Статья ВАК: Бестраншейные технологии разрушения ветхих инженерных сетей и протаскивание в освободившееся пространство новых труб

Введение

Современное общество оценивает роль и значимость подземных инженерных коммуникаций, транспортирующих жидкости, газообразные продукты и другие вещества, только тогда, когда сталкивается с трудностями, возникающими по причине их неполадок, не получая в достаточном количестве транспортируемый жизненно важный продукт [1, 2].

Подземные системы инженерных коммуникаций имеют установленный нормативный срок службы, зависящий прежде всего от материала их изготовления, однако значительная часть из этих систем может функционировать намного дольше при эффективной эксплуатации и вовремя проводимых профилактических ремонтах, необходимость которых вызывается рядом возможных дефектов (свищей, трещин, расхождений стыков и т. д.), провоцирующих снижение расхода транспортируемого вещества за счёт утечек [3].

Для оперативности проведения данных ремонтно-восстановительных работ на инженерных сетях в течение последних 30 лет активно применяют бестраншейные технологии реконструкции трубопроводов, которые, в отличие от традиционных открытых ремонтных работ на местности, не приводят к негативным влияниям на окружающую среду и социальную обстановку, содействуя снижению материальных затрат на производство строительных работ и повышению эффективности эксплуатации трубопроводов [4].

В последние годы наибольший интерес проявляется к бестраншейным технологиям реконструкции трубопроводов путём их предварительного разрушения и протаскивания в освобождающееся пространство новых труб строго по трассе прокладки [5, 6]. Эти технологии отличаются разнообразием модификаций, и знакомство с ними может обогатить отечественный опыт строительства, реновации и модернизации инженерных сетей.

Материалы и методы исследования

Наиболее распространёнными и подлежащими исследованию методами являются следующие методы разрушения трубопроводов: пневматический, гидравлический и статический. Они базируются на использовании соответствующего типа рабочего органа или разрушающей головки (рис. 1).

Рис. 1. Разрушающие головки: пневматическая (а), гидравлическая (б) и статическая (в)

В основе работы пневматической головки для разрушения старой трубы используется пневматический молот, создающий 180–580 ударов в минуту и «забивающий» головку внутрь полости трубы. При использовании гидравлической головки, включающей, как правило, четыре раздвижных лепестка, происходит последовательное расширение и сжимание лепестков по мере продвижения внутри трубы, тем самым разрушая её и вдавливая в окружающий грунт.

При использовании пневматической или гидравлической головок необходимо наличие небольшого вытяжного устройства (лебёдки и троса), которое направляет головку, а также поддерживает её постоянно прижатой к разрушаемой трубе. Статическая головка не имеет подвижных внутренних частей. Головка просто протягивается через трубу мощным тяговым устройством, соединённым с ней буровой штангой или крепкой якорной цепью.

Кроме разрушающего воздействия данных головок может осуществляться также разрезание, дробление и «съедание» материала старого трубопровода за счёт использования иных конструкций рабочих органов, например, специальных резаков (для стальных труб), вариантов машин для микротоннелирования, которые размалывают старую трубу на фрагменты и удаляют их, а не вытесняют в грунт.

Успешная реализация операций по восстановлению работоспособности трубопроводов методом предварительного разрушения старых труб тем или иным методом и замены их новыми строго по трассе обеспечивается результатами предварительной оценки инженерно-геологических условий в зонах эксплуатации инженерных сетей, фактов наличия/отсутствия грунтовых вод, определения напряжений протаскивания труб, а также взаимовлияния окружающей среды и близлежащих инженерных сетей на процессы разрушения трубопровода.

Ниже приводится анализ вышеуказанных условий, направленных на успешную реализацию технологии разрушения старых трубопроводов.

Инженерно-геологические условия

Как и в случае любого подземного инженерного проекта, для проведения операции восстановления работоспособности трубопровода методом его предварительного разрушения необходимы инженерно-геологические данные о состоянии грунтов. В геотехнике грунты считаются трёхфазным материалом, состоящим из скальных или минеральных частиц, воды и воздуха. Пустоты почвы, пространство между минеральными частицами содержат воду и воздух. На инженерные свойства почв влияют четыре основных фактора: преобладающий размер минеральных частиц, их тип, распределение по размерам и количественное соотношение минералов, воды и воздуха.

Наиболее благоприятными условиями для реализации проектов по разрушению трубопроводов являются такие, при которых окружающий трубу грунт может быть легко уплотнён в ходе проводимых операций перемещения разрушающих головок. Также благоприятным обстоятельством может служить условие, при котором образующееся расширенное пространство по трассе трубопровода остаётся открытым во время протаскивания новой трубы. Это снижает сопротивление передвижению новой трубы и, таким образом, уменьшает растягивающие напряжения, которым труба неизбежно подвергается во время протаскивания.

Нельзя не отметить, что более сложным вариантом при разрушении старых трубопроводов и протаскивания труб являются уплотнённые грунты и засыпки, в том числе скальные, а также грунты, которые расширяются в объёме по мере их срезания, например пески с угловатыми зёрнами. При наличии данных обстоятельств увеличиваются усилия, необходимые для операции разрушения. Когда грунт создаёт высокое сопротивление трению на трубе, а длина замены достаточно велика для создания высоких растягивающих сил на протягиваемой трубе, в кольцевое пространство за разрывной головкой могут нагнетаться смеси на основе глиняных растворов (бентонита) или полимеров, позволяющие сохранить проход открытым и уменьшить сопротивление трению трубы о грунт.

В случае эрозии грунта вокруг трубы разрывная головка и следующая за ней труба могут смещаться к области пустот или области более низкой плотности. Если рядом с трубой есть твёрдый грунтовый слой или камень, разрывная головка будет смещаться к более мягкому грунту. При неглубоком заложении трубопровода грунт будет смещаться главным образом вверх по направлению к поверхности, и новая труба будет соприкасаться со старой. Если труба заложена достаточно глубоко относительно её диаметра, грунт будет стремиться смешаться в радиальном направлении вокруг старой трубы, и новая труба будет стремиться к соосности со старой трубой. В случае, когда грунтовые условия существенно изменяются вдоль реконструируемого участка трубопровода, также возможны некоторые изменения уклона или профиля трубы [7].

Наличие грунтовых вод

В случае наличия грунтовых вод любой из процессов разрушения трубопровода может привести к определённым трудностям. Лишь в некоторых почвенных условиях грунтовые воды могут оказывать смазывающее воздействие на протаскиваемую трубу, уменьшая требуемые усилия. При иных условиях подземные воды с включениями грунта заполняют кольцевое пространство за разрушающей головкой, увеличивая силу трения. В связи с этим перед началом проектных и строительных работ проводится геологические исследования на наличие грунтовых вод. Кроме того, предпочтительно, чтобы во время проведения операции разрушения стартовые и приёмные котлованы оставались сухими, позволяя рабочим эксплуатировать оборудование и проводить работы по подключению восстановленного участка к сети. Для обеспечения этих условий на стадии планирования операции восстановления должны предусматриваться меры по организации водопонижения в зоне проведения работ.

Контроль напряжения при протаскивании новой трубы

Во время процесса разрушения старого трубопровода и протаскивания нового в освободившееся пространство в результате тянущего усилия, приложенного к трубе позади разрывной головки, появляется осевое напряжение. Протаскиваемая труба должна выдерживать это напряжение без разрушения или повреждения. Наилучшим вариантом на предмет выдерживания трубой тянущих напряжений в грунте является проведение предварительных полевых испытаний вблизи объекта реновации по определению сил трения. Сопротивление трению представляет собой произведение коэффициента трения между трубой и грунтом, среднего давления, перпендикулярного трубе, зависимого от высоты грунтового слоя и единицы его массы, а также площади поперечного сечения трубы.

Как правило, при этом результатами может быть следующее:

• если грунт вокруг протаскиваемой трубы обрушивается не сразу, напряжение в трубе обусловлено трением, создаваемым весом трубы;
• если грунт обрушивается непосредственно вокруг трубы, трение трубы может быть рассчитано методами, аналогичными тем, которые используются для оценки сил трения в операциях с использованием тоннелепроходческих комплексов.

В случае, если условия и протяжённость восстанавливаемого участка вызывают риск высокого напряжения в протягиваемой трубе, то рекомендуется контролировать приложенное к ней усилие. Мониторинг может осуществляться с использованием датчиков нагрузки или тензометров, установленных вплотную за разрушающей головкой, что позволяет фиксировать и регистрировать любые изменения тягового усилия. Напряжение в протаскиваемой трубе может быть понижено с использованием смазочного раствора, который задерживает обрушение грунта вокруг трубы и снижает коэффициент трения между трубой и грунтом.

Влияние процесса разрушения трубопровода на окружающую среду

Данный вопрос затрагивает два аспекта, где первый связан с расположением протягиваемого трубопровода в освобождаемом подземном пространстве, а второй — с наличием вдоль трассы фрагментов разрушенного старого трубопровода различных форм и размеров.

Первый аспект можно охарактеризовать следующими положениями. Практика показывает, что осевая линия протягиваемой трубы редко совпадает с осевой линией трассы после разрушения трубопровода. Положение новой трубы обычно зависит от характеристик грунта, поверхностных условий и процедур монтажа. Кроме того, возникает необходимость ориентироваться на степени увеличения диаметра трассы при реализации процесса разрушения трубопровода соответствующей головкой.

Например, при протягивании в освобождающееся пространство трубы большего диаметра, силы, необходимые для преодоления давления проходки, должны быть значительно выше, чем те, которые требуются, когда разрывная головка полностью находится внутри трубопровода. Определённое значение имеет глубина проходки на объектах реконструкции, в особенности, когда трубы протаскиваются на минимальных расстояниях от поверхности земли. В этом случае следует проявлять осторожность, чтобы предвидеть движения грунта и положение новой, прокладываемой трубы.

В частности, протаскиваемая труба может легко отклоняться от первоначальной отметки вблизи начальной или конечной точки проведения операции разрушения. Часто подобная проблема возникает, когда новая труба является жёсткой (большой диаметр, толстые стенки), а места стартового котлована слишком малы, чтобы полностью выровнять её с исходным трубопроводом.

Отклонения трубы от заданной траектории (отметки) при проведении операции разрушения трубопровода могут быть уменьшены, если грунтовые условия вокруг существующего трубопровода однородны. Однако, если под ним имеется зона с мягким грунтом (глинистым или песчано-глинистым), новая труба может опуститься в сторону этой зоны, и проседание трубопровода увеличится.

Для поддержания прямолинейного направления при проведении операции разрушения могут использоваться более длинные разрушающие головки (например, пилотные, используемые при направленном горизонтальном бурении).

С другой стороны, твёрдый грунт или скальное основание под существующей трубой может препятствовать разрушению нижней стенки трубопровода и вызывать прорыв разрушающей головкой верхней части, перемещая протягиваемую трубу за пределы трассы трубопровода. Эта проблема в зарубежной практике была решена путём совершенствования разрывной головки и её адаптации к возможности разрушения основания существующего трубопровода [8].

Что касается второго аспекта, то, как правило, после проведения операции разрушения трубопровода в окружающем пространстве остаётся множество фрагментов старой трубы различных форм и размеров. Эти фрагменты имеют тенденцию оседать у боковых стенок или лотковой части протаскиваемой трубы (при залегании в песке) или располагаться по всему периметру сменной трубы при залегании в илистых грунтах или глине. Фрагменты обычно располагаются в некотором удалении от протягиваемой трубы с расстоянием друг от друга около 6 мм. Другими словами, создаётся некое затрубное пространство, которое лишь впоследствии заполняется грунтом. При этом обычным явлением после проведения операции восстановления являются царапины на протягиваемой трубе. Но, как правило, эта проблема не является слишком серьёзной и может быть решена путём подбора труб с более толстыми стенками или использования труб с защитным покрытием (полиэтилен как внутренний слой и полипропилен в качестве наружного в соотношении 75/25%). Например, трубы из полипропилена могут выдерживать царапины глубиной до 10% от толщины стенки трубы без влияния на их прочность или внутреннее давление.

Перемещения грунта

Каждая процедура разрушения трубопровода связана с перемещениями грунта. Даже при выполнении операций по замене новой трубой старого трубопровода после его разрушения размер в размер создаётся подвижность грунта, поскольку разрывная головка имеет больший диаметр, чем старая труба. Перемещения грунта, как правило, направлены от источника через почву в сторону наименьшего сопротивления. Наибольшие смещения наблюдаются непосредственно при проведении операции разрушения. Обычно перемещения локализуются и быстро рассеиваются с увеличением расстояния от источника.

Перемещения грунта зависят главным образом от степени увеличения диаметра, типа и уровня уплотнения существующего грунта вокруг трубы и глубины проведения операции.

Рис. 2. Возможные перемещения грунта при разрушении трубопровода

Например, в относительно однородном грунте на небольших глубинах (рис. 2а) перемещения направлены к поверхности земли (вверх), а на больших глубинах они направлены более равномерно во все стороны от периметра трубы (рис. 2б). В рыхлых грунтах и для труб малого диаметра равномерное расширение возможно уже на глубине 0,6 м, в то время как в относительно плотных грунтах перемещение на этой глубине всё ещё будет направлено преимущественно вверх.

Почвенные условия в траншеях обычно неоднородны. Материал обратной засыпки часто более рыхлый, чем исходный окружающий грунт, и смещения, вероятно, будут ограничены пределами существующей траншеи (рис. 2в). Если рыхлым является ещё и основание трубы, то смещение может быть направлено вниз, а не вверх (рис. 2г).

Если движения грунта не ослабляются до того, как они достигают поверхности, они приводят либо к вспучиванию поверхности, либо к её оседанию. Как правило, вспучивание или оседание грунта происходит непосредственно над трубой, однако возможны и исключения. Близость жёсткой границы может нарушить вертикальную симметрию и сместить движение грунта в сторону (рис. 2д).

Кроме того, иногда может возникать одновременно вспучивание и оседание. Это наблюдается, когда протягиваемая труба имеет диаметр больший, чем разрушаемая. Увеличение диаметра компенсируется уплотнением грунта на небольшом расстоянии от трубы, а за пределами этой зоны может произойти оседание.

Существует множество сочетаний различных факторов, которые определяют, будет ли поверхность вспучиваться или оседать. Если существующий грунт представляет собой рыхлый песок или относительно новую засыпку траншеи, которая всё ещё оседает, процесс разрушения может привести к дальнейшему оседанию существующего грунта. В обратном случае, если грунт хорошо уплотнён, а труба залегает не очень глубоко, процесс разрушения создаст бугристость на поверхности, особенно при значительном увеличении размера протягиваемой трубы.

Критическими условиями при значительных перемещениях грунта являются случаи, когда существующая труба заложена неглубоко, а перемещения грунта направлены вверх, когда значительно увеличен размер замещающей трубы и происходит изменение диаметров существующего и протаскиваемого трубопровода в пределах двух-трёх раз. Перемещения грунта становятся оптимальным, если процесс разрушения выполняется на определённой минимальной глубине от поверхности земли и на определённом расстоянии от подземных инженерных сетей [8].

Влияние на близлежащие инженерные сети

Подвижность грунта во время проведения операции разрушения трубопровода может привести к повреждению близлежащих труб или конструкций. При этом относительно хрупкие трубы наиболее подвержены серьёзным повреждениям. Из-за подвижности грунта может нарушаться и герметичность стыковки отдельных труб соседствующих трубопроводов. Реакция соседней трубы на воздействие от операции разрушения зависит от положения трубы относительно направления разрушения. Параллельно расположенная смежная труба подвержена переходному продольному воздействию, поскольку операция разрушения продвигается вдоль неё. Если соседняя труба пересекает линию проведения операции разрушения, она подвергается поперечному изгибу. Поэтому очень важно, чтобы до операции разрушения трубы для всех трубопроводов в пределах пути проведения операции были определены точные места расположения инженерных сетей.

Степень ущерба соседним коммуникациям зависит от типа грунта. Если трубы расположены в рыхлом грунте (засыпка, которая не была уплотнена до уровня плотности соседнего грунта), перенос нагрузки менее значителен, чем через прочный несжимаемый грунт. Чтобы избежать индивидуальных исследований в каждом проекте по разрушению трубопровода, необходимо следовать некоторым общим указаниям по безопасности, чтобы обеспечить защиту труб вблизи проведения операции. Как правило, как горизонтальное, так и вертикальное расстояние между подлежащей разрушению трубой и существующей смежной трубой должно составлять по меньшей мере двух диаметров протаскиваемой трубы. Предпосылкой для предотвращения повреждения смежных инженерных сетей является знание об их существовании и конкретном местоположении до момента проведения операции.

Вибрации грунта

Все операции реконструкции ветхих трубопроводов методом разрушения в некоторой степени создают колебания частиц грунта. Американским Центром бестраншейных технологий (Trenchless Technology Center, TTC), входящим в состав Технологического университета Луизианы (Louisiana Tech University), было проведено обширное исследование скорости вибрационного движения грунта для трёх различных способов замены труб: пневматического, гидравлического и статического.

Исследование показало, что ни один из протестированных методов разрушения труб не может повредить близлежащие коммуникации, если они находятся на расстоянии более одного метра от разрушающей головки.

Уровни вибрации из-за разрушения трубопроводов зависят от мощности разрушающей головки (ударной мощности), применяемой в процессе разрушения, а также от размера и материала существующей трубы и от степени увеличения диаметра для протаскивания нового трубопровода.

Вибрации, вызванные разрушением труб, не наносят ущерба близлежащим зданиям. Максимальная скорость движения частиц грунта обычно не превышает пороговых критериев косметических трещин в зданиях для соответствующих частот колебаний грунта. Кроме того, вибрации в земле быстро ослабляются с увеличением расстояния от их источника. Скорости частиц грунта 0,13 м/с, принятые как повреждающие уровни вибрации грунта по отношению к заглублённым конструкциям, могут быть достигнуты на расстоянии до 0,8 м от разрушающей головки. В диапазоне частот от 30 до 100 Гц уровень 0,05 м/с, определяемый как порог повреждения чувствительных поверхностных структур, может быть достигнут на расстоянии 2,5 м от разрывной головки. Однако наличие зданий, располагающихся настолько близко к месту проведения операции разрушения, — очень редкое явление. Если же расстояния составляют менее указанных выше, следует принять специальные меры для защиты прилегающих сооружений, например, раскопать места пересечения для снятия грунтовых напряжений с существующих инженерных коммуникаций.

Также следует отметить, что, хотя наземные колебания могут быть заметны для человека, стоящего на поверхности вблизи проведения операции разрушения, уровни вибраций, зафиксированные при разрушении труб диаметром от 150 до 400 мм в испытаниях TTC, вряд ли будут иметь повреждающий эффект, за исключением очень близких расстояний до места проведения операции разрушения [9].

Экологичность процесса

С глобальной точки зрения человечество борется с последствиями выбросов углерода и стремится к тому, чтобы строительная промышленность применяла методы, которые позволят сократить расход ископаемого топлива, затрачиваемого на строительные работы, и снизить вредные выбросы. В последнее время наметилась тенденция к активному внедрению применения малоинвазивных (менее затратных во всех отношениях — временных, денежных, экологических и т. д.) бестраншейных методов и оборудования для замены подземных коммуникаций, особенно в условиях насыщенности городской застройки. Подходы к количественной оценке выбросов углерода сосредоточены главным образом на воздействии дополнительных выбросов, обусловленных задержкой движения транспорта во время перекрытия дорог из-за открытого строительства трубопроводных сетей. В данной ситуации бестраншейные методы имеют значительное преимущество, так как содействуют обеспечению соответствующих благоприятных экологических условий.

Исследование, проведённое Североамериканским обществом по бестраншейным технологиям (North American Society for Trenchless Technology, NASTT), а также Университетом Ватерлоо (University of Waterloo), расположенным в городе Онтарио (Канада), выявило два аспекта, в которых бестраншейный подход является экологически более безопасным. Во-первых, при использовании бестраншейной технологии снижается расход топлива при движении машин. Избегая перебоев в движении, бестраншейные проекты предотвращают пробки и объезды, связанные с обычными проектами реконструкции подземной инфраструктуры. Это уменьшает количество потребляемого бензина и впоследствии снижает выбросы углерода. Меньшие задержки в движении транспорта также являются социально выгодными для жизни человека, сводя к минимуму неудобства, связанные со строительными работами.

Во-вторых, как указывалось ранее, непосредственно сами бестраншейные работы производят меньше выбросов. Они требуют минимального оборудования, так как нет необходимости в выемке грунта, уплотнении, обратной засыпке и повторном мощении, что резко снижает расход топлива, необходимого для работы строительной техники.

Кроме того, бестраншейные работы по сравнению с открытыми, как правило, более оперативны с точки зрения экономии времени. Зарубежными исследователями было проведено сравнение использования метода разрушения трубопровода с открытым способом для типичного проекта реконструкции городской канализации и обнаружено, что реконструкция методом разрушения заняла три дня, в то время как ремонт открытым способом потребовал семь дней.

Таким образом, бестраншейный подход оказался более чем на 50% эффективен во времени. Благодаря этим совокупным экологическим выгодам исследования показали, что бестраншейные методы привели к снижению выбросов парниковых газов на 79% и обеспечили общую экономию от 25 до 50% по сравнению с открытой заменой труб [10].

Выводы

1. Проведён анализ и рассмотрены аспекты технического и технологического характера, направленные на широкое применение бестраншейных технологий реновации трубопроводов с предварительным их разрушением и протаскиванием труб в освобождающееся пространство, в частности, влияние на эффективность процессов инженерно-геологических условий, наличия грунтовых вод, необходимости контроля напряжения при протаскивании новой трубы и возможных перемещений и вибрации грунта, в том числе при наличии близлежащих инженерных сетей, а также учёта влияния окружающей среды на процесс разрушения трубопровода.

2. Выявлены преимущества бестраншейных технологий реконструкции трубопроводов в экологическом аспекте, в частности: уменьшение карбонового следа (выбросов углекислого и угарного газов) и снижение выбросов оксида азота, окиси серы и дыма, а также твёрдых частиц; возможность использовать пространство существующей инженерной сети, не прокладывая дополнительные инженерные коммуникации в перегруженную подземную систему; уменьшение влияния на дорожное движение и сохранении корневой системы деревьев, сохранение хрупких экосистем, таких как прибрежные районы и водно-болотные угодья, как следствие исключения ущерба, причиняемого открытыми раскопками; уменьшение количества выкопанного грунта, что отражается на снижении стоимости земляных работ и плату за вывоз грунта, поскольку почва часто загрязнена, что требует специального дорогостоящего удаления.