Статья ВАК: Реконструкция ветхих трубопроводов путём их разрушения и протаскивания в освободившееся пространство новых труб

Введение

Старение инженерной инфраструктуры городов, в частности, трубопроводных систем транспортировки питьевых, природных и сточных вод, приводит к необходимости их оперативной реконструкции и модернизации [1]. Нарушение режима работы трубопроводных сетей за счёт появления различного рода дефектов (свищей, трещин, расхождение стыков, коррозионных обрастаний и т. д.) приводит к негативным последствиям в плане ухудшения качественных характеристик транспортируемых питьевых вод, нарушения гидравлического режима течения сточных вод и ухудшения экологической обстановки за счёт явлений инфильтрации и эксфильтрации [2, 3].

Современная стратегия, а также тактические подходы к вопросам реконструкции и модернизации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения базируются на широком применении бестраншейных технологий реновации, которые позволяют оперативно решать проблемы неудовлетворительного технического состояния трубопроводов [4].

Настоящая работа посвящена одной из наиболее распространённых технологий бестраншейной реновации, а именно: реконструкции ветхих трубопроводов путём их предварительного разрушения и протаскивания в освободившееся пространство новых труб преимущественно из полимерных материалов [5].

Материалы и методы исследований

При реализации технологии бестраншейной реконструкции трубопроводов внутренними защитными покрытиями в основном используются четыре их вида: набрызговые (напыляемые) оболочки, как минерального, так и органического происхождения; сплошные покрытия в виде длинномерных труб, коротких трубных модулей или полимерных рукавов; спирально-навивочные облицовки, формирующих обсадную трубу внутри восстанавливаемого трубопровода; местные (точечные) покрытия в виде профильных резиновых и других бандажей и т. д., предназначающиеся для устранения крупных дефектов на ограниченном пространстве участка трубопроводной сети [6].

Настоящие исследования затрагивают специфические аспекты, связанные с реализацией перспективной технологии разрушения трубопроводов рядом различных модификаций, где базовым материалом послужила нормативно-техническая документация Ассоциации по разрушению трубопроводов (International Pipe Bursting Association, IPBA) [7].

Разрушение трубопроводов перед их реконструкцией можно рассматривать как один из широко распространённых методов замены труб за последние 35 лет в Европе и Соединённых Штатах Америки. При разрушении старой ветхой трубы происходит её замена новой трубой того же или большего диаметра по трассе прокладки. Эта технология экономически эффективна, если существующая труба имеет меньше боковых присоединений и когда требуется дополнительное повышение её пропускной способности.

Результаты исследований

Процесс разрушения старого ветхого трубопровода диаметром d осуществляется специальным конусообразным инструментом (разрушающей головкой) с одновременным протягиванием (толчком или плавно) в освободившееся пространство нового трубопровода (рис. 1). Габариты разрушающей головки подобных установок больше внутреннего диаметра старой трубы, что позволяет не только разрушить трубу, но и сместить обломки старого трубопровода в затрубное пространство, расширить проходное отверстие для размещения новой трубы и уменьшить трение при её протаскивании на место старого трубопровода. При этом глубина залегания D трубопровода не влияет на эффективность работы по их реконструкции.

Рис. 1. Схема операции по разрушению трубопровода (1 — шланг подачи воздуха под давлением; 2 — новая труба из ПНД; 3 — разрушающая коническая головка; 4 — старый трубопровод; 5 — тяговый трос)

На практике используются три основных типа разрушения труб: пневматический, механический (статический) и гидравлический [8]. Выбор конкретного способа замены зависит от грунтовых условий, горизонта подземных вод, требуемой степени уплотнения, материала новой трубы, принадлежности существующего трубопровода, его глубины залегания и т. д. Разрушение может быть использовано для замены практически всех типов труб, включая керамические, чугунные, хризотил-цементные, простые бетонные трубы, полимерные — из полиэтилена высокой плотности [низкого давления] (ПНД) и поливинилхлорида (ПВХ).

Также при определённых конструктивных особенностях разрушающего органа могут быть разрушены (разрезаны) трубы из стали, ковкого и оцинкованного железа. Однако чаще всего используются в качестве протаскиваемых труб трубы из ПНД, ПВХ, ковкого чугуна и керамики. В частности, общеизвестные преимущества полиэтиленовых труб заключаются в длительной стойкости к ухудшению состояния окружающей среды, безотказном монтаже, гибкости и стойкости к воздействию химических веществ. Кроме того, трубы ПНД обладают отличными характеристиками текучести, малыми гидравлическими сопротивлениями по сравнению со стальными, ковкими железными или бетонными трубами. Процесс стыкового сплавления отдельных сегментов полимерных труб вместе в полевых условиях позволяет оперативно производить их непрерывную стыковку.

Основным различием между тремя системами разрушения трубопроводов является источник энергии для их реализации [9]. Пневматическая система разрушения трубопроводов является наиболее часто используемой на строительных объектах в виде пневмопробойников. При разрушении с помощью пневматики разрушающая головка представляет собой конусообразный молоток (рис. 2).

Рис. 2. Процесс разрушения трубопровода пневматической системой (1 — старый трубопровод; 2 — оголовник для крепления троса; 3 — конический расширитель; 4 — новый трубопровод; 5 — шланг подачи воздуха; 6 — трос лебёдки; 7 — пневмомолот)

Разрушающая головка под действием сжатого воздуха осуществляет от 180 до 580 ударов в минуту. Процесс можно описать по аналогии с забиванием гвоздя в стену: с каждым ударом гвоздь всё больше перемещается внутри стены. Точно так же при каждом ударе головка разрушает трубу и вминает её останки в затрубное пространство. С помощью лебёдки к разрушающей головке прикладывается постоянное натяжение через трос, который протягивается через старую трубу и соединяется с разрушающей головкой.

Метод статической тяги является вторым по распространённости методом разрушения труб. При этом способе усилие прикладывается к разрушающей головке с помощью стержневого узла или троса лебёдки, который вставляется через существующую трубу (рис. 3). Коническая головка переводит горизонтальную тянущую силу в радиальную силу, которая разрушает старую трубу и увеличивает полость, освобождающую место для новой трубы. При производстве работ используется лебёдочный трос, что обеспечивает непрерывность процесса замены старого трубопровода на новый.

Рис. 3. Процесс разрушения трубопровода с использованием статической тяговой системы (1 — новый трубопровод; 2 — разрушающая коническая головка; 3 — старая труба; 4 — трос к лебёдке)

Гидравлический способ разрушения старых ветхих трубопроводов, в отличие от представленных выше, реализует процесс разрушения путём использования специальной головки в виде четырёх раздвижных лепестков, например, по методу «берстлайнинг» [10], что позволяет осуществлять процесс разрушения более плавно, без рывков и вибрации, а в случае наличия параллельных коммуникаций в подземном пространстве — не нарушать режим их работы.

В отечественной практике на ряде объектов реновации нашли применение установки гидравлического разрушения трубопроводов, производимые компанией Scandinavian No-Dig Centre, одним из мировых лидеров в данной отрасли [11].

В последнее десятилетие стали применяться модифицированные системы с дроблением труб. В этих системах разрушающий инструмент состоит из двух частей: дробящей головки, которая разрушает существующую трубу и выталкивает фрагменты трубы внутрь в полость трубы, и стального конуса, который выталкивает измельчённые фрагменты трубы и грунт наружу, освобождая место для нового трубопровода (рис. 4).

Рис. 4. Модифицированная система дробления старой трубы (1 — новый трубопровод; 2 — коническая головка; 3 — стальные лопасти; 4 — дробильное устройство в цилиндрической обечайке; 5 — подлежащий разрушению старый трубопровод; 6 — трос лебёдки)

Дробильная головка имеет цилиндрическую форму с диаметром немного больше существующей трубы. Внутри цилиндра находятся стальные лопасти, которые радиально отходят от центра и разрушают старую трубу, когда головка вытягивается вперёд. Вытягивание осуществляется с помощью стержневого узла, как и в статической тяговой системе.

Для разрушения стальных и ковких чугунных труб используются резаки (режущие колеса или «сплиттеры»), с помощью которых труба разрезается по одной линии в нижней или верхней части, а также можно осуществить разрез даже на несколько частей с последующим изъятием их из траншеи (рис. 5). Сплиттер протягивается через существующую трубу проволочным тросом. Он состоит из одной или нескольких частей, например, трёх: пары вращающихся режущих дисков, которые делают первый разрез, закалённого полотна ножа (резака) и расширителя, коническая форма которого и смещённое центрирование заставляют разделённую трубу расширяться и разворачиваться.

Рис. 5. Система разрезания по технологии ConSplit [1 — пластичная труба; 2 — новый полимерный трубопровод; 3 — тяговый трос; 4 — разновеликие режущие диски; 5 — стальной нож (резак); 6 — конический расширитель; 7 — пневмомолот]

Ещё одним методом, нашедшим широкое распространение для разрушения труб из керамики, хризотил-цемента и других материалов, является метод обратной протяжки, используемый при направленном бурении с адаптацией для замены труб. Его реализация осуществляется с использованием пилотной бурильной колонны, которая помещается в существующую трубу. Далее специальный расширительный инструмент крепится к бурильной колонне и вытягивается обратно через трубу, одновременно протаскивая новую трубу. Расширитель может иметь режущие зубья, которые измельчают существующую трубу, а не уплотняют осколки (фрагменты) трубы с одновременным транспортом разрушенного материала вместе с буровым раствором (бентонитом) в канализационные люки или приёмные ямы, с последующим извлечением их с помощью вакуумного колёсного транспортного средства или шламового насоса для утилизации.

На практике в качестве альтернативного метода бестраншейного ремонта нашёл применение метод «выброса» или «извлечения» старой трубы.

Выброс осуществляется путём выталкивания старой трубы целиком (без разрушения) из подземного пространства новой трубой, которая при протаскивании выдавливает старую строго по трассе прокладки с помощью усилий, создаваемых домкратной станцией. Таким образом, в результате при извлечении старой трубы заменяющая труба устанавливается на месте старой. Старая труба может быть подвергнута разрушению (если это необходимо) только тогда, когда она полностью выходит из земли на рельеф местности. Этот метод применим только для труб с достаточной высокой остаточной тяговой способностью, чтобы выдерживать толкающие или тянущие силы. Он используется на коротких сменных секциях, чтобы избежать высокого сопротивления трению.

Одной из новых пилотных зарубежных разработок в области разрушения трубопроводов является система Controlled Line and Grade (CLG). Этот метод состоит в замене отдельных участков труб с возможностью исправления провисаний, горбов или перекосов в существующих трубопроводах. Сущность процесса состоит в том, что через существующую трубу по всей её длине вставляется колонна соединённых вместе стальных стержней. После того как стержневая струна точно выровнена в линию и закреплена на растяжение в стартовой и приёмной камерах, внутрь трубопровода закачивается суспензия лёгкого бетона. Суспензия заполняет в том числе любые открытые пустоты в затрубном пространстве трубопровода. После отверждения строительного раствора (от 4 до 24 ч) разрушающая головка и сменная труба прикрепляются к одному концу стержневой колонны. Затем стержень вытягивается, буксируя за собой новую трубу. Для уменьшения тягового усилия, необходимого для выполнения операции, может быть использована бентонитовая смазка. Это позволяет разрушающей головке не сильно отклоняться от своего пути и не подвергаться провисаниям, перекосам и волнистостям в старом трубопроводе. Отверждённый лёгкий бетон обеспечивает опору и защиту от осколков старой лопнувшей трубы, камней и вредных предметов в затрубном пространстве трубопровода.

При замене труб большего размера (более 300 мм) вместо разрывной головки используется расточной инструмент. Если существующая труба отклонена настолько, что прямая ось, проходящая через трубу, частично лежит вне трубы, используются специальные стержни, оснащённые режущими кромками по всей их длине. Стержень может принимать изогнутую форму, чтобы приспособиться к отклонению линии. Когда стержневая колонна закреплена в натяге, стержни с режущими кромками прижимаются к внутренней стенке трубы. Затем колонна начинает вращаться, заставляя режущие кромки осуществлять прорез в существующей стенке трубопровода и окружающем грунте до тех пор, пока он не выпрямится.

Выводы

1. Проведён анализ существующих технологий бестраншейного ремонта трубопроводов с использованием ряда модификаций метода по предварительному разрушению и протаскиванию в освободившееся подземное пространство новых трубопроводов.

2. Представлена сущность альтернативных технологий бестраншейной реконструкции, реализуемых в последние годы на примере системы Controlled Line and Grade (CLG) и др.

3. Информация по методу разрушения трубопроводов может использоваться проектировщиками, строителями и специалистами для разработки экономичных и оперативных решений по реконструкции ветхих трубопроводных сетей из различных материалов бестраншейными методами.