В начале 80-х гг. профессионалы в области гражданского строительства Ве-ликобритании усомнились в эффективности использования обычных траншейных методов строительства в коммунальном хозяйстве. Неэффективность использова-ния открытых методов, повреждение существующих коммуникаций становились общественной проблемой, которую не могли больше игнорировать. Это и послужило началом для создания международной организации по бес-траншейным технологиям. 8 сентября 1986 г. Был сформирован комитет регули-рования и принято решение назвать новое общество «Международное общество бестраншейных технологий». ISTT было юридически зарегистрировано в Велико-британии. В феврале 2001 г. общество присоединилось к Организации объединен-ных наций (UNEP) с Программой защиты окружающей среды.
Российское общество по внедрению бестраншейных технологий НП «РОБТ» образовано в марте 2002 г. Целью НП «РОБТ» является консолидация усилий строителей, проектиров-щиков, ученых и общественности на широкое внедрение экономичных, надежных и экологически безопасных бестраншейных технологий на территории России и за ее пределами.
Оборудование для бестраншейных технологий можно разделить на 3 вида, каждый из которых имеет свою область эффективного применения:
-вибрационные системы – пневматические пробойники,
-установки горизонтально-наклонного бурения,
-машины для гидростатического вдавливания или протягивания новых труб, в т.ч., с одновременным разрушением заменяемых изношенных труб.
Пневматические пробойники используют для прокладки новых трубопроводов и для их реконструкции – замены с разрушением старых труб – в местах, где допустимо вибрационное воздействие на грунт. Установки горизонтально-наклонного бурения (ГНБ) применяют для про-кладки новых трубопроводов. Эти машины являются наиболее дорогостоящим видом оборудования для бестраншейных технологий.
Машины, использующие гидростатический метод, подразделяются на 2 груп-пы:
-установки для прокладки новых трубопроводов путем вдавливания в грунт труб стандартной длины с последующим их соединением в единую магистраль,
-установки для прокладки новых и замены изношенных труб (с их одновремен-ным разрушением), действующие методом втягивания новых труб. Эти машины предназначены, главным образом, для реконструкции водопроводов и канализа-ционных сетей, что является в настоящее время в России одной из важнейших проблем.
Многие фирмы обладают не одной, а несколькими бестраншейными техноло-гиями. Это позволяет работать наиболее эффективно и выбирать в каждом случае необходимый способ.
В настоящее время разработан и применяется обширный модельный ряд ма-шин этой группы, который можно разделить на 2 типа по способу втягивания труб. В машинах первого типа для втягивания трубы используется трос или цепь. Такие машины используются только для замены изношенных труб, как правило, небольшого диаметра, с размещением силового блока установки в колодце. В машинах второго типа для втягивания трубы используется набор штанг, обычно жестко соединяемых одна с другой. Эти машины применяют не только для замены изношенных труб, но и для прокладки новых трасс. В последнем слу-чае с помощью набора штанг производят предварительную проходку («прокол») участка, на котором необходимо проложить новую трубу.
Как показано далее, машинам второго типа могут быть приданы функции установок ГНБ. Таким образом, эти машины являются наиболее универсальным и в то же время экономичным бестраншейным оборудованием. Поэтому далее в ста-тье рассматриваются машины этого типа – бестраншейные установки гаммы АС и АСР производства ЗАО «АВА Гидросистемы», г. Санкт-Петербург.
В процессе развития бестраншейных технологий новые разработки позволили сделать метод доступным и простым в использовании. Для осуществления работы используется котлован или колодец, куда непо-средственно помещается силовой блок машины. Это возможно за счет тщательно-го расчета всех узлов на стадии проектирования. Оптимальная компоновка узлов позволяет размещать силовые блоки установок АСР в габаритах стандартных ко-лодцев. Работа ведется набором штанг различного диаметра, в зависимости от необ-ходимой нагрузки. Сама нагрузка определяется видом материала трубопровода и его диаметра. При этом, принцип использования штанг как рабочего органа изме-нился по сравнению с предыдущими конструкциями.
Штанга представляет гладкий цилиндр, на концах которого выполнены на-ружная и внутренняя замковые резьбы, служащие для соединения штанг между собой. В установках с большим тяговым усилием (60 т и более) штанги довольно массивны, поэтому в них имеется специальный гидрофицированный ключ для свинчивания и развинчивания штанг. (Рис.1)
Рис.1 Штанга
Было предложено и применено на практике использование полых штанг. В настоящее время выпускаются исполнения установок для сплошных и для полых штанг. Последние дороже, но при равной прочности обладают меньшей массой, что облегчает труд операторов. Штанги изготавливаются из высокопрочных мате-риалов; вследствие больших нагрузок к точности изготовления резьб предъявляются высокие требования. Для увеличения прочностных характеристик резьбового соединения, срока службы и улучшения свинчивания штанг разработана нестандартная замковая резьба. Опыт работ выявил большую надежность, прочность и долговечность та-кой резьбы.
Бестраншейные установки типа АСР могут работать как в случае прокладки нового трубопровода, так и при замене старого, поврежденного участка водоснабжения или любого другого типа трубопровода. На рисунке 2 показана типовая конструкция такого вида машин.
Рис. 2.
После того как машина должным образом установлена в колодце, можно начинать работу. Требования к установке машины, в основном, определяются требованиями к точности прокладки. Оператор подает первую штангу в зажимное устройство силового блока, на ее передний конец устанавливается наконечник. Вторая штанга вставляется в гидро-фицированный ключ, оснащенный вращателем и зажимом штанги. С помощью пульта управления оператор зажимает первую штангу в зажимном устройстве и включает вращение и зажим второй штанги в ключе для свинчивания штанг ме-жду собой. После свинчивания зажим ключа отпускается, гидроцилиндры сило-вого блока подают штанги в грунт. Постепенно увеличивая длину става штанг, проколом грунта достигают второго колодца.
Во втором колодце подготавливают трубопровод, подлежащий прокладке. Далее, к первой штанге става крепится расширитель. В задней части расширителя закрепляют новый трубопровод и производят затягивание его в грунт до первого колодца, последовательно отвинчивая высвобождающиеся штанги.
На первом этапе работ выполняются те же операции, что и при прокладке но-вого трубопровода, с тем отличием, что штанги заталкиваются не в грунт, а в под-лежащую замене трубу до выхода во второй колодец. Затем на первой штанге ста-ва крепится расширитель с установленными на его передней части разрушающими ножами. К расширителю крепят новый трубопровод, после чего протягивают его к первому колодцу. В процессе протягивания старый трубопровод разрушается но-жами, его остатки вдавливаются расширителем в грунт.
Рис. 3.
Правильный выбор расширителей и разрушающих ножей является одним из важных условий успешного выполнения работ. Часто на практике возможен сбой в работе, создание аварийных ситуаций по причине неточного расчета и проработ-ки конструкции расширителей.
В ходе исследований были рассмотрены различные конструкции расширите-лей. Чаще всего расширитель представляет собой коническую головку с вмонти-рованными ножами. Ножи рассчитаны на разрушение материала трубопровода. Количество ножей определяется конструкцией расширителя. Конструкции расши-рителей, оснащенных двумя ножами, показаны на рисунке 3.
Внедрение расширителей данного типа уменьшило число отказов, повысило надежность машин. Увеличило производительности установок в целом. Уменьши-ло уплотнение грунта по сравнению с предыдущими разработками.
Модельный ряд машин АСР для прокладки/замены трубопроводов бестран-шейным методом оснащен современными гидравлическими системами, отвечаю-щими всем требованиям безопасности и долговременной службы.
Процент использования отечественных элементов гидравлики в системе го-раздо превосходит подобные аналоги. По мере развития, возможно использование не менее качественных и более приемлемых по цене отечественных марок для полного оснащения установок. Такие меры позволили эффективно конкурировать с зарубежными производителями установок подобного класса.
Гидравлические системы таких машин работают при давлениях до 50 МПа и с подачами до 20 л/мин и более. Гидростанция установок АСР-60 и АСР-240 пред-ставлена на рисунке 4. Повышение рабочих давлений связано с стремлением соз-дания наиболее компактных и легких силовых блоков машин, удобных для раз-мещения и обслуживания в колодцах.
Рис. 4
Благодаря качественной системе уплотнений утечки рабочей жидкости све-дены к минимуму. Также система защищена от попадания загрязнений от внеш-них источников. А надежная система фильтрации позволяет увеличить срок служ-бы всей машины в целом. В предложенной авторами компоновке элементов сис-тем уплотнений и фильтрации при расчете рассматривались не только материалы, но и метод их установки, условия работы элементов и совместимость.
Скорость проталкивания штанг и втягивания нового трубопровода зависит от мощности и величины подачи насоса гидростанции. Производительность при вы-полнении работ зависит также от осевого размера штанг и величины хода гидро-цилиндров. Штанга может подаваться за один или несколько ходов. Поэтому дли-на гладкого участка штанги находится в зависимости от длины хода гидроцилинд-ра и кратна ей. Чаще всего это соотношение равно двум.
Увеличение хода гидроцилиндров и длины штанг повышает производитель-ность работы, но в то же время требуют увеличения, часто нежелательного, осево-го габарита установки. В связи с этим были проведены исследования различных компоновок, схем подключения, конструкций гидроцилиндров и силовых рам ус-тановок. Разработаны и применяются различные формы опорных щитов с специ-альными отверстиями. В настоящее время применяются схемы с дифференциаль-ным подключением гидроцилиндров и с использованием быстроразъемных соеди-нений.
Переключение с целью изменения скорости протягивания трубопровода осу-ществляется при смене режима работы и осуществляется оператором непосредст-венно на месте. Для этого установка имеет быстроразъемные соединения, а гидро-цилиндр выполнен с разными диаметрами штоков.
Благодаря внедрению новых схем, конструкций, а также применению передо-вых технологий и инновационных идей ценовые показатели для машин такого ти-па приемлемы для потребителей любого региона Российской Федерации. Об этом говорит их широкое использование. Всесезонный и, порой, круглосуточный ре-жим применения такой техники говорит о ее высокой надежности.
Для правильного выбора типоразмера силовой установки, как правило, необ-ходимо и достаточно знать величины требуемого тягового усилия или произвести его расчет. Расчетные формулы, предлагаемые в технической литературе, являют-ся приближенными и не учитывают все силы сопротивления, возникающие при разрушении старой трубы и протягивании новой.
С целью проверки допустимости упрощенного расчета тяговых усилий во время выполнения описанных выше работ в г.Ярославле с использованием уста-новки АСР-240 были проведены замеры тяговых усилий и выполнены соответст-вующие расчеты.
Значения расчетных усилий Р, кН получены по формуле:
где: - радиус скважины (расширителя), м;
- коэффициент сопротивления грунта уплотнению, МПа;
- пористость грунта в нетронутом массиве, доли ед.;
- вес 1 м трубы, кН/м;
- длина участка прокладки, м;
- коэффициент трения трубы о грунт.
Очевидно, что в расчете не учтено усилие, необходимое для разрушения ста-рой трубы.
Построены графики расчетных и фактических усилий, замеренных в процессе работы (см. рис. 5).
измеренные усилия на участке длиной 53м;
измеренные усилия на участке длиной 62 м;
расчетные усилия на участке длиной 53 м;
расчетные усилия на участке длиной 62 м.
Рис. 5.
Цена одного деления по ординате – 200 кН. Зависимость усилий протягива-ния полиэтиленовых модулей от длины участка трассы при реконструкции кана-лизационного коллектора в г. Ярославле, расширение с диаметра 300 мм до диа-метра 500 мм.
Расчетные усилия на участке реконструкции длиной 53 м, с достаточной сте-пенью точности подтверждаются фактическими измерениями, что свидетельству-ет о приемлемости использованной расчетной формулы для случаев замены кера-мических труб и, вероятно, новой прокладки.
На участке трассы длиной 62 м было встречено и преодолевалось препятст-вие в виде старого крепления траншеи, что привело к значительному возрастанию фактических тяговых усилий по сравнению с расчетными.
Расчеты и замеры фактических тяговых усилий в двух приведенных примерах показывают, что для прокладки новых труб Ø500 мм с одновременным разруше-нием старых труб Ø300…350 мм необходимо развивать тяговые усилия до 1500 кН и более. Этому требованию, в частности, отвечает установка АСР-240 с номи-нальным тяговым усилием 2000 кН.
В общем случае расчетная величина тягового усилия может быть опреде-лена из следующей зависимости:
, где
– торцевое сопротивление грунта на конусе расширителя:
, где
– наружный диаметр расширителя,
– наружный диаметр старой трубы,
– коэффициент, учитывающий характеристики грунта и его уплотнение в процессе работы;
– усилие трения на боковой поверхности прокладываемой трубы;
– усилие разрушения старой трубы. Для металлических труб это усилие
мо-жет быть определено как усилие резания, а для керамических и
железобетонных труб – исходя из прочностных характеристик материала
старой трубы;
– осевая составляющая усилия вдавливания разрушенной части старой тру-бы в породу:
, где
- составляющая усилия вдавливания, перпендикулярная оси трубы. Величина определяется характеристиками породы, а в случае разрезания
стальной трубы - дополнительным усилием разгибания разрезанной части
трубы;
– сила трения на поверхности штанг в грунте (при прокладке в грунте) или в старой трубе. Обычно величиной Rш можно пренебречь.
В зависимости от тягового усилия выбирается толщина опорной стенки, пло-щадь ее для передачи усилия протягивания от опорной стенки на сжимаемые по-роды.
В ЗАО «АВА Гидросистемы», г.Санкт-Петербург, разработаны и выпускают-ся установки для бестраншейной прокладки различными техническими характе-ристиками и функциональными возможностями.
Рис. 6.
Примечания:
1. АСР - 20, АС - 60, АС - 120, АС - 300 - котлованные установки.
2. АСР - 60, АСР - 240 - быстроразборные колодезные установки (см. рис. 6).
3. АСТ- 250 - установка, работающая методом вдавливания трубы.
С помощью установок АСР-20 прокладывают трубопроводы Ø60-150мм, что позволяет ремонтировать «вводы» и «выпуски» из здания, идущие к основной трубопроводной трассе.
Установки АС-60, АС-120 и АС-300 разработаны для работы из котлована. В отличие от более легкой установки АС-60 силовые блоки установок АС-120, АС-300 оснащены вертикальными и горизонтальными гидроцилиндрами, позволяю-щими выставить установку. Опорная стенка котлована должна быть надежно за-креплена. При использовании установок АС-120, АС-300 дно котлована должно быть выложено бетонными плитами. Для замены старого трубопровода установ-кой АС-60 дно достаточно засыпать щебнем.
Область применения котлованных установок - как правило, трубопроводы с небольшой глубиной залегания при наличии возможности вскрытия грунта для обустройства рабочего и приемного котлованов. Заменить изношенные трубы в условиях плотной застройки и глубокого залегания трубопровода с помощью кот-лованных установок нельзя. Для проведения таких работ изготавливаются гид-равлические установки АСР-20, АСР-60 и АСР-240. Установки выполнены в виде легко собираемых в единый силовой блок модулей, каждый из которых свободно проходит в стандартный люк водопроводного или канализационного колодца. Для захвата штанг, а также для их свинчивания, развинчивания и проворота установки оснащены, соответственно, гидроуправляемыми зажимным патроном и ключом (в АСР-20 ключ отсутствует) . Гидроагрегаты установок АСР выполняются с авто-номным приводом от ДВС или с электроприводом от городской электросети.
Возможность размещения силового оборудования в колодце без разрушения его верхней части является главным преимуществом установок типа АСР перед котлованными установками. Колодезные (шахтные) установки не имеют ограни-чений по глубине, не требуют рытья котлованов. В то же время они могут быть использованы и для работы в котлованах.
Опыт применения бестраншейных технологий показывает наличие схожих проблем, часто возникающих при проходке трубопроводных трасс как методом ГНБ, так и способом силового протягивания (продавливания) труб. В первом слу-чае в процессе прокладки нередко требуется на коротком участке трассы много-кратно увеличить тяговое усилие. Во втором случае при продавливании пилотного става штанг или труб часто невозможно преодолеть твердое препятствие, напри-мер, в виде камня или бетона. Один из путей решения этих проблем - совмещение в одной установке обеих технологий проходки. Примером такого технического решения является разрабо-танная и изготовленная установка АСРТ-60. Как и другие установки типа АСР, она при малых габаритах развивает большие тяговое и толкающее усилия (до 600 кН), но отличается наличием съемной бурильной головки, устанавливаемой при обнаружении препятствий вместо легкосъемных узлов (зажимного патрона и клю-ча), используемых при силовом продавливании.
Представленные в настоящем докладе установки позволяют прокладывать новые и заменять старые трубы из любых применяемых ныне материалов.
Гидравлические машины в бестраншейных технологиях характеризуются:
- низкой себестоимостью;
- малыми энергетическими затратами;
- высокой культурой производства работ;
- возможностью выполнять работы в любых грунтах (кроме состоящих, более чем, на 50% из камней);
- меньшим риском повреждения существующих коммуникаций;
- меньшим уплотнением грунта по сравнению с другими бестраншейными техно-логиями;
Оборудование позволяет выполнять следующее работы:
- заменять старые трубопроводы (с разрушением их или без разрушения), сохра-няя или увеличивая внутренний диаметр до 1,5 раза;
- производить «проколы» ø40-130мм длиной до 120м, в т.ч., с управлением траек-торией;
- прокладывать новые трубопроводы;
-прокладывать коллекторы под железными и автомобильными дорогами методом вдавливания.
Развитие бестраншейных технологий диктует все большие требования к точ-ности и делает возможным совмещение нескольких технологий на базе одной ма-шины.
Работа при большей точности осуществляется за счет оснащения машин сис-темами управления положением рабочего органа, системами управления с отрица-тельной обратной связью. Датчик обратной связи, например на основе луча лазе-ра, отслеживает положение рабочего органа, после чего вырабатывается сигнал рассогласования. В системе происходит преобразование полученной информации в сигнал управления, и постепенно система настраивается на желаемый результат.
Управление положением рабочего органа может осуществляться и с поверх-ности. На данный момент существует много современных локационных систем. Большинство из них являются системами с обратной связью. Сам рабочий орган при этом представляет собой корпус с установленным в нем зондом-излучателем и несимметричным передним наконечником.
Соответственно сигналу, штанга поворачивается на определенный угол и по-дается вперед. При таком движении фиксируется положение рабочего органа, не-обходимое длякоррекции траектории прокола. Это позволяет осуществлять более точную прокладку трубопровода и обойти препятствия в виде арматуры, балок и других конструкций, находящихся в грунте на линии траектории прокладки ком-муникации. Совмещение в одной установке таких методов, как прокол, гидростатическое разрушение и бурение позволит существенно расширить возможность применения бестраншейных технологий для прокладки и реконструкции инженерных комму-никаций.
Дальнейшее развитие и совершенствование гидравлических машин в области бестраншейных технологий, а также их оснащение системами управления необхо-димы по следующим причинам:
- наличия плотной застройки и развитой системы коммуникаций, обуславли-вающих требования к компактности и удобству эксплуатации машин;
- обеспечение прокладки самотечных систем, требующей высокой точности;
- возможность создания и отработки специальной траектории.
Для прокладки коммуникаций бестраншейным методом используют машины циклического действия. Одним из основных движений является повторный захват штанги в начале нового цикла. Зажим штанги за цилиндрическую часть дает большие возможности использования гидравлического зажимного устройства.
В разрабатываемых машинах применены новые, по сравнению с зарубежны-ми аналогами и конструкциями прошлых лет, типы гидравлических зажимных устройств.
Большие зажимные усилия при достаточно компактных размерах конструк-ции, а также быстродействие таких устройств возможно благодаря оснащению машин гидравлическими системами. Гидравлические зажимные устройства таких машин работают при давлении до 50 МПа и сравнительно небольших подачах,- до 10 л/мин. Штанга может фик-сироваться как для подачи, так и для свинчивания. Часто возникает необходи-мость в передаче вращательного движения на рабочие органы. Поэтому возможно использование гидравлического зажимного устройства в качестве вращателя.
В настоящее время применяют несколько типов гидравлических зажимных устройств, работающих при вращении. Это устройство для автоматического свин-чивания штанг, работающее по принципу обгонного механизма, приводимого в движение от гидромотора. А также зажимное устройство подачи става штанг с рабочим усилием.
При ненадежной фиксации штанг в зажимном устройстве возникает большая вероятность снижения качества работ, ухудшение поверхности или полное разру-шение штанг.
Бестраншейные технологии в высокой степени экологичны. Они позволяют осуществлять работы без остановки функционирования других систем, например транспортного движения. Это позволяет избежать создания пробок на дорогах, загазованности и, в конечном счете, нанесения большого урона окружающей среде. И в любом случае, данные технологии экономят время и деньги. Они не требуют вскрытия грунта, широкого применения тяжелой техники, уменьшают количество рабочих, занятых тяжелым ручным трудом. Сама технология доступна для рабочих среднего уровня подготовки. Эта технология позволяет в условиях подготовки огромной территории на-шей страны к отопительному сезону и в других случаях выиграть время. Таким образом, бестраншейные технологии направлены на улучшение жизни людей все-го государства.
Использование бестраншейных технологий может стать хорошей площадкой для создания своего бизнеса, ведь спрос огромен, и работы меньше не становиться.
Список литературы
1. «Гидравлические установки для бестраншейной прокладки коммуникаций», А.Яцкевич, В.Прокопенко, С.Шешурин, «Индустрия» №1,2002, г.Санкт-Петербург
2. «Бестраншейная безвибрационная замена трубопроводов», А.Яцкевич, «Техни-ка для городского хозяйства» №4,2003, Москва.
3. «Бестраншейная безвибрационная замена трубопроводов», Суханова Р.Н. «РОБТ» №8, 2004, Москва.
4. «Опыт работы Нижегородского водоканала по водоснабжению и водоотведе-нию» Муниципальное предприятие «Водоканал». Ч.А.Дзиминкас, А.Н.Луков, Н.В.Голубев, Н.П.Макаров, Т.А.Миронова при участии Ю.А.Гаранина, В.А.Власенко, М.С.Шмелева. г.Киров.
5. «Бестраншейные методы восстановления водопроводящих и водоотводящих се-тей»., С.В. Храменков, О.Г.Примин, В.А.Орлов. г. Москва 2002г.
6. Руководящий технический материал РТМ 36.44.12.2.-90 «Проектирование и устройство фундаментов из свай, погружаемых способом вдавливания». Минарх-строй РФ, ВНИИГС, Санкт-Петербург, 1992.
