Журнал Полимерные трубы - Применение полимеров

Особенности работы ножевого трубозаглубителя при прокладке распределительных газопроводов

В данной статье представлены основные требования к строительству распределительных газопроводов из стальных и пластиковых труб. Показаны особенности разработки грунта при их бестраншейном заглублении ножевым трубозаглубителем.

Преимущества строительства линейно-протяжных участков подземных коммуникаций (дренажа, кабеля и трубопроводов) с помощью ножевого трубоза-глубителя по бестраншейной технологии методом заглубления определяются следующими показателями:

   ●  низкая трудоемкость при высоких темпах прокладки сетей – до 2,5-5 км/ч;

   ●  исключение процесса обустройства открытой траншеи и ее последующей засыпки;

   ●  не требуется проведение рекультивационных работ по восстановлению плодородного слоя грунта;

   ● совмещение в один прием процесса разработки грунта и укладки в грунт коммуникаций.

Прокладка инженерных сетей различного назначения по изложенному методу имеет свои технологические особенности, которые следует учитывать при конструировании машин и проведении инженерных расчетов по выбору базовых тяговых средств для выполнения необходимых работ в конкретных грунтовых условиях. Анализ проведенных исследований в области бестраншейных технологий строительства подземных коммуникаций показал, что особенности рабочих процессов машин для строительства водопроводов, дренажных систем и кабельных линий связи  в настоящее время изучены достаточно хорошо и полученные рекомендации по ним находят широкое применение в практике.

Применительно к строительству распределительных газопроводов таких реко-мендаций не выявлено. Газопроводы считаются объектами повышенной опасности,

строительство которых требует строгого соблюдения требований ДБН В.2.5-20-2001 «Газоснабжение» [1]. Это является одной из причин, по которой прогрессивный метод бестраншейного строительства газопроводов пока еще не получил в отечественной практике широкого распространения.  Однако использование в последнее время при строительстве газопроводов современных высокопрочных изоляционных покрытий и полиэтиленовых труб с предварительно нанесенным защитным слоем, открывают широкие возможности для применения новых технологий, в том числе, бестраншейной с помощью ножевого трубозаглубителя [2].

Сдерживающим фактором применения данной технологии является необходимость создания больших тяговых усилий для перемещения в грунте пассивного ножевого рабочего органа и укладочного устройства трубозаглубителя, а надежной методики расчетов их нет.

Цель данной публикации – выявление особенностей рабочего процесса взаимодействия трубозаглубителя с грунтом при прокладке распределительных газопроводов. Задача – определение влияния диметра трубы на процесс укладки трубопроводной плети в грунт и установление при этом характера его разрушения и особенностей воздействия на рабочее органы трубозаглубителя.

Особенности работы трубозаглубительного оборудования

Технология бестраншейной прокладки трубопроводов ножевым трубозаглу-бителем заключается в разрезании грунта ножевым рабочим органом, удерживании его в раздвинутом состоянии трубоукладочным устройством до тех пор, пока плеть трубы по мере перемещения устройства под ней, опускаясь, не достигнет необходимой отметки.

Рассматриваемая технология была реализована с помощью ножевого трубозаглубителя на базе универсального шасси УШ-16 (рис.1). Машина разработана и изготовлена НПП «Газтехника» совместно с учеными Харьковского национального автомобильно-дорожного университета (ХНАДУ) и получила применение при прокладке полиэтиленовых водоводов и газопроводов диаметрами до 160 мм на глубину 1,4 м. Технологическая производительность машины составляет 2 - 2,5 км/ч.
 
 
Трубозаглубитель на базе универсального шасси УШ-16

Трубозаглубитель на базе универсального шасси УШ-16: прокладка полиэтиленовых труб заглублением

 

Таким образом, процесс работы трубозаглубителя определяется такими основ-ными факторами:

   – параметрами и свойствами материала трубы, условиями ее залегания в грунте;

   – геометрическими размерами и формами ножевого рабочего органа;

   – длиной и конструктивным исполнением трубоукладочного устройства.

В настоящее время  при строительстве распределительных газопроводов используют как стальные, так и полиэтиленовые трубы, которым все больше отдается предпочтение в силу их многочисленных преимуществ. Стальные трубы производятся в соответствии с ГОСТ 10704-91 и ГОСТ 8734-75 из сталей ст.3 и ст.20. Полиэтиленовые трубы выпускаются в соответствии с требованиями ДСТУ Б.В.2.7-73-98 «Трубы полиэтиленовые для подачи горючих газов». Диапазон диаметров труб и свойства материала для их изготовления приведены в таблице.

Трубы для транспортировки горючих газов по ГОСТ 5542-87

Трубы для транспортировки горючих газов

 

Высокая эффективность при строительстве газопроводов ожидается от использования труб из армированных пластиковых и многослойных полимерных труб. В этом случае достигается наиболее оптимальное сочетание пластических и упругих свойств трубопроводов при надежной прочностной защите их снаружи.

Однако применение труб, произведенных из  этих материалов, при строительстве газопроводов не регламентировано отечественной нормативной базой, а потому их можно рассматривать лишь как перспективную тенденцию развития газопроводного транспорта.

Как видно из приведенной таблицы, трубопроводная плеть, изготовленная из представленных материалов, имеет следующие особенности:

   ●  основной диапазон диаметров распределительных газовых труб находится в пределах от 50 до 350 мм;

   ●  трубы имеют значительный вес, а контактные нагрузки ограничены, что необходимо учитывать при их разгрузке-погрузке;

   ●  материал труб имеет высокую упругость, что в свою очередь приводит к большой длине участка линии прогиба трубопровода при его опускании в траншею;

   ●  при формировании линии прогиба трубы – изгибающие напряжения в трубе не должны превышать допустимых значений во избежание ее смятия и заламывания.

Несмотря на существенные различия в свойствах полиэтиленовой и стальной труб, картина процесса укладки трубопроводов принципиально не меняется и по своей сути их можно считать жесткими (для труб диаметром 160 мм и больше). Кабельные коммуникации, дренажные системы, а также полиэтиленовые трубы диаметром до 110 мм считаются гибкими, так как они поставляются обычно в бухтах или на катушках, а укладка их в грунт происходит непосредственно за ножевым рабочим органом. В отличие от них для жестких трубопроводов необходимо создать систему опор для формирования линии прогиба, а за ножом протаскивать значительных размеров трубоукладочное устройство, которое должно на всем протяжения прогиба трубы поддерживать грунт в раздвинутом состоянии.

Параметры ножевого рабочего органа определяются необходимостью заглуб-ления трубопровода согласно ДБН на глубину не менее 1 м до верха трубы. Таким образом, глубина разработки грунта Нр  (м) должна соответствовать:

 

                                                     Нр = D + 1,0,                                                  (1)

 

где D – наружный диаметр трубопровода, м.

Согласно [3], ширина траншеи, а соответственно ширина ножа должны обес-печивать условия свободного опускания трубы на нужную отметку с определенным зазором, что можно выразить как: м:

 

                                                     S = D + (0,05 … 0,1).                                           (2)

Характер разрушения грунта при таких параметрах ножевого рабочего органа соответствует теории глубокого резания. При этом, согласно общепринятым представлениям процесса по глубине могут быть выделены две зоны: зона разрыхления, которая находится ближе к поверхности, и зона уплотнения, расположенная в нижней части.

Энергоемкость процессов, протекающих в этих зонах при прокладке трубопровода, отличается в несколько раз. Поэтому важной является глубина разделения этих зон, которую принято называть критической глубиной резания Нкр [4].

В соответствии с исследованиями глубокого резания грунта в зависимости от его характеристик величина критической глубины ориентировочно может быть определена по зависимости:

 

                                                       Нкр = (2,5 ÷ 4) S.                               (3)

Исходя из рассматриваемого диапазона диаметров труб и с учетом формул (1)-(3) можно изобразить зависимость глубин Нр и Нкр от диаметра укладываемого газопровода D (рис.1).

   

 

Зависимость глубин Нр и Нкр от диаметра укладываемого трубопровода D

 

Рис. 1. Зависимость глубин Нр и Нкр от диаметра укладываемого трубопровода D

 Как хорошо видно из графика, критическая глубина по проведенным расчетам присутствует при укладке труб диаметром до 160-200 мм (рис.2).

Характер разрушения грунта при укладке трубопровода диаметром до 160-200 мм

 

Рис. 2. Характер разрушения грунта при укладке трубопровода диаметром до 160-200 мм

При укладке газопровода бóльшего диаметра (от 200 до 315 мм) разрушение грунта происходит на всю глубину резания (рис.3).

 Характер разрушения грунта при укладке газопроводов
                                  

 

Рис. 3.  Характер разрушения грунта при укладке газопроводов диаметром от 200 до 315 мм

По характеру разрушения грунта при строительстве распределительных газопроводов трубы можно условно разделить на два диапазона:

   – при резании грунта ножом для укладки труб диаметром до 160-200 мм он будет испытывать значительные усилия от сил лобового сопротивления грунта в зоне разрыхления и уплотнения. Аналогично на боковую поверхность ножа будут действовать силы активного давления разрыхленного грунта и давления упругих сил сжатия в зоне уплотнения (рис. 4);

   – при резании грунта ножом под трубы диаметром от от 200 до 315 мм на нож действуют только силы сопротивления грунта его разрушению, а на боковые поверхности ножа – силы активного давления разрыхленного грунта.

 Силы давления грунта на ножевой рабочий орган

 


Рис. 4.  Силы давления грунта на ножевой рабочий орган

В соответствии с представлениями о характере разрушения грунта ножом под газопроводы можно сделать аналогичные выводы о характере воздействия грунта при протаскивании за ножом трубоукладочного устройства. Поскольку его конструктивные особенности должны обеспечивать поддержание грунта в раздвинутом состоянии, то, соответственно, можно считать его продолжением ножа, а на его боковые стенки, соответственно будут давить аналогичные силы со стороны грунта в случаях укладки труб до 200 мм и в диапазоне 200-315 мм соответственно.

При укладке труб диаметром до 160-200 мм снижение необходимого тягового усилия может быть достигнуто использованием многоярусных ножей, позволяющих значительно увеличить критическую глубину резания [5].

Таким образом, при строительстве распределительных газопроводов с использованием ножевого  трубозаглубителя можно выделить следующие  моменты, которые необходимо учитывать при инженерных расчетах и конструировании оборудования:

1. Укладываемый трубопровод считается жестким, а соответственно необходимо учитывать все его физико-механические свойства, в частности упругость и допустимые напряжения в нем. Определяющими при этом являются величины веса трубы и длины линии прогиба трубопровода при его укладке.

2. Ножевой рабочий орган и трубоукладочное устройство испытывают силы сопротивления грунта не только в зоне разрыхления при укладке труб диаметром 200-315 мм, когда Нр ≤ Нкр, но и в зоне уплотнения, когда Нр > Нкр (для труб диаметром меньше 160 мм).

3. Трубоукладочное устройство должно обеспечивать непросыпание грунта под трубопроводной плетью, а соответственно, иметь размеры, равные ее линии прогиба. Со стороны грунта на него будут воздействовать силы активного давления грунта в зоне разрушения и упругого сжатия в зоне уплотнения.

Авторы:  Супонев В.Н., к.т.н., Кириченко Д.С., НПП «Газтехника»

Литература

1. ДБН В.2.5-20-2001 «Газоснабжение».

2. Удовенко В.Е. и др. Полимеры в газоснабжении. – М.: Машиностроение, 1998. – 856 с.

3. Удовенко В.Е., Софронова И.П., Гусева Н.В. Полиэтилен – это просто. – М.: ЗАО «Полимергаз», 2003. – 238 с.

4. Руднев В.К. Результаты экспериментов по резанию грунтов прямоугольными ножами // Изв. вузов. Сер. «Строительство и архитектура». – 1964. – № 9. – С.112-117.

5. Кравец С.В., Нечидюк А.А. Определение критической глубины резания грунта в нижних ярусах при многоярусной разработке грунта. Техника строительства. – К. – С.32-36.

 

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА