Классификация бестраншейных методов прокладки, их особенности и область применения
Принципиальным отличием бестраншейных методов прокладки трубопроводов от традиционных (классических), которые сопровождаются рытьем траншей или котлованов, является малый, а в некоторых случаях нулевой объем земляных работ, проводимых в период строительства.
Наиболее распространенные методы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций — горизонтальная проходка в грунтах и протягивание (протаскивание) в образовавшуюся скважину отдельных модулей труб или плетей трубопроводов.
Проходка горизонтальных (наклонных) скважин, а также вертикальных стволов и протягивание в них трубопроводов могут производиться следующими методами: горизонтальное (наклонное) направленное бурение (в том числе шнековое), микротоннелиро-вание, ударно-импульсное продавливание, раскатка скважин.
При применении метода горизонтального (наклонного) направленного бурения осуществляется предварительное (пилотное) бурение по заранее рассчитанной траектории с последующим расширением скважины и протаскиванием трубопровода в образовавшуюся полость. На рис. 1.1 показана установка горизонтального бурения фирмы «Vermeer» для бурения скважин диаметром до 500 мм с последующим протаскиванием в них трубопроводов, а на рис. 1.2— 1.5 представлены некоторые модификации буровых головок, зондов и расширителей, в огромном количестве используемых в практике бурения и бестраншейной прокладки труб.
При работе большинства установок горизонтального (наклонного) направленного бурения необходим буровой раствор, который предназначен для смазки образующейся скважины, ее стабилизации, удаления отходов бурения и охлаждения буровой головки или ее коронки. В качестве бурового раствора может применяться вода, однако чаще используются растворы на основе бентонита или полимеров. Буровые растворы, как правило, подлежат очистке и повторному использованию.
Рис. 1.1. Установка горизонтального направленного бурения
фирмы«Vermeer»
Современные установки сухого направленного бурения, в том числе для скальных грунтов, работают без использования бентонитового раствора. В таких установках вместо бурового раствора используется сжатый воздух с небольшим количеством биоразлагающейся добавки (например, разработанной фирмой «Powermole») или водяным распылением (разработка фирмы «Steve Vick International»).
Разновидностью аппаратов направленного бурения являются установки горизонтального шнекового бурения, которые обеспечивают одновременное бурение скважины и продавливание (рис. 1.6) трубопровода, как правило стального, диаметром 200—1400 мм.
Рис. 1.2. Лопастной бур-расширитель Terminator для мягких грунтов фирмы «Melfred Borzall»
Рис. 1.3. Зонды со сменными буровыми головками фирмы «ЮБ»: а — в виде резца с твердым наконечником на резьбе; б — то же на шестиграннике для быстрого разъема; в - молотковый; г — шарошечный; д — немагнитный (для использования при системе локации
по магнитному полю Земли)
Рис. 1.4. Специальная буровая головка для скальных пород IDS RB-H TCI с карбидовольфрамовым защитным армированием опорного подшипника фирмы «IDS»
Рис. 1.5. Расширители и вертлюг фирмы «/ОБ»:
а и б - расширители для твердых пород различных типоразмеров, совместимых с инструментами других производителей; в - расширители для мягких пород; г - вертлюг (узел соединения расширителя со штангой)
Рис. 1.6. Этапы технологии прокладки трубопровода из колодца в колодец с помощью управляемого шнека:
1-й этап — прохождение шнеком пилотной (опытной) скважины от стартового колодца до финишного и установка промежуточных трубных звеньев малого
диаметра по трассе бурения;
2-й этап — образование шнеком уширенной скважины с диаметром, соответствующим прокладываемой трубе, и установка промежуточных звеньев; 3-й этап — последовательное продавливание трубных модулей
С помощью установок шнекового бурения можно вести непрерывное бурение из специальных шахт в самых сложных геологических условиях и при высокой скученности различных инженерных сооружений и коммуникаций как вблизи прокладываемого трубопровода, так и на поверхности земли. Одним из главных преимуществ метода горизонтального бурения является большая скорость проходки, но при этом необходимо соблюдать предельную осторожность во избежание столкновений с существующими подземными коммуникациями и их случайных повреждений.
Чаще всего для протаскивания трубопроводов из полиэтилена и стали (при толщине стенки не менее 2% от диаметра трубы) диаметром до 300 мм и длиной до 50 м применяют малые установки направленного бурения с тяговым усилием до 4 тс. Средние установки с тяговым усилием до 30 тс позволяют осуществлять прокладку коммуникаций диаметром до 500 мм на расстояние до 400 м, а с помощью больших установок можно прокладывать трубопроводы диаметром до 1400 мм и длиной до 2000 м (в основном это подводные переходы магистральных трубопроводов).
Микротоннелирование следует рассматривать как дистанционно управляемый процесс проходки скважин (в том числе горизонтальных) и продавливания труб, диаметр которых не допускает в них присутствие человека. При этом способе тоннель прокладывается с помощью дистанционно управляемого проходческого микрощита диаметром до 2 м с последующим протягиванием труб (рис. 1.7, 1.8).
Микротоннельный щит размещается в заранее подготовленной стартовой шахте (котловане) и передвигается в заданном прямолинейном или криволинейном направлении. Выемка щита производится из финишной шахты (котлована). Расстояние между стартовой и финишной шахтами составляет 100—120 м. При необходимости расстояние может быть увеличено в несколько раз путем использования специального дополнительного оборудования — промежуточных прессовых станций. За щитом с помощью домкратных установок продавливаются трубы из различных материалов — стальные, железобетонные, керамические или очень перспективные полимербетонные со специальными стеклопластиковыми муфтами, оказывающими незначительное сопротивление при протяжке в образовавшейся скважине. Если используются керамические трубы, то они должны быть подвергнуты предварительному замачиванию, так как иначе
Рис. 1.7. Микротоннельный управляемый щит МТА 1000 с буровыми головками дробище-скалывающего действия (шарошечные долота)
Рис. 1.8. Микротоннельный управляемый щит МТА 700 с буровыми головками режуще-скалывающего действия (лопастные долота)
при прокладке таких труб в сыром грунте их прочность может оказаться недостаточной.
По мере продвижения микрощита разработанный грунт выводится специальными устройствами за пределы скважины в стартовую шахту.
Микротоннелирование может применяться при любом грунте (в том числе при наличии по трассе проходки крупнообломочных грунтов с включением гравия, гальки и щебня в виде прослоек или валунов) и любой степени влажности грунтов. Однако технология микротоннелирования наиболее эффективна в песчаных, в том числе водонасыщенных, грунтах (глинах, суглинках, супесях), при проходке в однородном забое.
При реализации метода минимальная глубина заложения верха (свода, шелыги) трубопровода относительно грунтовой поверхности должна быть не менее 1,5—2 диаметров трубопровода. Расстояние между прокладываемым трубопроводом и расположенными в земле подземными коммуникациями и сооружениями должно составлять не менее 1 м.
Ориентация микропроходческого щита контролируется с помощью лазерной системы. Для проходки микротоннелей используются щиты различной оснастки и компоновки. Силовое оборудование может размещаться как внутри щита, так и на поверхности земли. В зависимости от категории грунта изменяются вид и твердость режущих кромок рабочего органа.
Разновидностью микротоннелирования является мини-тонне-лирование. Согласно современной международной терминологии в
области бестраншейных технологий, мини-тоннелирование можно трактовать как щитовую проходку в грунте с образованием тоннеля диаметром от 1 до 2 м. Технология мини-тоннелирования (например, немецкая фирма «Tauber») предусматривает два этапа работ: горизонтальную разработку грунта в забое стартовой шахты с помощью механизированных щитовых комплексов с погрузкой извлеченного грунта на ленточный конвейер и в вагонетки, перемещаемые малогабаритным локомотивом к стартовой шахте; монтаж крупноблочной круговой обделки, состоящей из трех тюбингов (сегментов прокладываемого коллектора), с помощью портативного тюбингоукладчи-ка в юбке щита. Наличие на торцевых поверхностях тюбингов элементов сочленения в виде гребня-паза позволяет осуществить их точное соединение с образованием герметичного трубопровода. До начала следующей передвижки щита в затюбинговое пространство подается быстротвердеющий раствор, обеспечивающий механическую прочность конструкции.
Метод ударно-импульсного продавли-вания основан на проходке или расширении в грунте горизонтальных скважин и затягивании в них труб (диаметром до 400 мм) с помощью пробойников (пневмопробойников, гидропробойников) или забивке в грунт стальных трубопроводов диаметром 400—1400 мм пневмоударными машинами.
Рис.1.9. Пробойник Grundomat фирмы «Tracto-Technik»
Пневмопробойники имеют обтекаемый цилиндрический корпус, в котором размещены ударник и воздухораспределительный механизм (рис. 1.9). Ударник под действием сжатого воздуха наносит удары по корпусу,
передвигая его. При этом корпус может двигаться как в прямом, так и в обратном (реверс) направлениях.
Пробойники имеют относительно небольшие размеры и стоимость, просты и удобны в эксплуатации и обслуживании. К преимуществам этого метода можно отнести также большую скорость прохода пробойника и незначительное уплотнение окружающего грунта. Это обстоятельство особенно важно при прокладке трубопроводов на близком расстоянии друг от друга, вблизи действующих коммуникаций или на небольшой глубине, что позволяет не нарушать структуру почв и не провоцировать какие-либо деформации в зоне прокладки многочисленных подземных коммуникаций.
Наряду с явными преимуществами использования пробойников по сравнению с другими горизонтальными методами проходки грунта их внедрение сдерживается рядом обстоятельств и факторов, из которых наиболее существенным является возможное отклонение пробойника от заданной траектории. Для устранения этого недостатка, т.е. для стабилизации курса пробойника, проводятся исследования по его совершенствованию: изменяется форма его головной части (выполняется в виде конуса или ступенчатой гильзы); увеличивается боковая поверхность, что препятствует повороту продольной оси пробойника (для этого применяют, например, удлинительные и пластинчатые насадки); используются дополнительные силы реакции грунта для компенсации отклоняющего воздействия (например, использование грунтового руля с косым срезом); создаются адаптирующиеся пробойники, в которых дополнительное компенсирующее усилие возникает автоматически в результате самонастраиваемого изменения геометрии пробойника под воздействием неоднородного грунта.
Пневмоударные машины (молоты) представляют собой крупногабаритные тяжелые агрегаты. Например, отечественный молот «Тайфун 1500» для забивания в грунт труб диаметром до 1420 мм имеет размер 2700 х 600 мм при массе ударной части 1,5 т.
Наиболее распространены в практике бестраншейного строительства стальных трубопроводов пневмоударные машины Сгипс1огат производства фирмы «ТгасЮ-Тесктк», позволяющие продавливать трубы диаметром до 4000 мм на длину до 80 м, при этом скорость проходки может достигать 15 м/ч. Продавливаемая труба и машина имеют надежное сборное соединение, при котором ударная сила распределяется оптимально подлине трубы. В состав соединения входят конус-насадка, ударные сегменты и натяжные ремни. Во время продавливания трубопровода грунт (земляной стержень) остается внутри трубы. Полная очистка трубы от грунта производится после окончания цикла работ. При этом земляной стержень выдавливается с помощью воды или воздуха, подаваемых под давлением, комбинацией этих двух методов, а также размельчением грунта и его выносом с помощью шнекового бурения, размывающей струи воды или вручную.
Раскатка скважин представляет собой непрерывный процесс образования в грунте цилиндрической полости путем деформации и уплотнения грунта раскатывающим механизмом, или раскатчиком (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Раскатчик скважин РТ-470 с закрепленной в хвостовой части трубной плетью для протаскивания в горизонтальную скважину
Раскатчики состоят из конических катков, установленных на подшипниках качения на валу друг за другом. Оси катков развернуты в поперечной плоскости и смещены в продольной относительно оси устройства таким образом, что при его вращении катки перемещаются по винтовой линии и раскатчик вворачивается в грунт, образуя скважину.
При внедрении раскатчика в грунт для образования горизонтальной скважины путем вращения и осевой подачи вала катки обкатываются по забою и формируют стенку скважины. Каждый последующий каток входит в участок скважины, раскатанной предыдущим катком, увеличивая ее диаметр. При этом грунт вытесняется в радиальном направлении и вокруг скважины образуется уплотненная зона диаметром, равным 3—4 диаметрам скважины. Формирование скважины раскатчиком можно сравнить с уплотнением грунта на поверхности земли, когда используется группа катков, из которых каждый последующий тяжелее предыдущего.
Необходимо отметить, что в отличие от описанных выше способов проходки скважин, где разрушенная порода выносится на поверхность, раскатчики при проходке в сжимаемых грунтах вдавливают ее в стенки скважины, существенно уплотняя их. Это позволяет получить устойчивую цилиндрическую полость, в которой могут быть проложены коммуникации различного назначения. Однако сильное уплотнение грунтового массива вокруг скважины вдоль трассы может оказывать некоторое негативное влияние по отношению к параллельным инженерным коммуникациям, если они проложены в непосредственной близости от пути движения раскатчика.
Раскатчик сохраняет свою работоспособность в любых сжимаемых грунтах с твердыми включениями (величиной до У3 диаметра раскатчика), которые закатываются им в стенки скважины.
Преимуществом метода раскатки по сравнению с горизонтальным (наклонным) направленным бурением является отсутствие необходимости использования передвижных насосных установок (для подачи воды к буровому инструменту) или компрессора (для подачи сжатого воздуха к пневмопробойнику). Кроме того, при использовании раскатчиков полностью исключается просадка грунта на поверхности. Однако раскатчики нельзя применять в стесненных условиях насыщенного коммуникациями подземного пространства города, иначе при наличии параллельных коммуникаций на трассе проходки может произойти их деформация за счет резкого уплотнения грунта.
