbina

ENVIRONMENTAL SAFETY OF CONSTRUCTION OF OIL AND GAS FIELD ACCESS ROADS

IN WESTERN SIBERIA

The paper presents the results of the field study of the subsidence following the implementation of one of the road building methods. The field study was performed in the area alongside oil and gas field access roads built in the loose marshy ground (peat). The paper provides a description of the geosynthetics installation technology. Outdated road building technologies designated for weak road base conditions feature high consumption of materials and energy and substantial anthropogenic impact on the environment. These technologies comprise complete or partial replacement of the ground by sand, road metal, or macrofragmental material combined with timber as the reinforcing element of the base (a plank road). The objective of the field study was to develop an ecologically safe technology capable of reducing the anthropogenic impact on the environment and improving the strength and the operating safety of the road structure. The field study has proven that the aforementioned objective may be attained through the application of geosynthetic materials designated for the improvement of the bearing capacity of the weak road base. Geosynthetic materials and structures of the road subgrade ensure high speed of construction, high quality and reliability of the road structure, reduction in the consumption of materials and energy to assure the ecological safety of construction of oil and gas field access roads. Earlier, the author used the qualime-try method to assess the ecological safety. This method is used to assess the ecological safety in points. The assessments have proven that the reinforced base technology is preferable to the method of complete or partial replacement of the ground. Projection of the subsistence development pattern that makes it possible to evaluate the safety and the serviceability of the proposed solution is also an important efficiency factor. The field study involved a section of the oil and gas field access road outstretched along the oil transportation route that connected three Salym oil fields in Western Siberia.

Key words: road construction, oil and gas field access road, geosynthetics, road base reinforcing, road subgrade, ecological safety of construction, anthropogenic impact.

References

1. Shcherbina E.V. Geosinteticheskie materialy v stroitel'stve [Geosynthetics in Construction], Moscow, ASV, 2004, 111 p.

2. Chizhikov I.A. Jekologo-jekonomicheskaja jeffektivnost' ustrojstva promyslovyh dorog Zapadnoj Sibiri s ispol'zovaniem geosinteticheskih materialov [Ecological and Economic Efficiency of Site Access Roads Installation in Western Siberia using Geosynthetic Materials]. Jekologija urbaniziro-vannyh territorij [Ecology of urban areas] International Scientific and Technical Conference, Moscow, Prima-Press-M, 2006, pp. 197—200.

3. Chizhikov I.A., Shcherbina E.V. Ispol'zovanie mnogofaktornogo analiza dlja ocenki jeko-logicheskoj bezopasnosti stroitel'stva neftegazopromyslovyh dorog [Use of the Multi-factor Analysis for the Environmental Safety Assessment of construction of Oil-and-Gas Production Roads]. Jekologija ur-banizirovannyh territorij, 2010, Issue # 3, pp. 96—100.

4. BCN (Branch Construction Norms) 26—90 Instrukcija po primeneniju i stroitel'stvu avtomobil'nyh dorog neftjanyh i gazovyh promyslov Zapadnoj Sibiri [Instructions for Oil-and-gas Field Access Roads Use and Construction in Western Siberia], Moscow, Mintransstroi, 1990, pp. 54—56.

A b o u t t h e a u t h o r s: Chizhikov Il'ja Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Urban Planning and Ecological Safety, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, ilya2@mail.ru;

Shcherbina Elena Vital'evna — Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of Urban Planning and Ecological Safety, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Jaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russia, ev.scherbina@yandex.ru.

F o r c i t a t i o n: Chizhikov I.A., Shcherbina E.V. Obespechenie jekologicheskoj bezopasnosti stroitel''stva neftegazopromyslovyh dorog v uslovijah Zapadnoj Sibiri [Environmental Safety of Construction of Oil And Gas Field Access Roads in Western Siberia], Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, Issue # 2, pp. 145—151.