Технологии/ Альтернатива

Методы бестраншейного строительства

Развитие подземной инфраструктуры, проблемы охраны окружающей среды, экономиче-ские тенденции – все это диктует необходимость развития технологий для более эффек-тивного строительства, обслуживания, ремонта и обновления коммуникаций. В этой связи бестраншейные методы становятся все более выгодными, а зачастую и вовсе единственно возможными по сравнению с традиционными методами прокладки коммуникаций в от-крытую траншею.
Рассматривают три основных категории методов:
1. Горизонтальное бурение.
2. Продавливание труб.
3. Коммунальное туннелирование.

Условия грунта

Ключевым аспектом подземного строительства является тип грунта. В связи со сложно-стью и важностью этого вопроса существует большое число подходов и методов класси-фикации грунтов. В нашей стране распространена классификация грунта по категориям в зависимости от его прочности по М.М. Протодьяконову, а также по ГОСТу 25100-95. В других странах развиты иные системы. Так, в США применяются системы AASHTO, USCS, TGC, OSHA. Обилие систем лишь подтверждает сложность вопроса и многообра-зие подходов к его решению. С другой стороны, любой строитель согласится, что одному богу известно, как отразятся все эти категории и классы на его конкретном проекте, и лучшим советчиком является практический опыт, ну и тщательные предпроектные иссле-дования.

Метод шнекового горизонтального бурения широко применяется в бестраншейном строи-тельстве, особенно при пересечении дорог. По этому методу процесс проходки заключа-ется в одновременном продавливании обсадной трубы в грунт и экскавации грунта изнут-ри трубы посредством вращающейся буровой головки и шнека, транспортирующего грунт от забоя. Традиционно шнековый метод подразделяют на два типа: на рельсах и на подве-се.

Основными компонентами метода шнекового бурения на рельсах являются:
1. Буровой котлован. Должен быть укреплен для безопасности и быть достаточным по размеру и прочности, чтобы в нем размещались буровая машина, рельсы, шнек, обсадные трубы. Буровая машина развивает значительное усилие на заднюю стен-ку котлована, которая должна быть соответственно укреплена.
2. Буровая головка. Устанавливается впереди обсадной трубы и обеспечивает резание грунта. Наряду с простыми головками применяются головки, обеспечивающие управление уклоном или управление уклоном и направлением проходки. Измере-ние уклона часто осуществляется водным уровнем, а для определения направления используются электромагнитные зонды. Продвинутая технология базируется на применении высокочувствительных гироскопов. В этом случае измерение уклона и направления ведется в инерциальной системе, и, следовательно, оно свободно от влияния любых магнитных полей. Коррекция уклона (и направления) осуществля-ется разворотом головки с помощью соответствующих приводных элементов, ко-торые задействуются или по командам оператора, или, в продвинутых технологиях, по командам компьютерной системы. Величина коррекций, естественно, не может быть значительной.
3. Система смазки. Используется для минимизации момента резания и выгрузки ма-териала, а также усилия проталкивания. Применяются бентонитные или полимер-ные растворы.
4. Обсадная труба. Должна удовлетворять очень жестким требованиям по прочности, точности изготовления и гладкости внешней поверхности. Секции обсадной трубы, как правило, поставляются с уже установленными в них шнеками.

Методы уплотнения

В этой группе методов скважина создается инструментом, который не извлекает грунт, а смещает его. В зависимости от типа прикладываемых усилий различают варианты про-талкивания, вращения или ударов. Отечественная технология внесла в метод уплотнения свой вклад, предложив новый инструмент уплотнения – раскатчик.
Основными достоинствами метода уплотнения являются быстрота и экономичность уста-новки линий малого диаметра, повышенная устойчивость скважины. Ограничения связа-ны в основном с диаметром и длиной скважины.

Метод забивания труб

В этом методе вместо бурового инструмента в грунт забивается обсадная стальная труба. При малых диаметрах (до 200 мм) ведущий конец трубы обычно заваривают, придавая форму конуса. При больших диаметрах внешний ведущий конец трубы оставляют откры-тым и укрепляют бандажом, который также способствует снижению трения остальной части трубы. Бандаж также может ставиться внутри трубы для уменьшения объема грунта, поступающего внутрь трубы. При закрытой трубе процесс в целом сходен с методом уп-лотнения. В случае открытой трубы по мере продвижения вперед грунт частично уплот-няется, частично поступает внутрь трубы, откуда он удаляется либо выталкиванием, либо вымыванием.
Метод забивания эффективно применяется для установки труб среднего и большого диа-метра. Возможность работы из стартового котлована разных размеров, различные длины устанавливаемых труб, возможность применения почти во всех типах грунтов делают этот метод весьма практичным и экономичным. Одно и то же ударное оборудование применя-ется для различных диаметров труб.
Основным недостатком метода являются ограниченные возможности по контролю на-правления и уклона скважины. Такие препятствия, как камни, могут привести к неконтро-лируемым отклонениям трубы, особенно небольшого диаметра.

Растворные методы

Растворные методы предполагают использование буровой жидкости (воды или бентонит-ного раствора) для содействия процессу бурения и удаления грунта. Не предусматривает-ся возможность локации буровой головки или руления в требуемом направлении. Подраз-деляются на две большие группы: растворное бурение и нагнетание воды.
Методы растворного бурения включают следующие основные этапы: строительство стар-тового и приемного котлованов, бурение пилотной скважины (обычно диаметром 50-100 мм), контроль точности пилотной скважины по уклону и направлению, расширение пи-лотной скважины до требуемого диаметра, протаскивание сваба («ершика») для очистки скважины и затем обсадной трубы (рис. 6). Буровая жидкость подается в буровую штангу через T-образный вертлюг, который позволяет буровой штанге вращаться. По штанге жидкость достигает бурового резца, установленного в головке буровой колонны и осуще-ствляющего механическое резание.
Метод растворного бурения имеет большое число разновидностей. Он уникален по гибко-сти применения. Пилотная скважина имеет малый диаметр и поэтому не требует больших затрат на прокладку, при необходимости легко переустанавливается. Процесс бурения не зависит от процесса вставления обсадной трубы, поэтому этим методом могут устанавли-ваться трубы почти любого типа.
Ограничения метода связаны с риском размывающего действия струи и возможного об-рушения скважины. В некоторых странах при пересечении дорог запрещено применение любого метода, при котором скважина в какой-либо момент времени оказывается необса-женной.
Метод нагнетания основывается на размывающем действии струи воды. Метод очень прост и не требует специальных навыков или оборудования. Но высокая вероятность об-рушения привела к тому, что практически всюду этот метод запрещен.

Горизонтальное направленное бурение (ГНБ)

Технология ГНБ включает три системы, лежащие в основании метода:
1. Буровой станок с буровым инструментом.
2. Компоненты бурового раствора и система его подготовки.
3. Система локации.

Буровой станок (см. табл. 3), размещаемый на точке входа скважины, создает продольное усилие и вращательный момент, прилагаемый к буровой колонне, состоящей из свинчи-ваемых между собой буровых штанг. На конце колонны устанавливается буровая головка, несущая режущий инструмент, который в зависимости от этапа работы представляет со-бой либо угловую режущую лопатку (или угловой бур) либо расширитель.
Буровой раствор – это водная смесь бентонита и различных полимерных и иных присадок. Система подготовки обеспечивает перемешивание и подачу раствора в скважину через буровую колонну.
Система локации включает устанавливаемый в буровой головке источник электромагнит-ного поля (зонд) и наземное приемное устройство, которое по результатам измерения это-го поля извлекает информацию о местоположении буровой головки, что и позволяет на-править процесс бурения по нужной траектории.
Метод осуществляется следующими этапами:
1. Пилотный «прокол». Когда буровой станок создает одновременно проталкивающее и вращательное усилие, режущий инструмент на конце буровой колонны, просверливая породу, идет по прямой траектории. Если вращение колонны остановить и приклады-вать только проталкивающее усилие, то из-за несимметричности режущего инстру-мента буровая головка отклонится от прямолинейного движения. Контролируя с по-мощью локационной системы положение головки, оператор комбинирует поступа-тельные и вращательные движения и таким образом обеспечивает руление вдоль зара-нее спроектированной траектории скважины, т.е. в конечном итоге выход пилотной скважины в требуемую точку выхода.
2. Предварительное расширение. После выхода пилотной скважины на поверхность в точке выхода буровой инструмент меняется, и вместо режущей лопатки (бура) ставит-ся расширитель. Буровой станок меняет направление продольного усилия с проталки-вания на вытягивание и, не прекращая вращения, тянет буровую колонну в обратном направлении. Расширитель при этом разбуривает скважину, увеличивая ее внутренний диаметр.
3. Вытягивание продукта. В зависимости от диаметра устанавливаемого продукта может потребоваться один или несколько проходов с расширителями последовательно уве-личивающегося диаметра. Продукт (пластиковая или стальная труба, кабель и т.п.) за-крепляется через вертлюг за последним расширителем и затягивается в скважину.
На всех этапах через буровую колонну на режущий инструмент подается буровой раствор, некоторые из функций которого:
- вынос срезанного материала из скважины;
- размыв породы в направлении резания, куда раствор подается под высоким давлением;
- стабилизация стенок скважины;
- образование корки для сокращения потерь раствора в рыхлых формациях;
- охлаждение электронных компонентов буровой головки при пилотном бурении;
- охлаждение режущего инструмента;
- уменьшение трения буровой колонны и продукта о стенки скважины и др.

Основным достоинством метода является скорость проходки в комбинации с минималь-ным вредом для окружающей среды. Высокая точность, а также возможность проклады-вать скважину на достаточных глубинах, чтобы обойти возможные препятствия, – вот еще одно преимущество метода ГНБ. Кроме того, здесь нет необходимости в стартовом и при-емном котлованах.
К ограничениям метода относится то, что это весьма специфичная работа, требующая вы-сокого уровня профессионализма персонала. Стоимость оборудования также очень высока, и экономическая целесообразность становится заметной лишь при достаточно большом объеме работ, в частности при достаточно большой протяженности скважин.

Методы микротуннелирования

Метод микротуннелирования – это дистанционно управляемое продавливание трубы, ко-торое обеспечивает постоянную поддержку плоскости забоя. Буровым оборудованием яв-ляется микротуннельная буровая машина (МТБМ), которая может работать на широком диапазоне грунтов – от высоконестабильных до весьма твердых. Для задания требуемых направления и уклона обычно используется лазерная система. МТБМ производит экска-вацию грунта с плоскости забоя с помощью вращающейся буровой головки. Вращение головки может быть концентричным или эксцентричным. Скорость вращения может быть постоянной или переменной (обычно 2-4 об./мин). Головка может вращаться в обе сторо-ны для облегчения преодоления препятствий. Конкретная конструкция головки зависит от условий грунта и предпочтений производителя. Извлеченный грунт может транспортиро-ваться растворной системой или шнековой конвейерной системой.
На рис. 8 представлена схема растворного процесса микротуннелирования. Срезанный материал смешивается с водой в специальной камере, и полученная пульпа (раствор) от-качивается в систему отделения твердого осадка.
Процесс шнекового микротуннелирования основан на механической транспортировке ма-териала.
Основное достоинство метода микротуннелирования заключается в возможности дости-жения предельной точности проходки по направлению и уклону, причем в самых слож-ных условиях грунта и на больших глубинах, без существенного увеличения стоимости. Метод безопасен, поскольку не требуется присутствия человека в забое.
Ограничением метода является высокая стоимость капитальных вложений в оборудование. Некоторые системы МТБМ имеют проблемы при встрече с камнями размером более 20-30% диаметра машины.

Коммунальное туннелирование

Коммунальное туннелирование обособлено в основной отрасли туннелирования размера-ми и назначением туннелей. Это туннели инженерных коммуникаций, а не туннели для пешеходов или самоходного транспорта.
Вот некоторые из методов этой группы:
Проходка вручную. Выполняется шахтерами с помощью пневматического оборудования или просто киркой и лопатой.
Открытый щит. В плоскость забоя ставится небольшой экскаватор или специальная экс-кавационная машина.
Буровая машина. Это машина с вращающейся буровой головкой, перекрывающей весь за-бой. Похоже на микротуннелирование, но срезанный материал транспортируется с при-сутствием человека.
Проходческий комбайн. Это смонтированная на колесах или на рельсах машина со стрелой, на конце которой установлен вращающийся шар с зубьями, обеспечивающий экскавацию грунта.
Австрийский метод. Используется в скальных грунтах и основывается на допущении ог-раниченных деформаций в грунте, окружающем туннель, для снятия сопротивления ска-лыванию.

Методы, требующие присутствия людей в забое, применяются в условиях города крайне редко. На переднем плане бестраншейного строительства трубопроводов под дорогами стоят высокотехнологичные методы ГНБ, шнекового бурения, микротуннелирования, а также не требующие больших инвестиций методы уплотнения и забивания, популярные для исполнения малых проектов.