СоюзДонСтрой современные бестраншейные технологии
8 800 500-65-92

Микротоннель для устройства переходов трубопроводов через преграды

На этапе проектирования переходов через преграды важно выбрать технологию проходки исходя из проектного задания, геологических условий и возможностей существующего оборудования. Это может быть наклонно направленное бурение, безостановочное бурение Direct Pipe, шнековое бурение или микротоннелирование. Каждый из этих методов имеет свои преимущества, сложности и ограничения. В этой статье я попытался наиболее полно описать круг задач, которые необходимо решать при устройстве дюкеров способом микротоннелирования, преимущества метода, его ограничения и возможности.

I. Микротоннелирование малыми диаметрами на большие расстояния

Для проходки малыми диаметрами на большие расстояния при прокладке трубопроводов следует во-первых учитывать особенности грунта, его тип, прочность на одноосное сжатие, абразивные свойства и прочие геологические особенности проходки. Исходя из этого можно производить оценку сил трения бурового става о грунт и распределения домкратной нагрузки. В своей статье «Инновации третьего поколения в бестраншейной технологии строительства тоннелей» В. Зум посвятил четвертую главу технологическим особенностям проходки на большие расстояния. При проходке на большие расстояния в сложных геологических условиях часто возникает необходимость замены режущего инструмента и для этого тоннелепроходческую машину следует надлежащим образом оснастить. Автор подчеркивает важность доступа в забой в обводненных грунтах и наличия шлюзовой камеры. Самой маленькой установкой со шлюзовой камерой внутри является AVN1400. Это связано с тем, что самая маленькая высота шлюзовой камеры равна полутора метрам. При эксплуатации машин меньшего диаметра может использоваться шахтный шлюз. Большое значение при проходке на большие расстояния имеет трение става труб о грунт. Для его снижения используются специальные буровые растворы на основе бентонита. Фирма Херренкнехт применяет специальную систему автоматической бентонитовой смазки по всей длине тоннеля. Это позволяет добиться силы трения менее 1кН/м2. ем больше длина проходки, тем выше усилие продавливания. Для его минимизации следует равномерно распределять усилие проходки по длине тоннеля при помощи промежуточных домкратных станций. Расстояние между ПДС следует рассчитывать исходя из геологических особенностей, в сложных грунтах оно должно быть не менее, чем 100 м, а в глине, - 100-150 м.?Особое внимание следует уделить применению гирокомпаса в системе навигации и датчиков OLC для снижения рисков разрушения труб от чрезмерных нагрузок.?Исходя из опыта специалистов компании Херренкнехт можно следующим образом свести в таблицу рекомендуемые значения предельной длины в различных грунтах для безопасной проходки:

Внутренний диаметр тоннеля

Рекомендованная длина проходки в глинах

Рекомендованная длина проходки в песках

Рекомендованная длина проходки в гравийно-галечных грунтах

Рекомендованная длина проходки в скале прочностью до 250MPa

1200мм

400м

700м

500м

400м

1500мм

500м

900м

700м

600м

1600мм

600м

900м

700м

600м

2000мм

900м

1500м

1200м

900м

2400мм Сегментная отделка

Более 2000м

Более 2000м

Более 2000м

Более 2000м

В идеальных геологических условиях возможна проходка большие расстояния, но расчет максимальной длины проходки следует производить на основании конкретных проектных данных.

II. Минимальный радиус прокладки микротоннеля

Стандартные тоннелепроходческие комплексы для домкратного продавливания труб производства Херренкнехт рассчитаны на радиус 400м. Сегментные машины могут выполнять меньшие радиусы, - 200 м. В Саудовской Аравии есть машины, которые по требованиям проектировщиков рассчитаны на радиус 150 м. В случае с машинами для прокладки трубопроводов минимальный радиус прокладки тоннеля ограничен минимальным радиусом холодного изгиба трубы при проходке прямыми трубами.

III. Риски, которые следует учитывать при проходке на большие расстояния.

Основные риски при проходке в скале: Обжатие и последующая блокировка става труб из-за попадания в кольцевое пространство мелкого щебня и большого количества песчинок. Решение: Применение дополнительного водяного контура, применение форсунок среднего давления, закачивание бентонита за обечайку стартового уплотнения. Риски при проходке в галечных грунтах: Выбор избыточного количества грунта, обвал забоя Решение: применение машин типа AVND, - двойного щита, для стабилизации забоя при помощи бентонитового раствора. Повышенное трение става труб о грунт. Снижение трения при домкратной прокладке труб – ключ к успешному завершению проекта. В геологических условиях с присутствием морской воды, или соленых грунтовых вод риски увеличиваются, поскольку изменяется реология смазки.?Решение: Двухконтурная система смазки с автоматическим контролем и распределением бентонитового раствора по всей длине тоннеля. Необходимо присутствие опытного инженера по буровым растворам на стройплощадке. Применение специальных химических присадок и полимерных соединений в бентонитовом растворе. Нестабильный галечный грунт. Такая геология сильно повышает трение. Решение: предварительное нагнетание стабилизирующего раствора в грунт, снижение расстояния между промежуточными шахтами, установка большего количества промежуточных домкратных станций.

IV. Техника и технология проходки при укладке трубопровода

Один из испытанных методов футляр из HDPE (полиэтилен высокой прочности). Он служит защитой изоляции, в него можно также уложить трубу с кабелем телекоммуникации. Еще один проверенный метод, -  использование роликов. Они могут остаться в тоннеле, или их можно демонтировать. Выбор метода зависит от проектного задания и разницы диаметров трубы и тоннеля.

V. Как долго тоннель может оставаться водонепроницаемым

Нельзя дать 100% гарантии, что тоннель останется водонепроницаемым в течение всего срока службы. Этого добиваются при строительстве тоннелей большого диаметра. Небольшие протечки после окончания строительства тоннеля возможны и приемлемы. После прокладки трубопровода межтрубное пространство обычно заполняют специальным раствором, или песком, например трубопровод Европайп, или тоннели Гаудава. Если тоннель оставить незаполненным, небольшие протечки могут со временем заполнить его, трубопровод в этом случае может всплыть и в нем появятся нежелательные напряжения. Для извлечения дюкера замытого песком необходимо использовать доталкиватель труб PT. По причине отсутствия значительного давления грунта на трубу осевое усилие необходимое для его извлечения будет в пределах достижимого.

VI. Защита от Коррозии

Любая защита от коррозии применимая к дюкерам может быть использована при укладки дюкера методом микротонелирования. Защитное покрытие может быть усилено при необходимости. Метод катодной защиты так же применим. Вероятность повреждения изоляции при протаскивании – минимальна.

VII. Стартовый и приемный котлованы. Устройство концов трубы

В зависимости от необходимой длины проходки стартовый, приемный и промежуточные (при необходимости) котлованы можно устраивать на любом участке трассы. Глубина котлована, - до 80 м (при строительстве таких глубоких шахт используются стволопроходческие комплексы). В качестве примера можно привести устройство стартового котлована на проекте БТС1 в Шлюссельбурге.

Глубина заложения шахты определяется диаметром машины. Во избежание просадок поверхности у входа в шахту перекрытие над верхним сводом должно составлять не менее двух диаметров машины, в мелкозернистом галечном грунте, - не менее трех, в скальных грунтах, - можно меньше. Устройство шахты на небольшой глубине в данном проекте производилось при помощи шпунта Ларосона. Фундамент для рамы продавливания и пятка для домкратного блока были изготовлены из бетона. После окончания проходки бетонная пятка была разбита, а задняя стенка рамы, -  демонтирована. После этого при помощи экскаватора была устроена траншея с необходимым уклоном для протаскивания дюкера. Для снижения длины проходки под преградой, или для работы в более благоприятных геологических условиях на некоторых проектах приходится увеличивать глубину шахты. В этом случае для укладки дюкера предлагают пройти дополнительный интервал с выходом микротоннеля в более мелкую шахту, или использовать предварительно изогнутые отводы. На рисунке ниже приведена схема устройства шахты из проекта одного из переходов трубопровода Баку-Тбилиси-Сейхан (труба 42 дюйма). В данном случае одновременно велось устройство двух ниток перехода.

VIII. Работа в кессоне с выходом в забой. Замена режущего инструмента на машинах малого диаметра

Строительство микротоннелей большой протяженности затрудняется тем, что разрушающий породу инструмент рабочего органа (резцы и шарошки, или диски) изнашивается, что приводит к абразивному износу стальных частей самого органа и если проходку не остановить, тоннелепроходческий комплекс может прийти в негодность. На износ режущего инструмента рабочего органа влияет несколько факторов. Это прежде всего геологические условия. В скальных грунтах большой прочности е с высокими абразивными свойствами при повышенном давлении на центральный подшипник машины износ максимален. На износ режущих инструментов влияет также конструкция конусной дробилки. Если она имеет достаточные размеры, чтобы на машину можно было установить рабочий орган с как можно большим количеством лопастей, эффективность удаления грунта и его размельчения в дробилке улучшается, что снижает нагрузку на режущий инструмент. Таким образом нагрузка на режущий инструмент в машинах с большим диаметром меньше и он может служить дольше. Руководствуясь опытом предыдущих проектов можно сказать, что при проходке щитом диаметром менее двух метров в твердом скальном грунте замену режущего инструмента следует производить через каждые 100 метров проходки.

Задача замены режущего инструмента требует решения. Для щитов компании Херренкнехт это решение найдено для всех диаметров начиная от 1200 мм (внутренний диаметр тоннеля). Шарошки (диски) рабочего органа и посадочные места для них сконструированы таким образом, что замену режущего инструмента можно производить «изнутри» машины. Для этого персоналу следует пройти в призабойную камеру через специальную дверь и произвести осмотр и замену режущего инструмента. На чертеже выше видна дверь доступа в забой в тоннелепроходческой машине AVND1600 произведенной для проекта трубопровода Баку-Тбилиси-Сейхан.?Шарошка и посадочное место. На чертеже показана возможность замены режущего инструмента изнутри:

Дверь доступа в забой для замены инструментов в машине малого диаметра:

Сложности при замене режущего инструмента могут возникнуть при работе в сильно обводненных грунтах, или в геологических усилиях с высоким давлением грунтовых вод. Для решения этой проблемы применяется сжатый воздух. Давление воздуха в забое поднимают выше, чем давление воды предварительно заполнив забойную камеру бентонитом. Бентонит служит буферной подушкой для воды. Для работы при давлении выше атмосферного (до 3,5 бар в стандартных машинах и до 5 бар в специальных) применяется шлюзовая камера, которая устраивается в корпусе тонеллепроходческого комплекса. На чертеже ниже показано устройство шлюзовой камеры машины AVND1600. Работы в кессоне должен выполнять только высококвалифицированный персонал с соблюдением всех требований безопасности предусмотренных регламентирующей документацией. Специалисты компании Херренкнехт работают в соответствии с требованиями немецкого технического регламента для работы в кессоне TBG. Существуют также внутренние инструкции компании.

IХ. Обеспечение неподвижности става труб в процессе установки новой трубы в домкратную раму. Тормоз для труб

Среди вышеперечисленных проблем, возникающих при проходке малым диаметром на большие расстояния проблема неподвижности трубного става в период, когда домкратная рама не передает осевого усилия на став занимает не последнее место. В момент, когда домкратные цилиндры отъезжают назад для установки очередной трубы (стальной, или бетонной) существует опасность, что став труб под давлением грунтовых вод начнет движение в направлении обратном направлению проходки. При устройстве микротоннеля для укладки дюкера проходка ведется под наклоном, этого не избежать поскольку необходимо соблюдать изгиб трассы, при этом кольцевое пространство заполнено бентонитом, что значительно снижает силу трения, а поскольку проходка чаще всего ведется под водными преградами горизонт воды достаточно высок, чтобы давление грунтовых вод было 0,7 бара, или больше. В такой ситуации необходимо обеспечить неподвижность става труб. Для этого применяется трубный тормоз, который устанавливается в стартовом котловане за стартовым уплотнением и обжимая трубы фиксирует их на месте. Устройство состоит из двух стальных пластин соединенных между подвижным шарниром внизу, и гидравлическими цилиндрами вверху (см. рисунок ниже) Трубный тормоз чаще всего применяется в проектах с железобетонными трубами. У нас имеется опыт его производства для стальных труб, но обеспечить неподвижность стальных труб можно при помощи обыкновенной сварки. Большинство проектировщиков выбирают более дешевый вариант.

Установка тормоза труб на стройплощадке

Чертеж трубного тормоза. Внизу при помощи подвижного шарнира он крепится к домкратной раме.

Х. Экономическая целесообразность применения метода микротоннелирования по сравнению с направленным бурением. Выводы.

При выборе метода проходки для устройства дюкеров решающую роль играет соотношение между стоимостью работ, материалов и оборудования и рисками, которые вытекают из того или иного метода. Для принятия решения по выбору из вышеуказанных методов в первую очередь следует учитывать геологические условия проходки. В глине и песчаных грунтах без наличия валунов и трещиноватых скальных включений целесообразно использовать метод ННБ, поскольку стоимость оборудования для укладки дюкера будет меньше. Но в этом случае следует проявить осторожность, поскольку в расчет следует принимать стоимость бурового раствора, его утилизации, стоимость и количество персонала на буровой площадке, повышенные риски связанные с неожиданными геологическими включениями не указанными в профиле изысканий. Есть еще один аспект: низкая предсказуемость необходимого количества раствора и высокие цены на качественный бентониты и полимерные добавки. В сложных геологических условиях, скальных грунтах высокой прочности и абразивности, глинах с большим количеством крупных валунов, в нестабильных и галечных грунтах возникает неприемлемо высокий риск потери скважины ННБ. В этом случае целесообразнее использовать метод микротоннелирования для устройства дюкера. Этот метод при том, что стоимость оборудования будет выше, чем при методе ННБ обладает следующими преимуществами:

  • Точность позиционирования машины на всем интервале проходки не зависимо от диаметра или геологических условий- 20 мм.
  • Минимальные риски, связанные с геологическими условиями
  • Малое количество бентонита и отсутствие расходов на его утилизацию
  • Возможность проходки в обводненных грунтах с большим давлением воды
  • Высокая предсказуемость скорости проходки и сроков окончания работ
  • Минимальный радиус тоннеля и сокращение длины проходки
  • Постоянное инженерное сооружение с возможностью быстрой замены дюкера без проведения буровых работ.
  • Отсутствие просадок грунта, возникающих из-за разницы в диаметре скважины и трубы.

В любом случае для принятия взвешенного решения  специалистам фирмы-заказчика следует произвести комплексный сравнительный экономико-технический анализ всех применимых методов и включить в него стоимость работ, стоимость оборудования, стоимость утилизации материалов, риски (в том числе и экологические), стоимость эксплуатации и замены дюкера в долгосрочной перспективе. Нельзя заранее и однозначно определить какой из методов будет наиболее быстрый, дешевый и эффективный, инженерные расчеты следует производить исходя из конкретных проектных условий и данных геологической разведки.