Проектирование производства рабьот по прокладке трубопроводов под железными и автомобильными дорогами

При прокладке подземных магистральных трубопроводов часто приходится устраивать переходы под городскими улицами, скверами, площадями, зданиями и другими сооружениями. Часто оказывается более экономичной прокладка трубопровода под препятствиями без вскрытия грунта, а порой открытая прокладка бывает и невозможной. Материал изложен применительно к случаю пересечения с железной дорогой. Конструкция пересечения принята в соответствии с «Типовым проектом переходов водопроводных и канализационных трубопроводов под автомобильными и железными дорогами» (рис. 19).

 

Открытая прокладка

Иногда, если это возможно и целесообразно, при открытой прокладке движение по железной или автомобильной дороге прекращается на все время производства работ. В этом случае по оси перехода полностью убирается верхнее строение пути (или дорожное покрытие) и производится отрывка траншеи с креплениями или с уположенными откосами. На магистральных дорогах такой способ обычно недопустим из-за невозможности перерыва движения на длительное время.

Открытая прокладка трубопроводов на пересечении с железными дорогами чаще всего осуществляется с использованием пакетных пролетных строений, изготовляемых, как правило, из рельсов или двутавровых балок. Работа по устройству траншеи, укладке трубопровода, а также засыпка траншеи производится после укладки пакета, который воспринимает на себя нагрузку от действующего пути (рис. 20). В этом случае перегон закрывается только на время укладки и снятия пакета, что значительно уменьшает продолжительность «окна».

По конструкции рельсовые пакеты разделяются на балочные и подвесные (рис. 21).

 

Продавливание

Сущность метода продавливания заключается в том, что проталкиваемая труба, являющаяся обычно футляром (кожухом), внутри которого укладывают водопроводную или канализационную магистраль, вдавливается открытым концом в грунт и по мере ее продвижения грунт внутри трубы разрабатывается и извлекается.

Этим методом вдавливают чаще всего стальные трубы, но, если установить в лобовой части стальную ножевую секцию, можно укладывать и железобетонные трубы. Метод продавливания может применяться для прокладки труб (кожухов) диаметром от 800 до 1600 мм в грунтах I–III групп. Длина проходки обычно составляет от 30 до 80 м. Распределение грунтов по группам для бестраншейной прокладки трубопроводов следует принимать в соответствии с [3, табл. 1, технической части разд. II].

Работы по продавливанию ведутся следующим образом (рис. 22). С одной стороны от пересекаемого препятствия (железной или автомобильной дороги) разрабатывается рабочий котлован, размеры которого выбираются так, чтобы разместить в нем все необходимое оборудование. Как правило, длина его на 2–3 м больше длины одной трубы кожуха (по сортаменту), а ширина – на 1–2 м больше ее диаметра. По другую сторону препятствия на оси перехода роют приемный котлован длиной 1,5–2 м. Стенки рабочего котлована на всю глубину или на часть ее делаются вертикальными с установкой креплений. При этом распоры крепления нужно располагать так, чтобы во время производства работ не требовалось их многократная перестановка. У задней стенки котлована делается деревянная или бетонная упорная стенка для восприятия реактивного давления от домкратов и передачи его на грунт. Для равномерного распределения давления по упорной стенке между ней и домкратами устанавливается сварная стальная плита – опорный башмак.

Чтобы придать движению прокладываемой трубы нужное направление, дно рабочего котлована делается с уклоном, близким к проектному уклону трубы и там укладывается горизонтальная направляющая рама (рис. 23). В креплении передней стенки котлована устанавливается деревянная вертикальная направляющая рама.

Для передачи давления от домкратов на торец прокладываемой трубы применяются нажимные заглушки (рис. 24). Они позволяют вести продавливание двумя (рис. 24, а) и четырьмя (рис. 24, б) домкратами. В верхней части заглушки имеется окно для извлечения разработанного в трубе грунта.

Между нажимной заглушкой и прокладываемой трубой устанавливаются нажимные патрубки (см. рис. 22, а). Заглушки и патрубки соединяются друг с другом и со звеном трубы с помощью замковых колец. Диаметр нажимных заглушек и нажимных патрубков равен диаметру продавливаемой трубы.

Для облегчения вдавливания трубы ее головная секция снабжается кольцевым или серпообразным ножом (рис. 25, 26).

Последовательность выполнения операций по продавливанию кожуха показана на рис. 22, б.

По мере вдавливания секции кожуха в грунт между ней и нажимной заглушкой устанавливается соответствующее количество нажимных патрубков (в комплекте установки имеются патрубки длиной 1000 и 2000 мм). Когда суммарная длина патрубков достигает размера целой трубы, вместо них укладывается постоянная труба и приваривается к уже вдавленной в грунт секции. Для удобства сварочных работ в котловане делается приямок 7 (см. рис. 22, а).

Грунт внутри трубы разрабатывается вручную (лопатой с укороченной ручкой) и удаляется рельсовой тележкой за пределами котлована. Из котлована грунт удаляется бадьями или непосредственно в тележках стреловым краном.

Возможна также гидромеханизированная разработка грунта. В этом случае вода подается в забой по трубам диаметром 38 мм под давлением 0,2–0,4 мН/м² (а–4 атм), а пульпа самотеком стекает в приямок, откуда откачивается насосом за пределы котлована.

Существуют установки для продавливания с механизированной разработкой грунта (рис. 27). В этом случае внутри прокладываемого кожуха размещается специальный ковш – челнок, на котором установлены электродвигатель, редуктор и пропеллерный нож. Ковш перемещается с помощью лебедки, укрепленной на хвостовой секции кожуха. Работа выполняется в такой последовательности. Домкратом вдавливают трубу в грунт на 200–300 мм. Включив электродвигатели лебедки и режущего механизма, продвигают челнок в забой до соприкосновения пропеллерного ножа с грунтом, находящимся в трубе. После окончания разработки грунта выключают нож, челнок втягивают в приемную камеру и опорожняют. Далее цикл повторяется.

Эта установка не требует пребывания рабочего внутри прокладываемого кожуха, но трудоемкость прокладки в этом случае не ниже, чем при ручной разработке грунта. В связи с тем, что в процессе продавливания в этом случае нельзя наращивать трубу, рабочий котлован нужно делать из расчета полной длины кожуха. Суммарная длина нажимных устройств (труб и патрубков) здесь так же велика. Такая установка использовалась при прокладке трубопроводов диаметром 500–600 мм на длину до 24 м.

После окончания продавливания кожуха и демонтажа установки производится прокладка рабочей трубы. Для этого рабочий котлован соединяется с траншеей, вырытой для прокладки трубопровода. На дно траншеи укладываются лежни, а на них – подлежащая укладке в футляр рабочая труба, которая опускается в траншею целиком на всю длину кожуха или более короткими звеньями (в зависимости от грузоподъемности используемых механизмов), которые затем свариваются. Рабочая труба должна быть испытана пневматическим способом и покрыта противокоррозийной гидроизоляцией. В приемном котловане устанавливается лебедка, трос от которой пропускается через футляр и крепится к временным крюкам или скобам, привернутым к рабочей трубе. Для предохранения противокоррозийной изоляции от повреждений передний конец рабочей трубы укладывается на инвентарный хомут с колесиками. На остальной части трубы через 3–5 м (в зависимости от ее диаметра) укрепляются по окружности диэлектрические скользящие опоры.

По концам футляра зазор между трубой и кожухом забивается деревянными заглушками, конопатится смоляной прядью и заливается битумом.

По концам перехода (см. рис. 19) устанавливаются колодцы.

Сопротивление трубы вдавливанию

Р = Р ₁ + Р ₂ + Р ₂,

где Р ₁ – сопротивление вдавливанию ножа трубы в грунт (табл. 19);

Р ₂ – сопротивление, создаваемое грунтом, входящим в трубу (табл. 19);

Р ₃ – усилие трения боковой поверхности трубы о грунт.

Усилие Р ₃ можно определить, пользуясь выражением, тс

Р ₃ = 3,14 dLР _уд.,

где d – наружный диаметр кожуха, м;

L – длина продавливания, м;

Р _уд. – удельное сопротивление от трения по боковой поверхности, которое может приниматься равным 1–1,2 тс/м².

 

Таблица 19

Значения величин Р ₁ и Р ₂

Грунт	Усилие	Наружный диаметр, мм
Песчаный	Р 1
	Р 2
Глинистый	Р 1
	Р 2

 

Для продавливания кожухов используются чаще всего гидродомкраты ГД–170/1100 и ГД–170/1600 (нажимное усилие 170 тс, ход поршня соответственно 1100 и 1600 мм), работающие от насосов высокого давления ЗШ–НВД.

Количество домкратов N в установке принимается с коэффициентом запаса усилия, равным 2

.

В установках продавливания обычно используется от двух до шести домкратов.

В работе по монтажу установки и на продавливании занято звено в составе:

трубоукладчик 5-го разряда 1;

–«– 4-го разряда 1;

–«– 3-го разряда 1.

В качестве примера (табл. 20) приведен календарный график продавливания стального кожуха диаметром 1220 мм (длина продавливания 57 м, длина кожуха 60 м, длина перехода 70 м, грунт – суглинок). Трудоемкость операций определена на основании [15].

При проектировании производства работ по продавливанию футляра с разработкой грунта вручную следует иметь в виду следующие ограничения [16].

Пребывание рабочих внутри продавливаемого трубопровода для разработки грунта допускается, если диаметр трубопровода не менее

800 мм – при длине до 18 м;

900–1000 мм – при длине 36 м;

1200 мм и больше – при длине до 60 м.

Трубопровод длиной более 40 м необходимо обеспечивать принудительной вентиляцией.

Длительность непрерывного пребывания рабочего внутри трубопровода не должна превышать 1 ч, а интервалы между рабочими циклами устанавливаются 30 мин.

Ручная разработка грунта внутри трубы допускается только для условий, исключающих прорыв в забой воды или содержимого поглощающих колодцев, выгребных ям и скопления газов.

Запрещается ручная разработка в водонасыщенных грунтах.

До начала работ должно быть произведено тщательное обследование района работ с применением в необходимых случаях разведочного бурения.

Между рабочими, занятыми внутри трубопровода, и лицами, находящимися снаружи, должна обеспечиваться надежная связь и сигнализация в течение всего времени работы.

Трубопроводы и котлованы, из которых производится продавливание, обеспечиваются средствами быстрой эвакуации людей в случае необходимости.

Котлован должен быть огражден от затопления его поверхностными водами.

Разработка грунта ведется, как правило, при заполнении конца трубы грунтом не менее, чем на длину ножа. За пределами ножа любой грунт разрабатывать запрещается.

Насосы высокого давления и маслопроводы, применяемые для продавливания, оснащаются соответствующими приборами и испытываются до начала работы. В процессе работы необходимо непрерывно наблюдать за показаниями манометра, установленного на насосе. Развиваемое насосом давление не должно превышать проектного. Включать и выключать насос высокого давления разрешается только по сигналу мастера, под наблюдением которого выполняются работы по продавливанию. Место управления насосом должно быть ограждено.

Во время производства работ по продавливанию (проколу) запрещается пребывание рабочих в непосредственной близости от нажимных патрубков.

 

Прокол

Скрытая прокладка кожуха, при которой грунт не извлекается, а уплотняется, называется проколом. Этим способом прокладываются только стальные неизолированные трубы диаметром от 100 до 400 мм преимущественно в глинистых грунтах без примеси гравия, гальки и щебня. Длина прокола может достигать 50 м.

Прокол осуществляется чаще всего гидравлическими домкратами. Подготовку рабочего и приемного котлованов к проколу труб производят так же, как и при продавливании. Отличительными особенностями прокола являются меньшее количество домкратов, а также отсутствие операций по разработке и извлечению грунта из трубы. В связи с этим общая продолжительность рабочего цикла прокола меньше, чем при продавливании.

Конструктивно некоторые детали установки для прокола труб отличаются от установки продавливания.

Для уменьшения сопротивления трения при прокалывании головную секцию прокладываемой трубы снабжают наконечником с наружным диаметром на 20–50 мм больше диаметра кожуха. Чаще всего используют конусные наконечники (рис. 28). В плотных грунтах трубу вдавливают обычно с открытым торцом, тогда в процессе прокола грунт заполняет свободный торец на глубину примерно 5–7 диаметров и образует пробку, препятствующую дальнейшему внедрению грунта. В этом случае на открытый торец трубы по его окружности приваривают кольцевой нож-расширитель. Иногда к кожуху приваривается и торцевая заглушка (рис. 29).

Передача усилия от домкратов на трубу при проколе может осуществляться, как и при продавливании, с помощью нажимных заглушек и патрубков, но более простых по конструкции. Как нажимные заглушки, так и нажимные патрубки в данном случае представляют собой отрезки труб, закрытые с обеих сторон фасонными фланцами. Однако при проколе чаще используются не заглушки и патрубки, а нажимные штанги (шомполы) – рис. 30.

Диаметр шомпола должен составлять 0,5–0,7 диаметра кожуха, а длина должна быть примерно равна длине звена прокладываемой трубы. Одним концом шомпол крепят к шпренделю домкрата, а другим вставляют в укладываемую трубу. Усилия от домкрата к нажимному фланцу кожуха передается шомполом через шпильки, вставленные в отверстия диаметром 50–60 мм. Расстояние между смежными отверстиями на 150–200 мм меньше наибольшего хода поршня домкрата. Вдавливание кожуха в грунт происходит при выдвижении штока домкрата. Вдавливание кожуха в грунт происходит при выдвижении штока домкрата. При обратном ходе поршня шомпол выдвигается из кожуха, шпильки переставляются в ближайшие к нажимному фланцу кожуха отверстия шомпола, и цикл начинается снова. Так повторяется до тех пор, пока кожух не будет вдавлен в грунт на длину шомпола. Затем на направляющую раму укладывают следующее звено трубы, приваривают его к хвостовой части уже вдавленной трубы, внутрь звена заводят шомпол и продолжают прокол.

Сопротивление проколу в разных грунтах при прочих равных условиях зависит от сил внутреннего трения и сцепления, действующих между частицами грунта. Практика показала, что сопротивление проколу в песках значительно больше, чем в глинистых грунтах. Поэтому метод прокола для бестраншейной прокладки трубопроводов наиболее широко используется в глинистых грунтах.

Значительного уменьшения сопротивления проколу можно достигнуть при использовании вибрирования. От виброагрегата колебания передаются частицам грунта, прилегающим к трубопроводу как по его боковой поверхности, так и к наконечнику переднего звена, в результате чего грунт вокруг кожуха приобретает большую подвижность и по своим свойствам становится похожим на вязкую среду.

В результате исследований (ВНИИВодгео) выявлено, что вибрация главным образом снижает силы внутреннего трения грунта, а на силы сцепления оказывает значительно меньшее воздействие. Поэтому вибрация оказывает наибольшее влияние на уменьшение сопротивляемости проколу именно несвязных грунтов, которые при осуществлении прокола без вибрации создают значительные затруднения.

Кроме того, так как сопротивление трения боковой поверхности прокладываемого трубопровода о грунт зависит существенным образом от устойчивости разрабатываемой в нем скважины (что может считаться почти полностью обеспеченной для связных грунтов), то наиболее ощутимый результат для способа прокола получается при применении вибрации в сыпучих песках и плывунных грунтах, т.е. как раз в тех грунтах, где не удается создать устойчивую скважину.

Идея использования вибрации при бестраншейной прокладке трубопроводов находит довольно разнообразные конструктивные решения. Наиболее распространенными установками для вибропрокола являются УВП–1 и УВП–2 (рис. 31), которые применяются для прокладки труб диаметром ль 100 до 400 мм на длину до 30 м (главным образом в песчаных грунтах).

Для работы установок УВП при прокладке трубы диаметром до 200 мм без использования шомпола откапывается рабочий котлован по длине жесткой направляющей рамы, если производится прокладка труб диаметром 200–400 мм, то применяется шомпол, и котлован делается на 1,5–2 м длиннее секции прокладываемой трубы (рис. 32). Ширина котлована понизу от 1,5 до 2 м. К задней части котлована должна примыкать траншея для размещения в ней прокладываемой трубы или шомпола. Приемный котлован – такой же, как и при проколе.

До начала работ направляющей раме придают положение, соответствующее проектному направлению и уклону трубопровода. Тележку с вибратором устанавливают в крайнее левое положение, укладывают первую секцию трубы, прикрепляют к ней шомпол, а на шомполе с помощью хомута крепится вибратор (рис. 31). Если прокол ведется без использования шомпола, прикладываемая труба сразу сваривается до нужной длины, и непосредственно на нее крепится вибратор.

Последовательность операций по прокладке труб установкой УВП–2 показана на рис. 32.

Сопротивление вдавливанию трубы Р, кгс, без экскавации грунта можно представить как

,

где r – радиус сечения скважины, см;

σ_уп – удельное сопротивление грунта уплотнению, кгс/см² (табл. 21);

n ₀ – пористость грунта до прокладывания (табл. 21);

q – вес 1 пог.м трубы, кг;

f – коэффициент трения стали о грунт (табл. 21);

L – длина проходки, м;

α – коэффициент, учитывающий воздействие вибрации:

при проколе α =1;

при вибропроколе в песках α = 0,12–0,17;

при вибропроколе в связных грунтах α = 0,6–0,8.

Прокладку трубопроводов без экскавации грунта (прокол и вибропрокол) ведет звено в составе:

трубоукладчик 5-го разряда 1;

–«– 4-го разряда 1;

–«– 3-го разряда 1.

Средняя скорость проходки трубопроводов в песчаных грунтах примерно такая же, как и при проколе гидродомкратами в глинистых грунтах, поэтому при проектировании производства работ по вибропроколу можно пользоваться данными [15, табл. 4 § 10-7].

При прокладке трубопроводов без экскавации грунта должны соблюдаться правила работы в котловане [16], а в случае прокола гидродомкратами – и правила работы с насосами высокого давления, как и при продавливании кожуха.

 

Таблица 21

Значения расчетных величин [16]

Грунт	n0	f	σуп
Песчаный	0,35–0,5	0,6–0,8	50–60
Глинистый	0,3–0,6	0,5–0,75	15–20

Горизонтальное бурение

Для производства работ устанавливаются два котлована по обе стороны перехода – рабочий и приемный. Длина рабочего котлована определяется длиной прокладываемой трубы, ширина 2–3 м, а глубина на 0,5– 0,6 м больше проектного заложения трубопровода. Размеры приемного котлована, как и при продавливании.

Способ горизонтального бурения состоит в одновременном бурении горизонтальной скважины и прокладке в ней трубы. Скважину создает буровая коронка, насаженная на вал шнекового транспортера, который предназначен для удаления грунта из трубы и вращается со скоростью 5,1–31,9 об/мин. Продольное усилие создается полиспастом и лебедкой, приводимыми в действие двигателем внутреннего сгорания (рис. 33).

В настоящее время выпускаются несколько видов установок горизонтального бурения (табл. 22).

Подбор установки горизонтального бурения для прокладки кожуха осуществляется с учетом данных табл. 22 и 23.

 

Таблица 22

Машины горизонтального бурения для бестраншейной прокладки труб [17]

Показатели	Техническая характеристика машин
УГБ–2	УГБ–4	УГБ–5
Диаметр прокладываемых труб, мм		325–630	630–10120
Максимальная длина проходки, м			40 и 60
Технические скорости бурения на разных передачах коробки, м/ч	1,8–18,4	1,8–18,5	1,8–18,1
Максимальное усилие подачи, т

Наибольшее продольное усилие Р, тс, которое нужно будет преодолеть установке в процессе прокладки кожуха, определяется из выражения

,

где f – коэффициент трения стали о грунт;

q – вес 1 пог.м кожуха со шнеком, т;

L – длина скважины, м.

Рассчитанное по этой формуле усилие должно быть меньше, чем максимальное усилие подачи для данной установки.

В действующем сборнике ЕНиР не приводятся нормы на прокладку кожухов установками УГБ, поэтому при проектировании производства работ следует исходить из [17] средней скорости бурения 15–30 м/см и затрат труда в чел.-ч на 1 пог.м:

без монтажных работ 2,8–4,7;

включая монтажные работы 5,7–6,7.

Работы по рытью и креплению котлованов, а также другие работы, выполняемые после прокладки кожуха, следует нормировать отдельно.

 

Технико-экономическая оценка вариантов производства работ

Выбор способа производства работ должен базироваться на технико-экономическом сравнении вариантов. Если местные условия позволяют производить как закрытую, так и открытую прокладки, нужно решить, какой способ более экономичный, а если возможна только бестраншейная прокладка, то и здесь необходимо выбрать наиболее подходящий способ производства работ. Область применения наиболее употребительных способов прокладок трубопроводов без вскрытия грунта представлена в табл. 23.

Варианты производства работ можно сравнивать по их плановой себестоимости.

Стоимость каждого варианта можно представить как

С = С ₁ + С ₂, (14)

где С ₁ – плановая себестоимость строительно-монтажных работ по варианту;

С ₂ – потери от задержки народохозяйственных грузов, вызванных закрытием перегона.

В свою очередь себестоимость строительно-монтажных работ можно найти из выражения

, (15)

где С _м.-см – плановая себестоимость машино-смен машин и механизмов, используемых при производстве работ по варианту;

Табл. 23

 

 

Т _пл – плановое время работы машины на объекте по данному варианту;

З _р – суммарная заработная плата рабочих, участвующих в производстве работ, но не занятых управлением машинами;

1,08 и 1,5 – коэффициенты, учитывающие накладные расходы.

Потери от задержки народохозяйственных грузов, вызванных закрытием перегона С ₂, следует рассматривать как потери от дополнительной задержки поездов и локомотивов сверх нормативного, установленного технологическим процессом движения поездов.

Сверхнормативный простой поездов может быть определен по следующей формуле, поездо-ч.

, (16)

а простой локомотивов по формуле, локомотиво-ч.

, (17)

где Т _о – продолжительность предоставленного окна, мин;

I _ср – средний интервал между поездами, мин, при параллельном графике и существующих (фактических) размерах движения:

,

здесь N _ф – фактическое количество поездов на участке в сутки;

I _р – средний возможный интервал, мин, между поездами при параллельном графике и пропускной способности участка N _у поездов по ограниченному элементу:

.

Для двухпутных участков, оборудованных автоблокировкой, I _р = 10–12 мин. Разность I _ср – I _р характеризует резерв пропускной способности участка.

Стоимость задержки поездов и локомотивов, руб., определяется по формуле

С ₂ = С _п Т _п + С _л Т _л, (18)

где С _п – стоимость задержки поездов в течение 1 ч;

С _л – –"– простоя локомотива в течение 1 ч.

Подставив в формулу (14) выражения (15) и (18), с учетом (16) и (17) получим формулу плановой себестоимости варианта

,

(19)