При прокладке инженерных коммуникаций под автомобильными и железными дорогами, трамвайными путями и другими препятствиями возможны два основных метода производства работ – открытый и закрытый.  

При открытом методе требуется разрытие траншеи поперек дороги с повреждением дорожного покрытия и нарушением  интенсивности движения транспорта на период строительства. Все это,  естественно,  сопряжено с удорожанием работ, так как возникает необходимость восстановления дорожного покрытия и элементов  благоустройства в месте прохода. 

В условиях современных городов, особенно мегаполисов, где концентрация пересечений дорог и подземных инженерных коммуникаций особенно высока,   производство работ  открытым методом является нежелательным и должно проводиться только в крайнем случае, когда иначе задачу решить невозможно.

Более эффективен  закрытый (бестраншейный) метод прокладки инженерных сетей, не требующий устройства траншеи. Для этого под дорогами с помощью специальных технологий вначале прокладывают защитный футляр, в который затем протаскивают рабочий трубопровод, силовой кабель либо линии связи и другие коммуникационные сети.

Бестраншейная прокладка подразумевает следующие способы: прокалывание; продавливание; направленное горизонтальное бурение; щитовую проходку. 

Каждый из способов имеет свою наиболее рациональную область применения, которые представлены в табл. 1. 

Так, например, прокалывание применяется  в дисперсных  грунтах  для футляров малых диаметров (до 300 мм). Этот способ не рекомендуется применять при неглубоком (менее 2 м) заложении футляра во избежание вертикального выпирания грунта и повреждения полотна дороги. 

Прокалывание, как правило, осуществляется путем статического силового воздействия  (гидродомкратами).

Продавливание  является наиболее универсальным способом прокладки футляров и наилучшим образом обеспечивает сохранность дорожных покрытий и полотна. По своей физической сущности метод продавливания мало чем отличается от прокалывания. Если в последнем случае весь грунт уплотняется в стенки скважины, то при продавливании большая часть грунта проходит внутрь полости продавливаемой трубы, который затем удаляется  различными способами. 

Таблица 1. Рекомендуемые области применения  способов бестраншейной прокладки трубопроводов

 

Горизонтальное бурение применяется для трубопроводов средних и больших диаметров (57-1220 мм) в грунтах I-IV категорий. Проходка скважины ведется установками  горизонтального бурения.  Этот способ не рекомендуется применять на слабых водонасыщенных  и сыпучих грунтах во избежание повреждения дорожного полотна. 

Щитовая проходка применяется на больших глубинах в полускальных и скальных грунтах, а также и  сложных грунтовых условиях, где невозможно применять другие способы. При этом используются бетонные (железобетонные) трубы. 

Также щитовая проходка осуществляется для прокладки футляров больших диаметров под пучок трубопроводов. 

Широкими возможностями обладают установки горизонтально-направленного бурения (ГНБ), которые также могут быть использованы при прокладке футляров. Данные по этой технологии в таблице не приводятся, поскольку далее речь пойдет о прокладке прямолинейных участков, а установки ГНБ наиболее эффективны при прокладке больших участков трубопроводов по сложной траектории, когда необходимо преодолевать препятствия в виде рек или фундаментов зданий на различной глубине. Это достигается управлением процесса бурения  с помощью сложной навигационной системы. 

Цель настоящей статьи – выбор наиболее эффективных технологий и машин (из существующих) для бестраншейных прокладки распределительных  сетей инженерных коммуникаций.  Рассмотрим подробнее особенности их строительства. 

Выбор бестраншейного способа прокладки трубопроводов зависит от диаметра и длины трубопровода, физико-механических свойств и гидрогеологических условий разрабатываемых грунтов. На практике же он, как правило, определяется наличием в строительных организациях соответствующих грунтопрокалывающих, продавливающих и бурильных агрегатов, установок и оборудования. Поэтому представленный ниже анализ носит чисто рекомендательный характер. 

Возможности существующих бестраншейных технологий прокладки позволяют прокладывать трубопроводы диаметрами от 50 до 2000 мм (см.табл. 1). Основной диапазон диаметров трубопроводов распределительных сетей находится в пределах 225 мм. Однако бестраншейная прокладка успешно применяется и при больших диаметрах, например при строительстве магистральных трубопроводов и центральных коллекторов. 

Поскольку задачей рассматриваемых технологий является прокладка не самого рабочего трубопровода или кабеля, а футляра, через который они протаскиваются, то прежде всего необходимо представлять их параметры. Размер футляра должен превышать диаметр прокладываемого трубопровода на величину разницы их внутреннего и внешнего диаметров, установленную нормативными документами. Так, например, применительно к газопроводам  условия выбора  футляров  определены ДБН В 2.5-2001 «Газоснабжение». Ими установлено, что для трубопроводов, прокладываемых в стесненных условиях, должны применяться футляры из стальных труб. При этом внутренние диаметры футляров для стальных газопроводов следует принимать больше наружных диаметров газопроводов - не менее чем на 100 мм при диаметрах газопроводов до 250 мм (включительно). 

Для полиэтиленовых газопроводов внутренний диаметр футляров следует принимать больше внешних диаметров труб газопровода не менее чем на 40 мм при диаметре газопроводов до 90 мм и не меньше, чем на 80 мм при диаметрах газопроводов более 90 мм. 

Таким образом, диапазон требуемых диаметров футляров соответственно составляет от 90 до 345 мм (табл. 2). 

Таблица 2. Наружные диаметры футляров из стальных труб для  распределительных сетей газоснабжения

 

Диапазон диаметров местных кабельных линий, прокладываемых между сетевыми узлами в пределах города или сельского района, находится в пределах: для электрических кабелей – до 65 мм, для волоконно-оптических кабелей – 42, мм. Согласно «Инструкции по проектированию линейно-кабельных сооружений» (ВСН 116-93), при пересечении автомобильных и железных дорог, проезжей части улиц и трамвайных путей – кабели следует прокладывать в асбестоцементных (диаметром 100 мм) или полиэтиленовых (диаметром 110 мм) трубах. Протаскивание футляра в образованную после прокола скважину обеспечивается  свободным зазором между его наружной стенкой и уплотненными стенками скважины, размер которого, как правило, принимается не менее 40 мм. Таким образом, максимальный размер диаметра прокола в этом случае составляет 140 мм. Если одновременно с основным требуется проложить дополнительно резервный футляр, то диаметр скважины должен быть не менее 240 мм.  

Для распределительных  сетей характерна также ограниченная длина прокладки футляров. Как правило, при прокладке трубопроводов чаще всего встречаются препятствия в виде автомобильных дорог различных категорий. Согласно СНиП 2.05.02-85 «Автомобильные дороги. Нормы проектирования» ширина проезжей части (табл. 3) составляет минимум 4,5 м для дорог V категории, а максимум 15 м для дорог I  категории. Предельная ширина земляного полотна для этих дорог составляет 8 и 43,5 м соответственно. 

В Украине наиболее распространенный грунтовый фон  (более 75 % территории) представлен суглинками и глинами II и III категории прочности. Для этих грунтов характерно наличие воздушных пор, что обеспечивает их хорошую уплотняемость и относительно высокую прочность, которая обеспечивает устойчивость стенок скважины после прокола. 

   Таблица 3. Параметры элементов дорог различных категорий

 

Рассмотренные условия прокладки футляров для распределительных трубопроводов обусловили наиболее широкое распространение технологий прокола грунта с помощью пневмопробойников и механических домкратов (установок гидростатического прокола). 

Для осуществления прокола грунта в первом случае используются пневмопробойники, компрессорная станция и комплект вспомогательного оборудования. Это оборудование выпускается различными фирмами: «Одесский завод СОМ» (Украина) (рис.1, табл. 4), ПО «Полет», «Комбест» (Россия), ПО «Строймаш» (Беларусь), «Vermeer» (США), «Tracto-Tehnik» (Германия). Для работы пневмопробойников необходима передвижная либо стационарная компрессорная станция, обеспечивающая подачу сжатого воздуха давлением 0,6 МПа. Расход воздуха при этом должен обеспечиваться от 1,5 до 7,5 м³/мин. Также для каждого диаметра прокладываемого трубопровода требуется свой пробойник или их ряд для поэтапного расширения диаметра скважины. 

Одним из недостатков этой технологии является возможное отклонение пробойника от заданного курса в случае встречи с препятствием. Чтобы исключить такое отклонение, в последнее время появились пробойники с  реверсным ходом. А такие фирмы, как «Bellе» (США) и  «Tracto-Tehnik» выпускают управляемые пневмопробойники, которые способны следовать курсу подобно установкам направленного бурения. 

Таблица 4. Технические характеристики пневмопробойников «Одесского завода СОМ»

 

 

Рис. 1. Пневмопробойники «Одесского завода Cом»

Гидростатические установки для продавливания труб выпускают фирмы: ЗАО «АВА Гидросистемы» (Россия), «Vermeer» и др. При работе таких машин при прокладке трубопроводов используют набор штанг, обычно жестко соединяемых

одна с другой. С из помощью производят предварительный прокол участка, по которому протаскивают трубу с одновременным расширением скважины до необходимого диаметра. Установка включает в себя два основных блока: силовой блок в виде рамы с гидроцилиндрами и гидравлическую станцию. Гидравлические системы таких установок работают при давлениях до 50 МПа и с подачей гидрожидкости до 20 л/мин и более. Компонуются системы приводом от ДВС и электроприводом от городской электросети. Длина штанги находится в зависимости от длины хода гидроцилиндра. Чем длиннее штанга, тем меньше производится операций по их соединению в плеть. Однако это автоматически приводит к увеличению габаритов установки. А поскольку для осуществления ее работы используется котлован соответствующих размеров, то это необходимо учитывать при работе в стесненных условиях, особенно при плотной городской застройке. Для этого случая НПП «Газтехника» (г. Харьков) разработаны миниустановки для гидростатического прокола, краткие характеристики которых представлены в табл. 5. Длина штанг составляет 600 мм и подается гидроцилиндрами за два прохода по 300 мм. Если организация располагает гидрофицированными машинами: экскаваторами, бульдозерами и др., то для подачи гидравлической жидкости под давлением до 20 МПа можно подсоединиться к гидрораспределителю машины. В этом случае строительной организации не требуется специально приобретать гидравлическую станцию.   

 

   Таблица 5. Характеристики прокольных установок для гидростатического прокола грунта производства НПП «Газтехника»        

                                     

 

Порядок работы установки представлен на рис. 2 и 3. Необходимая длина предварительного прокола достигается путем движения “вперед-назад” механизма захвата штанг с постепенным наращиванием длины путем присоединения вручную дополнительных штанг. Обратным ходом осуществляется одновременное расширение скважины конусным расширителем и протаскивание трубы. Если требуется прокладка труб больших диаметров, то операцию по расширению скважины производят за несколько проходов расширителей с поэтапным увеличением их диаметров на 40 мм или больше, если того позволяют грунтовые условия. Фрагменты установки МП-125 и работа с ней представлены на рис. 4.

 

 

Рис.  4. Миниустановка для гидростатического прокола грунта МП-125 НПП «Газтехника», Харьков:

   а – общий вид установки; б – монтаж установки в котловане; в  – рабочий процесс;  г  – расширение скважины и  протаскивание трубы.

 

 

Для правильного выбора типоразмера силовой установки, а соответственно диаметра прокольной головки и штанг, как правило, достаточно знать величины требуемого усилия прокола грунта (с учетом силы трения штанги о стенки скважины), которое можно рассчитать по формуле:

                                                         π R_c² σ_у

                                      Р = -------------- + g_т L f_т,

                                                  U₀

 

где:

R_c – радиус скважины (расширителя), м;

σ_у – коэффициент грунта уплотнению, МПа;

U₀ – пористость грунта в нетронутом массиве, доли ед.;

g_т – вес 1 погонного метра трубы, кН/м;

L - длина участка прокладки, м;

f_т – коэффициент трения трубы о грунт.

Расчет по формуле носит приближенный характер. Для оперативного анализа также можно воспользоваться данными, представленными на графике зависимости усилия прокола для некоторых видов грунта от диаметров, которые были получены из практики работы НПП «Газтехника» с установкой МП-125 (рис.  5).

 

 

Рис.  5. Зависимость усилия продавливания грунта Р от диаметра  прокалывающей головки D и прочности грунта: 1 – для I категории; 2 – для II категории; 3 – для III категории; 4 – для IV категории.

Как видно из графика, диаметр скважины является важным фактором, определяющим усилие сопротивления грунта при его проколе с помощью гидростатической установки. Поскольку требуемые усилия определяют выбор гидроцилиндров, и соответственно габариты установки, то возникает вопрос об их уменьшении с целью удешевления, как самой установки, так и стоимости процесса. Одним из путей решения задачи является сокращение зазора между наружным диаметром рабочего трубопровода и внутренним диаметром футляра, либо полный отказ от необходимости их прокладки. Поскольку требование обязательной прокладки футляра и условие выдерживания установленной величины зазора определяют сохранность трубы (либо ее изоляционного покрытия) от возможных повреждений при протаскивании через футляр, то возникает задача применения таких видов труб и материалов, которые этого не боятся. К таким, например, относятся полиэтиленовые трубы с защитным слоем из высокопрочных полимерных композиций на основе полипропилена, который предохраняет от царапин рабочее тело трубы при ее протаскивании через футляр либо непосредственно в грунте.  Анализ мировой практики показал – это один из самых прогрессивных путей развития технологий бестраншейной прокладки подземных трубопроводных систем, при котором возможен даже полный отказ от  применения футляров. Особенно важным этот момент является при бестраншейном ремонте трубопроводов из стали, керамики или бетона путем их разрушения с одновременной заменой на новые из полимерных труб, как более надежных и долговечных.

Появилась такая  двухслойная труба и у нас в Украине. Свое предложение на трубопроводном рынке в частности сделало предприятие ООО  «Евротрубпласт» (Группа ПОЛИПЛАСТИК). Произведенная предприятием труба отвечает мировым стандартам и уже нашла достойное применение при бестраншейных технологиях строительства и ремонта трубопроводных систем сетей водоснабжения.

В июле 2009 года Министерство регионального развития и строительства Украины разрешило применять трубы из полиэтилена с защитным покрытием из полипропилена для строительства водопроводов методом горизонтального направленного бурения и использовать их в сложных геологических условиях без создания песчаной подсыпки[*.

К сожалению, практическое использование трубы с защитным слоем в сфере газоснабжения требует внесения изменений в нормативные документы по применению полиэтиленовых трубопроводов в строительстве. От оперативности решения этого вопроса зависит не только перспектива развития бестраншейных технологий, но и накопившиеся за долгие годы застоя задачи по ремонту существующих инженерных систем жизнеобеспечения городов Украины.