При продавливании трубопроводов в грунте производится преодоление сил резания, объемного сжатия и смятия грунта. Для определения указанных сил необходимо иметь достоверные данные о грунтах, в которых будет осуществляться продавливание полиэтиленового трубопровода. К примеру, коэффициент сопротивления смятию позволяет оценивать несущую способность грунта и, в этой связи, правильно выбирать продавливающее оборудование. Значение этого коэффициента у разных грунтов колеблется [4] порой от 0,012 до 0,13 кПа. По данным некоторых исследователей, сопротивления при вдавливании штампов в грунт должны коррелироваться с усилиями резания, и они могут служить объективными критериями для составления шкалы сопротивляемости местных грунтов продавливанию. Правильный показатель сопротивления сдвигу нужен для правильного расчета режимов работы и оценки нагрузок на продавливающее оборудование. В настоящее время нет единой точки зрения на природу сопротивления грунтов сдвигу. Некоторые исследователи считают, что сопротивление сдвигу зависит только от сцепления между частицами, показателем которого является коэффициент сцепления. Другие полагают, что сопротивление сдвигу зависит также и от сил трения. Показателями этих сил, действующих в грунте, считают угол внутреннего трения и коэффициент трения. Несмотря на недостаточную изученность природы сопротивления и условность его разделения на внутреннее трение и сцепление, для практических расчетов сопротивление грунтов сдвигу принято характеризовать зависимостью, выражающейся уравнением Кулона. Сопротивление грунта сдвигу зависит как от физического состояния его (плотности, влажности), так и от условий деформации (скорости сдвига, размеров массива). Для количественной оценки сопротивления грунтов сдвигу проводят экспериментальные исследования, заключающиеся в одновременном измерении нормального и касательного усилий при разрушении сдвигом стандартного образца. Необходимо также учитывать другие физические процессы, происходящие в грунтах при продавливании полиэтиленовых трубопроводов. На данном этапе исследованности вопроса допустимую для продавливания длину Lпэ можно принимать с учетом (рис. 1) доминирующих в системе «закрытая технология–полиэтиленовые трубы–грунт» физико-механических и геометрических показателей. Среди них отметим вес полиэтиленового трубопровода, точнее, трение его одной части о грунт в образуемой при продавливании скважине, трение качения его другой части в рабочем котловане, прочность полиэтилена, прочность грунта, размеры кольцевого ножа, вес выдавленного в трубопровод грунта. Для продвижения полиэтиленового трубопровода в грунте, отвечающего технологичности (скорости и качеству) производимых работ, должны быть обеспечены соответствующие нажим ные усилия Nнт [кН] на трубопровод. Они необходимы для преодоления сил трения наружных контуров трубопровода и режущего ножа о массив грунта Nтр1 [кН], сил трения керна грунта о внутренние контуры режущего ножа и трубопровода Nтр2, а также создания давления для врезания лобовой ножевой части в грунт Nд:Nнт = Kзо(Nтр1 + Nтр2 + Nд), (1)где Kзо — коэффициент запаса на продавливающее оборудование, учитывающий возможные недостатки продавливающего оборудования, Kзо = 0,9–1,1, до получения опытных данных для местных условий следует принимать Kзо = 1.Сила трения наружных контуров трубопровода и режущего ножа о массив грунта [кН]:Nтр1 = KзнfсгGкн + KзтрKзпfтгGт2, (2)где fсг и fтг — коэффициенты трения скольжения стали о грунт и полиэтилена о грунт, можно принимать fсг = 0,6 и fтг = 0,4; Kзн — коэффициент запаса на продавливание кольцевого ножа, учитывающий возможное нахождение в грунте крупных посторонних включений (валунов, строительного мусора и др.); Kзн = 1–3 (устанавливается при подготовке к продавливанию путем тщательного изучения грунтового массива с использованием шурфления), в предварительных расчетах можно принимать среднее значение Kзн = 2; Kзтр — коэффициент запаса на продавливание полиэтиленового трубопровода, учитывающий возможное искривление его продольной оси, Kзтр = 1–1,5 (устанавливается при подготовке к продавливанию с учетом кривизны, смещения и несоосности сваренных полиэтиленовых труб), при предварительных расчетах следует принимать Kзтр = 1,25; Kзп — коэффициент запаса на качество получаемой при продавливании полости, учитывающий возможные заклинивания полиэтиленового трубопровода от местных обрушений грунта, Kзп = 1–2, при предварительных расчетах следует принимать Kзтр = 1,5; Gкн и Gт2 — веса [кН] кольцевого режущего ножа и части 2 полиэтиленовой трубы длиной λ2, отвечающей расчетному случаю (рекомендуется принимать λ2 = 2 м) и трубопровода длиной L (принимается с учетом допустимых сил продавливания, не приводящих к разрушению полиэтиленовых труб), скользящих по грунту при продавливании полиэтиленового трубопровода. Сила трения керна грунта о внутренний контур полиэтиленового трубопровода [кН]:Nтр2 = KгрfтгGт3, (3)где Gт3 — вес [кН] керна грунта длиной λк, отвечающей расчетному случаю (рекомендуется принимать λк = 2 м), скользящего внутри полиэтиленового трубопровода при продавливании; Kгр — коэффициент, учитывающий неоднородность и уплотненность грунта, Kгр = 1–1,2, в предварительных расчетах можно принимать Kгр = 1,1.Необходимое для врезания лобовой ножевой части в грунт давление [кН]:Nд = 0,25Kкнπ(Dнн + Dвн) × (4)× (Dнн – Dвн)qc,где qc — сопротивление вдавливанию кольцевого ножа в грунт, кПа, можно принимать qc = 400 кПа (крупнозернистый песок, гравий, щебень, галька, плотные глина, суглинок и супесь тугопластичной или твердой консистенции), 200 кПа (мелко и среднезернистые пески, глина, суглинок и супесь в пластичном состоянии) и 100 кПа (при слабых грунтах — водонасыщенные пылевидные грунты, глина, суглинок и супесь в пластичном состоянии, близком к границе текучести) с обязательной последующей корректировкой, с учетом особенности и вида местных грунтов; Kкн — коэффициент, учитывающий конструкцию кольцевого ножа, Kкн = 0,5–0,7 (зависит от расположения и угла скоса заходной части), при скосе 25–30° Kкн = = 0,5 (скос с наружной стороны), Kкн = 0,6 (скос с наружной и внутренней сторон) и Kкн = 0,7 (скос с внутренней стороны); Dнн и Dвн — наружный и внутренний диаметр кольцевого ножа, м.Нажимные усилия на трубопровод не должны превышать максимально допустимых для полиэтиленовых труб сил сжатия:Nнт ≤ Nсжт. (5)Максимально допустимая для трубы из полиэтилена какого-либо класса (ПЭ63, ПЭ80, ПЭ100) с конкретными ее геометрическими показателями сила сжатия [кН]:Nсжт = π(D – δ)δσсж0KзтKtKτ, (6)где D и δ — наружный диметр и толщина стенки полиэтиленовой трубы, соответственно, м; σсж0 — кратковременное разрушающее напряжение сжатия полиэтилена, кПа (при отсутствии конкретных данных заводов-изготовителей полиэтиленовых труб можно принимать σсж0 = 20000 кПа); Kзт, Kt, Kτ — коэффициенты, учитывающие запас (ограничивающий превышение допустимого сжатия полиэтиленовых труб), температуру и время полного проведения монтажных работ. Коэффициент запаса Kзт должен учитывать: ответственность проводимых работ (0,9–0,95), приближенность расчета (0,6–0,7), концентрацию напряжений (0,6–1), сложность технологии (0,87–1), симметричность воздействия (0,87–0,95), диаметр труб (до 200 мм — 0,9, более 200 мм — 0,87), посадку планшайбы на трубу (0,7–0,9), особенности полиэтилена (0,9–0,95), температурно-временные необратимые воздействия (0,5–0,8) и, на всякий случай, 0,9. Средний коэффициент запаса при этом будет составлять:Kзт = 0,925 × 0,65 × 0,8 × 0,935 × 0,91 × × 0,87 × 0,8 × 0,925 × 0,65 × 0,9 = 0,154.До получения опытного подтверждения указанных значений всех коэффициентов можно рекомендовать к применению это значение среднего коэффициента запаса. Значения коэффициента, учитывающего температуру полиэтиленовой трубы на контакте с планшайбой при вдавливании трубопровода в грунт:Kt ≈ 1,44 – 0,02t. (7)Значения коэффициента Kt, учитывающего время непрерывного воздействия усилий, передаваемых планшайбой на торец полиэтиленовой трубы при вдавливании трубопровода в грунт, следует принимать следующими значениями в зависимости от грунтовых условий: 0,95 (слабые грунты), 0,9 (средние грунты) и 0,8 (твердые грунты).Рассмотрим примеры использования указанных коэффициентов. Пример 1. Дано: трубы из ПЭ100, D = = 1 м, SDR = 17, PN = 10 бар, δ = 0,0593 м, σсж0 = 20 000 кПа, Kзт = 0,154, Kt = 0,8, Kτ = 0,8.Расчет:Nсжт = 3,14 × (1 – 0,0593) × 0,0593 ×× 20 000 × 0,154 × 0,8 × 0,8 = 285 кН. Пример 2. Принимаем: Kзо = 1, Gкн = = 15 кН, Kзтр = 1,25, Gт2 ≈ 54 кН (1 м трубы умножить на длину трубопровода: 1,789 кН/м × 30 м), Kзн = 2, Gт3 ≈ 25 кН (при λк = 2 м), fсг = 0,6, fтг = 0,4, Kгр = 1,1, qc = 400 кПа, Dнн = 1,1, Dвн = 0,8 м, Kкн = 0,5.Решение:Nнт = Kзо(Nтр1 + Nтр2 + Nд) == Kзо(KзнfсгGкн + KзтрfтгGт2 ++ KгрfтгGт3) + 0,25πKкн ×× (Dнн + Dвн)(Dнн – Dвн)qc == 1 × [2 × 0,6 × 15 + 1,25 × 0,4 × (54 ++ 25) + 1,1 × 0,4 × 25] + 0,25 × 3,14 ×× (1,1 + 0,8) × (1,1 – 0,8) × 400 == (18 + 47,4 + 11 + 179) = 255 кН. Вывод: в данных условиях можно продавить трубопровод из полиэтилена ПЭ100, диаметром 1000 мм, SDR = 17 на длине 30 м, т.к.Nнт = 255 кН < Nсжт = 285 кН. Усилия Nнт должны обеспечиваться с учетом суммарной силы Nнп, которую требуется передавать на планшайбу. Суммарная сила силовых установок Nнп должна превышать Nнт на величину, достаточную для преодоления сил трения качения планшайбы и части полиэтиленового трубопровода, находящихся в рабочем котловане, о роликовые опоры:Nнп = fк(Gп + Gт1), (8)где fк — коэффициент трения качения, можно принимать fк = 0,1; Gп и Gт1 — вес планшайбы и части 1 полиэтиленовой трубы, катящейся по роликовым опорам при продавливании трубопровода длиной λ1, отвечающей расчетному случаю, рекомендуется λ1 = 1 м.До начала работ, собственно, по продавливанию полиэтиленовых трубопроводов в грунте в рабочей зоне должны быть проложены открытым способом все предусмотренные проектом коммуникации. Типовая технология продавливания полиэтиленовых труб в грунте должна, как правило, включать следующие технологические процессы [5]: геодезические разбивочные работы, подготовку «рабочего» и «приемного» котлованов, монтаж установки и оборудования для продавливания, устройство креплений стен котлованов и упорной стенки, сварку полиэтиленовых труб, продавливание полиэтиленовых трубопроводов в грунт, демонтаж установки и оборудования после выполнения работ по продавливанию полиэтиленовых труб в грунт, прокладку коммуникаций в футлярах, обратную засыпку рабочего и приемного котлованов, испытание проложенных в футлярах коммуникаций. Размеры рабочего котлована должны приниматься с учетом высотного расположения продавливаемого трубопровода, габаритов оборудования (сварочной машины [6], продавливающей установки), размеров оснастки, приспособлений и СММ (средств малой механизации), длины отдельных полиэтиленовых труб, а также необходимости водопонижения и крепления боковых стенок. Минимальная глубина проходки полиэтиленовых футляров и трубопроводов должна приниматься 2 м до лотка трубы. Максимальная глубина должна определяться прочностным расчетом системы «полиэтиленовый трубопровод–грунт» с учетом местных условий (грунтовых, транспортных нагрузок и наличия грунтовых вод) и обязательно ограничиваться с учетом устойчивости стенок котлованов с креплениями из стальных труб, балок и др. [7].Расстояние между котлованами Lрп, считая от внутренних их стенок, не должно превышать допустимую для продавливания длину полиэтиленового трубопровода Lпэ. Дно рабочего котлована должно быть спланировано в соответствии с проектным уклоном полиэтиленового футляра или трубопровода. Глубина котлована должна быть ниже проектной отметки оси трубы на 500 мм плюс высота сварочной машины с раскрытыми хомутами и толщина помоста. Размеры приемного котлована должны приниматься аналогичным образом, исключая силовое продавливающее оборудование. Продавливание полиэтиленовых труб следует производить с использованием соответствующего оборудования, которое, к сожалению, специально для продавливания именно полиэтиленовых трубопроводов до сих пор не разработано. В этой связи следует использовать установки, например, УГП [8], предназначенные для бестраншейной прокладки стальных труб способом продавливания с помощью гидравлических силовых домкратов (рис. 2).Такие установки состоят из мощной стальной рамы, на которой смонтированы гидравлические цилиндры (от 1 до 4 в зависимости от требуемого усилия) с рабочим усилием 2000 кН каждый, гидро-распределительное устройство и силовой гидравлический агрегат с приводом от электродвигателя (Э) или автономного двигателя ДВС (А). Подобные установки также комплектуются тремя опорными плитами и вставками длиной 1, 2 и 3 м.Для продавливания в грунте полиэтиленовых футляров и трубопроводов можно использовать установки конструкции Главмосстроя или ЦНИИ Подземмаша ПУ2, а также и другие, оборудованные гидравлическими домкратами и насосами высокого давления, в том числе с ручной разработкой грунта. Продавливание полиэтиленовых труб (рис. 3) следует осуществлять с использованием специально изготовляемых кольцевого ножа (для облегчения внедрения в грунт) и планшайбы (для выравнивания прилагаемых усилий на стенки полиэтиленового трубопровода).Передача усилий от домкратов к полиэтиленовой трубе через планшайбу должна осуществляться с помощью нажимных патрубков, соединенных в раму, длина которых кратна длине хода штока домкрата (при длине полиэтиленовой трубы, например, 6 м и длине хода штока домкрата 1,1 м длина нажимных патрубков должна составлять 1 и 2 м). Наращивание при продавливании полиэтиленового трубопровода полиэтиленовыми трубами должно производиться только сваркой встык [9]. Производство работ при смонтированных в рабочем котловане платформы, сварочной машины и продавливающей установки целесообразнее всего производить в следующей технологической последовательности: ❏ в передней стенке рабочего котлована по оси будущей прокладки разрабатывается грунт с целью образования выемки размером несколько большим кольцевого режущего ножа; ❏ в рабочий котлован опускается первая полиэтиленовая труба, укладывается на направляющие ролики, оснащается спереди кольцевым режущим ножом спереди и планшайбой сзади; ❏ к планшайбе подводится шток продавливающей установки и начинается продольное перемещения первой полиэтиленовой трубы таким образом, чтобы кольцевой режущий нож полностью расположился в подготовленной грунтовой выемке, производят контроль и корректировку правильности направления продавливания; ❏ первая полиэтиленовая труба продавливается в грунт так, чтобы часть ее оставалась свободной вне окружения грунтом, чтобы было возможно закрепить на ней неподвижный хомут сварочной машины и впоследствии приварить к ней вторую трубу; ❏ с задней части первой полиэтиленовой трубы снимают планшайбу; ❏ за счет вертикального перемещения платформы поднимают сварочную машину и закрепляют в ее неподвижном хомуте часть первой полиэтиленовой трубы, выходящую из грунтового массива; ❏ вторую полиэтиленовую трубу опускают в рабочий котлован, закрепляют в подвижном хомуте сварочной машины и производят ее приварку к первой полиэтиленовой трубе, тщательно соблюдая технологию сварки встык; ❏ во время протекания технологического процесса сварки встык — охлаждения сварного стыка — из полиэтиленового трубопровода изымают выдавленный через кольцевой режущий нож грунт, удаляют его на поверхность в отвал либо сразу же в самосвал; ❏ одновременно на заднюю часть второй полиэтиленовой трубы устанавливают планшайбу, освобождают ее из зажимов сварочной машины и подводят под нее опорные ролики; ❏ дальнейшее продавливание первой полиэтиленовой трубы и части второй трубы в грунт осуществляют так, чтобы часть ее оставалась свободной вне окружения грунтом, чтобы было возможно закрепить на ней неподвижный хомут сварочной машины и последующую приварку к ней третьей полиэтиленовой трубы (примечание: аналогичные технологические процессы используют и при продавливании трубопровода с третьей, четвертой, пятой и т.д. наращиваемыми сваркой встык полиэтиленовыми трубами до тех пор, пока полиэтиленовый трубопровод не займет проектного положения в приемном котловане); ❏ продавливающую установку, сварочную машину, платформу демонтируют и изымают из рабочего котлована, а из приемного котлована — кольцевой режущий нож; ❏ контролируют соответствие продольной оси продавленного в грунт полиэтиленового трубопровода проекту, возможные отклонения согласовывают с проектной организацией и корректируют с учетом этого проект, уведомляют эксплуатирующее предприятие; ❏ в рабочем и приемном котлованах устраивают смотровые колодцы и оснащают их фасонными соединительными деталями, запорной арматурой, устраивают ответвления и т.д. в полном соответствии с проектом; ❏ по окончании всех работ и получения разрешения на обратную засыпку производят обратную засыпку рабочего и приемного котлованов в строгом соответствии с проектом. Продавливание полиэтиленового трубопровода в грунте должно производиться с постоянным контролем его положения как в плане, так и в профиле с тем, чтобы своевременно отследить и затем обеспечить перемещение его головной части с минимальным отклонением: 0,6 % (в профиле) и 1 % (в плане) для самотечных трубопроводов, 1 % (в профиле) и 1,5 % (в плане) для напорных трубопроводов и футляров. Геодезический контроль необходимо производить при установке каждой полиэтиленовой трубы. Положение первой полиэтиленовой трубы должно проверяться геодезистом через каждые 1,5 м. Определение положения футляра в промежутках между геодезическими замерами производится мастером (бригадиром) через каждые 2 м проходки. Разработку и удаление грунта, выдавливаемого из грунтового массива в полиэтиленовый трубопровод, следует осуществлять с помощью тележек, самопогружающегося патрубка или совка и опорного кольца. Работы по продавливанию рекомендуется выполнять составами звеньев, указанных в технических характеристиках установок для продавливания и в графике производства работ. Операционный контроль качества работ по строительству подземных сетей закрытым способом необходимо производить в строгом соответствии с положениями СНиП по «Организации строительного производства», а также с учетом требований проекта (табл. 1).При производстве работ по продавливанию полиэтиленовых трубопроводов в грунте также следует строго соблюдать требования СНиПы «Техника безопасности в строительстве», «Инструкции по технике безопасности для рабочих, выполняющих работы «нулевого» цикла» и «Правила производства работ по прокладке и переустройству подземных сооружений в г. Москве» и системы безопасности труда в МГУП (требований по технике безопасности др. городов территорий и «Водоканалов» Российской Федерации, если они имеются).После устройства футляра из полиэтиленовых труб в грунте в нем прокладываются коммуникации в соответствии с проектом. Работы по прокладке различных коммуникаций выполняются в следующей технологической последовательности: отрываются траншеи к «рабочему» и приемному котлованам; устанавливается лебедка для протаскивания труб (кабелей и др.) в футляре; трубы опускаются в траншею; плеть труб сваривается на длину футляра (или отдельными звеньями); привариваются скользящие опоры; устраивается и восстанавливается изоляция труб в местах сварки; труба в футляре протаскивается с помощью лебедки; концы футляра заделываются; после сдачи работ по прокладке и опрессовке труб производится обратная засыпка траншей. В заключение следует указать на то, что своевременный учет рассмотренных в статье прочностных и технологических особенностей, вытекающих из свойств тройственной системы «закрытая технология–полиэтиленовые трубы–грунт», позволит создавать продавливанием полиэтиленовых труб качественные и надежные при последующей эксплуатации футляры и трубопроводы. Также следует иметь в виду и то, что приведенные в статье отдельные положения требуют уточнения по результатам практического применения данной технологии продавливания полиэтиленовых трубопроводов в грунте. О возможных уточнениях авторы будут оповещать широкую научно-техническую общественность в последующих номерах журнала. ❏ 1. Технологическая карта на строительство подземных сетей закрытым способом. — М.: Мосоргстрой, арх. №8886, 1983. 2. ГОСТ 18599–2001 с Изм. №1. 3. «Физические процессы при деформировании грунтов», www.bestreferat.ru/referat11043.html 4. «Резание и копание грунта», earthmachine.ru/koeffitsient_soprotivleniya.html. 5. Белецкий Б.Ф. Технология и механизация строительного производства. — М.: Феникс, 2003. 6. Отставнов А.А., Харькин В.А., Орлов В.А. Механизация сварки полиэтиленовых труб при бестраншейной реконструкции трубопроводов // Строительные и дорожные машины, №10/2005. 7. «Инвентарная крепь и щитовые крепления от SBH COTPAHC», www.sbh.ru. 8. «Прокладка труб способом продавливания», www.cmet4uk.ru/publ/61013. 9. Отставнов А.А., Устюгов В.А., Хренов К.Е., Харькин В.А. Особенности стыковой сварки полиэтиленовых труб при бестраншейной прокладке // Журнал «С.О.К.», №7/2009.