Строительство в Арктике

Как правильно построить пирс в Арктике: эффективно и снизив затраты

Построить глубоководный причал в Арктике – во многом рискованное мероприятие, особенно если речь идет не о построенных портах, а о необитаемом (необорудованном) береге с открытой акваторией, штормами и приливами как на Белом море – до 8 м. Лед и низкие температуры не упрощают задачу. Научно-производственное предприятие «Норд-Инжиниринг» (NORDENG) предлагает инновационное решение, основанное на весьма эффективном использовании различных металлоконструкций.

Чем глубже, тем лучше

В качестве преамбулы. По расчетам инженеров, при должном подходе в Арктике можно создавать глубоководную портовую инфраструктуру, которая будет строиться в разы быстро и относительно с умеренными стоимостными показателями. Причем, высота сооружений может значительно превышать действующие в России объекты-аналоги. К примеру, крупнейший в европейской части страны глубоководный порт Новороссийск способен принимать суда с осадкой не более 14 м, исключая при этом более рентабельные крупнотоннажные суда океанского класса водоизмещением от 70 тыс. тонн. Из-за дефицита глубоководных причалов в России грузы, следующие, например, в Санкт-Петербург, перегружают в портах Европы на мелкосидящие суда. Делая ставку на развитие Северного морского пути, инженеры рассчитывают строить порты для судов с повышенной осадкой, даже больше, чем допускает 20-метровая глубина Суэцкого канала.

В чем проблема? Очевидно, развитие Северного морского пути предполагает создание прибрежных опорных пунктов для его обслуживания и глубоководных перегрузочных комплексов для освоения прилегающих месторождений полезных ископаемых. Между тем, основные проблемы строительства гидротехнических сооружений в Арктике связаны с отсутствием, либо крайним дефицитом производственных ресурсов и усложняющими природными факторами - прибрежным мелководьем, значительными приливами, сложной ледовой обстановкой. Поэтому основной акцент в проектировании делается на привозные конструкции. Рентабельность проекта в конечном итоге зависит от оптимального технологического решения.

Строим пирс

Просчитав различные варианты, компания NORDENG оптимальным полагает следующее решение: узкий двухрядный засыпной пирс гравитационного типа из шпунтовых профилей и анкерных блоков. Его можно строить на грунтах разной плотности — и на относительно слабых, и на скальных породах. Собранная из готовых и привезенных морем элементов такая конструкция эффективна при строительстве в труднодоступных и малонаселенных районах страны. К тому же она не требует дорогостоящих подводно-технических работ.

Проект основан на патентованной технологии (патент РФ № 2656399 компании NORDENG), применимой для различных типов гидротехнических сооружений. Используя преимущества универсальной технологии шпунтовых свай, разработчики смогли преодолеть или минимизировать ее недостатки. Так, при большой высоте шпунтовых стен могут возникать проблемы с прочностью грунтового основания, анкерной системы, либо самих конструкций. Кроме того, большая длина шпунтовых свай может создать неразрешимую проблему при их погружении.

Двухрядная сборная конструкция от компании NORDENG состоит из металлических стеновых панелей и металлических рам, которые связывают панели между собой в продольном и поперечном направлениях. Панели и рамы изготавливают в заводских условиях и в готовом виде доставляют к месту строительства и сборки по морю. Ригели анкерных рам делают из широкополочных двутавров, в соответствии с ГОСТ 57837–2017, высота профиля 70 см. Для изготовления стеновых панелей используют панели шпунтовые сварные ПШС по ТУ 5264–007–01393674–2010, высота профиля 40 см, 45 см.

В сборных стеновых панелях шпунтовые профили расположены горизонтально, к их торцам приварены широкие полосы, с помощью которых осуществляется замковое соединение стеновых панелей с ригелями металлических рам. Неизменяемость геометрических форм анкерных рам при их монтаже обеспечивается за счет жесткости ригелей, усиленной замками, и жесткости продольных связей.

Стоит обратить внимание на то, что важнейшая особенность данной конструкции - низкая материалоемкость. Так, для сооружений высотой 25 м толщина металла стеновых панелей из ПШС 45 по условию их прочности составляет всего 10 мм! В соответствии с сортаментом ТУ 5264–007– 01393674–2010 толщину металла на коррозию можно увеличить до 20 мм, а, при необходимости, использовать другие шпунтовые сортаменты. В теории, допускаемая высота узкого засыпного пирса ограничена его устойчивостью на опрокидывание, которая в значительной степени зависит от давления обратной засыпки на каждую стену конструкции. Вот как эта задача решается на практике.

Модель для сборки

Сборка конструкций производится с использованием монтажной эстакады, состоящей из двух рядов свай, соединенных между собой металлическими ростверками, и инвентарных приспособлений, обеспечивающих на период монтажа рам требуемое расстояние между параллельными ростверками. Рамы свободно навешивают на ростверки эстакады, в замки их ригелей вставляют стеновые панели, которые под собственным весом опускаются на подготовленное или неподготовленное, в зависимости от проекта, грунтовое основание.

Для удобства монтажа стеновых панелей верх замков на всех ригелях располагают на разных уровнях. Сначала панель заводят в замок уже установленной рамы, затем — в замок очередной. После монтажа тяжелых стеновых панелей сборная конструкция приобретает пространственную жесткость, достаточную для последующего устройства обратной засыпки.

Поскольку, после заполнения пазухи грунтом жесткие горизонтальные связи могут не выдержать изгибающего момента от зависающего на них грунта обратной засыпки, они рассчитываются только на монтажные нагрузки. Эксплуатационные нагрузки от давления грунта на стену обеспечиваются за счет дополнительных гибких связей, закрепленных в шарнирах на ригелях рам. При этом горизонтальное расположение шпунтовых профилей в стеновых панелях обеспечивает максимально возможное трение обратной засыпки о стены, что, в свою очередь, способствует повышению устойчивости сооружения на опрокидывание.

Расстояние между анкерными рамами или ширина стеновых панелей, существенно влияет на стоимость сооружения. Чем оно больше, тем ниже составляющая металлических анкерных рам в стоимости сооружения. В то же время увеличение ширины стеновых панелей создает дополнительные сложности для выполнения строительных работ по устройству обратной засыпки. По предварительной оценке, оптимальной может считаться ширина размером 6 м.

 

Штормовые факторы при строительстве

Строительство гидротехнических сооружений на открытых акваториях всегда сопряжено с рисками. Даже в благоприятные для строительства периоды, когда наступление штормовых условий маловероятно, эти риски сохраняются. Разумеется, строящиеся сооружения за короткий период времени, от оповещения до наступления шторма, не могут быть подготовлены ко встрече со штормом. Поэтому, чтобы свести к минимуму вероятность повреждений, сначала строят оградительные сооружения, конструкции которых способны без существенных потерь противостоять шторму на любом этапе строительства, а затем под их защитой возводят причальные сооружения, в том числе из шпунтовых свай. По стоимости и по продолжительности строительства оградительные сооружения считаются наиболее затратными, в сравнении с другими гидротехническими сооружениями.

Причальные и оградительные сооружения при одной и той же высоте могут иметь различное исполнение, гарантирующее их надежность, при этом стеновые панели оградительных сооружений, соприкасающиеся со стороны акватории с каменной призмой, могут иметь окна фильтрации, перекрываемые металлической или полимерной решеткой. Аналогичные окна делают и в других сооружениях, подверженных волновым воздействиям. Для увеличения допускаемой нормативной нагрузки на территорию, расположенную между двумя параллельными сооружениями, их анкерные рамы и стеновые панели могут быть соединены металлическими тягами.

При планировании строительства на основании статистических данных определяют периоды продолжительного стояния благоприятных и нестабильных погодных условий, и в соответствии с прогнозом намечают захватки по строительству сооружений, которые полностью обеспечены ресурсами и строительными материалами, и которые по срокам выполнения укладываются в благоприятные дни. Очередность строительства сооружений определяет простой расчет, построенная часть сооружения должна служить укрытием для используемой при строительстве плавучей техники.

Строительство порта с использованием ноу-хау компании NORDENG может выполнено классическим способом, то есть сначала возводят оградительные, а затем – причальные сооружения, или одновременно, с некоторым опережением возведения оградительных сооружений.

Надо отметить, что сборность конструкции снижает риски во время строительства на открытых акваториях, давая возможности ускорить выполнение работ или при необходимости законсервировать строительный фронт.  

 

Стройка во льдах

Алгоритм строительства морского сооружения в Арктике в общем такой же, как и в Африке (в тропиках и субтропиках): стройка начинается с установки монтажной эстакады, – с погружения свай. Главное требование здесь - обеспечение проектных допусков между параллельными рядами свай на уровне дна. Затем на эстакаде монтируют жесткие рамы и стеновые панели. Параллельно с этим производится устройство обратной засыпки. Грунт отсыпается в среднюю зону пазухи, равноудаленную от стен сооружаемого пирса, с некоторым опережением засыпки связей анкерных устройств. Для оградительных сооружений обратную засыпку выполняют мелким несортированным камнем. Для причальных сооружений, подверженных незначительным волновым воздействиям, обратная засыпка может также выполняться песчаным грунтом с обязательным его уплотнением по глубине.

Глубинное виброуплотнение песчаного грунта обратной засыпки производится по специальному проекту, гарантирующему сохранность сооружения и неизменяемость высотного положения пролетной части анкерных устройств до и после уплотнения грунта.

Арктическая специфика заключается в том, что зимой, при становлении льда в акватории, строительные работы выполняются с учетом гарантированного обеспечения защиты строительного фронта от навала льда. Замковые части анкерных рам и стеновых панелей смазываются антиобледенительным составом. Для устройства обратной засыпки используется только теплый грунт, хранящийся в утепленных буртах. Перед отсыпкой грунта в пазуху с поверхности воды убираются лед, шуга и пр.

В случае перебоев с поставками или при получении во время строительства оповещения о шторме сборку конструкции приостанавливают и приступают к незапланированной консервации. Для этого между анкерными рамами двух последних пролетов сборной конструкции устанавливают металлические оболочки из арматурной сетки и жесткого каркаса, которые засыпают камнем. К слову, риски строительства на открытой акватории могут быть сведены до минимума, если между всеми анкерными рамами конструкции будут устанавливаться засыпаемые камнем металлические оболочки.

В заключение надо сказать, что в целом возможные риски использования представленной конструкции на открытой акватории компенсируются значительным снижением капиталовложений в строительство, которое в ряде случаев для глубоководных морских портов может быть в разы ниже, по отношению к традиционным строительным решениям.

Стоит ли добавлять, что главным фундаментом проекта являются не только многолетние традиции отечественной инженерной мысли и надежда на реализацию в обозримом будущем стратегической идеи российской морской доктрины – Северного морского пути, но и еще в большей степени - вера в разумное и эффективное международное сотрудничество с дружественными к России странами.