Бестраншейные технологии строительства и реконструкции трубопроводов

06.10.2025

Автор: М. А. Зуев, к. т. н., заместитель генерального директора по учебной части ООО «ЦентрТехФорм»

Проведение работ по восстановлению изношенных трубопроводов в городах сопряжено с проблемами обеспечения безопасности, в том числе экологической, и восстановления благоустройства территории, нарушенного в результате прокладки инженерных сетей, а также с вопросами рационального использования финансовых ресурсов. Способ реконструкции трубопроводов путем открытой перекладки изношенных труб может успешно применяться для межпоселковых трубопроводов, в сельской местности, в небольших городах и населенных пунктах на улицах с минимальной плотностью подземных коммуникаций и неинтенсивным движением транспорта, проезд по которым несложно на некоторое время перекрыть.

При этом эксплуатируемые в крупных городах стальные трубопроводы различного назначения реконструировать по мере их износа гораздо сложнее. Это связано с высокой плотностью городской застройки, насыщенностью инженерными коммуникациями, большой транспортной нагрузкой. Значительные объемы земляных работ и перекрытие транспортных потоков, связанные с открытым строительством трубопроводов, порождают серьезные проблемы.

В то же время бестраншейные технологии почти по всем параметрам (экономичности, скорости строительства, экологичности и другим) превосходят открытый способ строительства, ремонта и реконструкции подземных трубопроводов любого назначения.

Основные преимущества бестраншейных технологий:

При этом следует отметить, что применение полимерных материалов дает возможность частично или даже полностью отказаться от антикоррозионных мероприятий, в том числе устройства электрохимической защиты (ЭХЗ) старой трубы, и вкупе с увеличением срока службы трубопровода повышает его ремонтопригодность и удобство обслуживания. Реконструированные при помощи полимерных материалов трубопроводы обладают значительно более высокой, по сравнению со стальными, надежностью. Также подчеркнем, что стоимость эксплуатации полимерных трубопроводов, которыми заменяют в результате реконструкции изношенные, значительно ниже стоимости обслуживания стальных.

Указанные преимущества обусловливают тот факт, что в последние десятилетия при восстановлении изношенных трубопроводов все большее предпочтение отдается именно бестраншейным технологиям, главным образом с применением полимерных материалов. В передовой зарубежной практике 95 % объема работ по прокладке и реконструкции подземных коммуникаций уже проводится закрытыми методами. Это касается не только городских трубопроводных сетей, но и коммуникаций, проложенных на территории промышленных предприятий, под железнодорожными путями, автомобильными дорогами, где традиционные методы работы затруднены, а зачастую и просто невозможны. К тому же во многих крупных европейских городах открытая прокладка коммуникаций запрещена.

Отметим, что с 90-х годов прошлого столетия бестраншейные технологии начали широко применяться в крупных городах нашей страны, и к настоящему времени в России с их помощью уже построены или реконструированы десятки тысяч километров трубопроводов разного назначения.

На сегодняшний день технологии бестраншейного строительства, ремонта и реконструкции трубопроводных сетей хорошо освоены, и дальнейшее их развитие связано с разработкой и использованием новых типов труб, защитных покрытий, арматуры, новых методов продавливания или протягивания труб. В ближайшем будущем ожидается неизбежный рост капиталовложений в реконструкцию и ремонт подземных коммуникаций, причем современные способы реконструкции трубопроводных сетей будут приоритетными.

Виды бестраншейных технологий

Прежде всего, необходимо понимать принципиальную разницу между понятиями «бестраншейное строительство» и «бестраншейная реконструкция» трубопроводов. Первое означает строительство трубопроводов в свободном подземном пространстве с минимальным объемом земляных работ, второе — ряд операций, позволяющих полностью восстановить существующий изношенный трубопровод или заменить его новым строго по старой трассе.

Способы бестраншейной реконструкции, достаточно полно описанные в технической литературе, № 2 / 2021 ИННОВАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ 23 разнообразны и предусматривают широкое использование различных ремонтных материалов (труб, защитных покрытий, клеевых составов, смол и т.д.). Качественно проведенная реконструкция позволяет предотвратить внутреннюю коррозию металлических стенок трубопровода, обеспечить требуемый уровень его надежности без изменения основных технических характеристик, сохранить или улучшить качество транспортируемой среды.

В мировой практике известны следующие виды бестраншейной реконструкции изношенных трубопроводов:

протяжка длинномерной трубы;
протяжка плотно прилегающей к стенке изношенного трубопровода длинномерной полимерной трубы, поставляемой предварительно сжатой или сжимаемой по сечению трубы в процессе санации;
протяжка заготовки в виде шланга (рукава), предварительно пропитанной специальной смолой, с последующим отверждением в форме трубы;
протяжка короткими патрубками, свариваемыми в процессе санации;
протяжка импрегнированных рукавов с нанесением на наружную поверхность адгезива;
протяжка спиралевидной трубы, изготовленной из профилированных полос в процессе санации;
протяжка тонкостенной профилированной трубы с последующим распрямлением и прижатием к стенке изношенного трубопровода посредством подачи внутрь давления.

При реконструкции как газопроводов, так и водопроводов и канализации наибольшее распространение получили следующие способы:

протаскивание нового трубопровода в поврежденный старый (с предварительным разрушением или без разрушения);
протаскивание гибкой (предварительно сжатой или профилированной) полимерной трубы внутрь старого трубопровода;
нанесение различных покрытий на внутреннюю поверхность восстанавливаемого трубопровода;
использование гибких элементов из листового материала с зубчатой скрепляющей структурой;
использование гибкого комбинированного рукава (чулка), позволяющего формовать новую трубу внутри старой;
нанесение рулонной навивки (бесконечной профильной ленты) на внутреннюю поверхность старого трубопровода;
нанесение местных (не сплошных) покрытий.

Все технологии бестраншейной реконструкции можно также разделить на сопровождаемые разрушением или удалением старых труб (например, технологии пайпбарстинга либо способы с применением установок для горизонтального направленного бурения (ГНБ)) и сохраняющие старые трубы (например, релайнинг, «Феникс»).

По характеру взаимодействия между новой и старой трубами способы, сохраняющие в эксплуатации старые трубы, подразделяют на:

независимые, когда новая труба сама по себе способна выдерживать давление как изнутри, так и снаружи трубопровода (с зазором между новой и старой трубой или с плотным прилеганием труб);
связанные, когда новая труба (или другая оболочка) опирается изнутри на старую трубу и не может работать без нее.

Стальные трубы, которые, как и полимерные, могут быть использованы для протяжки с помощью направленного бурения или пневматического удара, характеризуются высокой прочностью на сжатие и растяжение, однако сильно подвержены коррозионному воздействию. Поэтому их внутренние и внешние поверхности в обязательном порядке необходимо обрабатывать для защиты от коррозии. Кроме того, их наружное покрытие также усиливают для предотвращения недопустимых повреждений поверхности протягиваемых труб. Для защиты внешней поверхности стальных труб используются: битумная облицовка, покрытия из полиэтилена, полипропилена, эпоксидной смолы, стеклопластика и других материалов. В качестве внутреннего покрытия применяются цементное; цементное, усиленное стекловолокном; полимерные и другие облицовки.

В технологии ГНБ часто используют специальные полиэтиленовые трубы: двух- и трехслойные, с увеличенной толщиной стенки или армированные. Трубы из чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), применяемые в бестраншейном строительстве подземных инженерных сетей, гораздо устойчивее к коррозии, чем стальные, однако не подлежат сварке. При реконструкции водопроводов такие трубы скрепляют специальными замковыми соединениями раструбного типа. В углубление замкового соединения помещают резиновые прокладки, обеспечивающие его герметичность в установленном диапазоне угловых отклонений. Преимуществом таких соединений труб из ЧШГ является возможность быстрого соединения отдельных труб в плеть при наличии небольшой монтажной площадки.

По видам используемых труб способы реконструкции можно дифференцировать на три основные группы:

с использованием обычных полиэтиленовых труб круглого сечения;
с использованием специальных полиэтиленовых труб (некоторые из них могут применяться в тех же способах, что и обычные);
без использования полиэтиленовых труб.

Применяемые в бестраншейных технологиях трубы можно классифицировать на протягиваемые и продавливаемые.

Бестраншейные технологии можно также разделить на «рукавные» и с «напыляемыми покрытиями». Первый вариант подразумевает протаскивание в трубопровод полимерного рукава (трубы, шланга, чулка), который формирует «трубу в трубе», его фиксацию, восстановление подсоединений и т.д., а второй— напыление на внутреннюю поверхность старой трубы связанного с ней защитного покрытия. Для напыления используют цементные и цементно-песчаные, жидкие полимерные твердеющие покрытия, а также полимербетоны.

Каждому способу присущи как достоинства, так и ограничения, для каждого характерны определенные:

состояние реконструируемого трубопровода);
площадь защищаемой поверхности (зависит от того, реконструируется ли трубопровод по всему сечению или защитное покрытие наносится лишь частично);
стоимость;
скорость реконструкции;
климатические условия проведения работ и дальнейшей эксплуатации реконструированного трубопровода;
стоимость используемого оборудования и материалов;
потребность в квалифицированных специалистах и т. п.

Так, для протяжки обычных труб круглого сечения внутри старых без разрушения последних (технологии релайнинга) свойственно уменьшение проходного сечения реконструированного трубопровода по сравнению с реконструируемым, однако оборудование и материалы недороги, высока скорость проведения работ.

Преимуществом способов с разрушением старой трубы (технологии пайпбарстинга) или с применением протяжки профилированных труб является то, что внутренний диаметр трубопровода не уменьшается или уменьшается незначительно, а за счет меньшего коэффициента шероховатости стенки новой трубы пропускная способность реконструированного трубопровода практически не изменяется.

Однако стоит заметить, что указанные выше, а также другие «рукавные» технологии требуют восстановления отводов и подсоединений, так как предполагают перекрытие рукавом этих подсоединений. Сам рукав должен соответствовать диаметру ремонтируемого трубопровода, что несколько снижает универсальность данных методов. Кроме того, применение этих технологий требует специальных дорогостоящих установок и материалов. Таким образом, использование «рукавных» технологий при прочих равных условиях более целесообразно в случае небольшого количества труднодоступных подсоединений.

При реконструкции старых кирпичных труб новые оболочки могут быть не сплошными, а защищающими лишь участки поверхности вблизи свода или лотка трубопровода.

Следует отметить, что особенности указанных технологий накладывают ограничения на их использование, поэтому целесообразность применения того или иного метода определяется после детального диагностического обследования старого трубопровода и заключения технической экспертизы его состояния. Рассмотрению подлежат:

материал трубопровода;
степень износа трубопровода;
протяженность ремонтируемого участка трубопровода;
диаметр трубы;
вид транспортируемой среды;
окружающая инфраструктура;
стоимость эксплуатации и текущего ремонта трубопровода;
тип грунтов;
наличие подземных вод;
другие существенные факторы.

Сравнение технологий по указанным параметрам предопределяет выбор заказчика.

Применение бестраншейных технологий

Обычно реконструкции подлежат трубопроводы со сроком службы, близким или равным нормативному пределу либо превышающим его, а также в случае частых утечек и аварий. Конкретный способ реконструкции и исполнителей работ выбирают для каждого отдельного случая в соответствии с:

Экономическая целесообразность эксплуатации участка трубопровода определяется окончанием экономического (полезного) срока службы, после которого расходы на эксплуатацию участка трубопровода превышают возможные расходы на его реконструкцию (перекладку или санацию), а уровень надежности не соответствует требуемому. Техническая целесообразность эксплуатации участка трубопровода в его существующем состоянии определяется окончанием технологического срока службы, после которого уровень его надежности и технические параметры уже недостаточны и не соответствуют требуемым значениям.

Большим подспорьем для выбора объектов реконструкции трубопроводов в крупных городах может оказаться наличие у эксплуатирующей организации автоматизированной базы данных (информационно-технической системы), включающей:

электронные базы данных с информацией о паспортизации, повреждениях и авариях трубопроводов, результатах технической диагностики трубопроводов и систем ЭХЗ;
систему первичных информационных документов;
паспорта участков трубопроводов, на которых произошли аварии; паспорта трубопроводов, включающих санированные участки; паспорта санации; инвентаризационные и другие данные;
систему автоматизированной статистической обработки эксплуатационной информации для оценки и прогноза показателей надежности трубопроводов;
программу выбора потенциальных объектов реконструкции трубопроводов;
программу ранжирования участков трубопроводной сети по балльной системе для комплексной оценки дестабилизирующих надежность трубопроводов факторов и условий эксплуатации.

Во многих случаях в соответствии с требованиями законодательства проводится тендер для строительно-монтажных организаций на право проведения таких работ.

Нормативная документация по бестраншейным технологиям с применением пластмассовых труб

После выбора способа реконструкции необходимо разработать полный комплект проектных документов, соответствующих действующим нормативам. Требования к проектированию, применяемым при определенных видах реконструкции пластмассовым трубам, техническим характеристикам трубопроводов, подлежащих реконструкции, способам санации и рекомендации по проведению работ для различных трубопроводных сетей установлены в отечественном СП 62.13330.2011 «Газораспределительные системы. Актуализированная редакция СНиП 42–01– 2002» и следующих международных стандартах:

ИСО 11295:2010 «Системы трубопроводные пластмассовые для реконструкции. Классификация и рекомендации по конструированию»;
ИСО 11296–1:2009 «Системы пластмассовых трубопроводов для обновления подземных дренажных и канализационных сетей без давления. Часть 1. Общие положения»;
ИСО 11296–3:2009 «Системы пластмассовых трубопроводов для обновления подземных дренажных и канализационных сетей без давления. Часть 3. Обкладка плотно прилегающими трубами»;
ИСО 11296–4:2009 «Системы пластмассовых трубопроводов для обновления подземных дренажных и канализационных сетей без давления. Часть 4. Обкладка трубами, вулканизованными на месте»;
ИСО 11298–1:2010 «Системы трубопроводные пластмассовые для обновления подземных водопроводных сетей. Часть 1. Общие положения»;
ИСО 11298–3:2010 «Системы трубопроводные пластмассовые для обновления подземных водопроводных сетей. Часть 3. Облицовка плотно прилегающими трубами»;
ИСО 11299–1:2011 «Системы пластмассовых трубопроводов для обновления подземных сетей газоснабжения. Часть 1. Общие положения».

Этапы и порядок проведения бестраншейной реконструкции

Последовательность основных этапов при проведении работ общая для всех способов бестраншейного восстановления трубопроводов.

Проектирование. Все работы, связанные с санацией трубопроводов, должны производиться согласно соответствующей документации, разработанной исполнителем и согласованной с заказчиком. При реконструкции с помощью рукава, связанного со старой трубой, или нанесения защитного покрытия необходимо провести статические расчеты существующего трубопровода для определения его несущей способности в зависимости от действующих нагрузок и необходимых прочностных параметров нового покрытия (трубы, шланга, рукава) при различных условиях эксплуатации и воздействия внешних факторов.

Проектная документация должна быть выполнена с учетом действующей на момент проектирования геоподосновы и согласована в установленном порядке. Она должна включать пояснительную записку, план и профиль трубопровода с геологическими данными, проект организации строительства, строительную и сметную части, утвержденные в установленном порядке. В ней должны быть указаны местоположение, размеры котлованов и траншей.

Технические условия реконструкции трубопроводов должны быть согласованы с их владельцем и эксплуатирующей организацией.

При разработке проекта производства работ определяются последовательность и сроки выполнения всех технологических операций, при необходимости составляются технологические карты выполнения отдельных видов работ или используются типовые технологические карты. Проект может включать также технологический регламент, содержащий:

перечень и сущность подготовительных работ, сроки представления исполнителям работ полного объема технической документации, в которой отражаются особенности, выявленные в процессе эксплуатации подлежащего санации трубопровода (например, характер дефектов), а также тип грунта и наличие близко расположенных инженерных коммуникаций в месте проведения работ;
перечень применяемого технологического оборудования, механизмов и приборов;
порядок выполнения работ (последовательность технологических операций), начиная с отключения участка трубопровода, шурфования (при необходимости), рытья котлованов, очистки внутренней поверхности трубопровода, нанесения защитного покрытия и заканчивая контролем качества санации и приемкой трубопровода в эксплуатацию;
требования техники безопасности, охраны труда и охраны окружающей среды с инструкциями для всех рабочих профессий;
перечень используемой нормативно-технической документации;
перечень необходимых методик (например, расчета и приготовления рабочих растворов и добавок);
перечень сертификатов соответствия на оборудование и применяемые материалы.

В состав документации должны также входить:

рабочий проект на производство работ;
журнал производства работ;
протоколы теледиагностики восстанавливаемого трубопровода, включая видеозаписи;
соответствующая технологическому процессу постоянно протоколируемая информация о параметрах проведения работ (например, давление, температура, прикладываемые усилия и другие характеристики сварочного процесса);
акты испытаний трубопровода на прочность и герметичность.

Визуальный осмотр трассы с уточнением проектной документации на предмет расположения мест отключения трубопровода, наличия и состояния колодцев и камер; выбор оптимальных мест доступа к санируемому трубопроводу в зависимости от расположения инженерных коммуникаций. Составление и согласование с заказчиком и субподрядчиками графика производства работ с учетом всех выявленных особенностей, сроков выполнения определенных операций, требований техники безопасности, охраны окружающей среды. Подключение субподрядчиков для проведения вспомогательных работ.
Земляные работы, подготовка старого трубопровода к обследованию и санации, обследование (инспекционный контроль).

При использовании большинства технологий контроль внутренней полости трубопровода должен проводиться перед началом работ, после очистки и после санации (в целях контроля качества работ) для оценки состояния трубопровода. Внутреннее обследование труб большого диметра (более 900 мм) должно предусматривать визуальный контроль, а для труб малого диаметра наиболее информативным является телевизионный инспекционный контроль их внутренней полости с помощью самодвижущейся теле- или видеокамеры с высокой разрешающей способностью— видеообследование (рис. 1, 2).

Желательно, по возможности, сделать запись изображения и фотографии отдельных участков с указанием точного расположения повреждений, дефектов и проблемных мест, точного диаметра старой трубы. Определение реального внутреннего диаметра трубопровода и его изменений требуется для подготовки протягиваемых труб, шлангов, рукавов нужных размеров или подбора соответствующих головок (при напылении).

Рис. 1. Оборудование для видеоинспекции внутренней поверхности футляра

Рис. 2. Специализированный автомобиль с оборудованием для телеинспекции труб

По результатам контроля должен быть подготовлен письменный отчет с полным описанием нарушений стыковых соединений, отводов и всех дефектов внутренней поверхности: трещин, прогибов, изломов, деформаций, заусенцев, зазубрин и т.д. В отчете должны быть отражены выводы о необходимости соответствующих ремонтных работ и профилактических мероприятий.

Заказ материалов, определение видов поставки.
Согласование транспортных путей, сроков доставки оборудования и материалов к месту проведения работ.
Уточнение графика производства работ с прорабом и бригадой, выдача необходимых указаний и инструкций, размещение оборудования согласно предварительному плану. При выполнении работ по реконструкции исполнитель обязан иметь и соблюдать проект и технологический регламент на производство соответствующих работ независимо от применяемого метода реконструкции.
Подготовительные работы (включая очистку внутренней полости старого трубопровода, проверку с помощью видеокамеры результатов очистки) и контроль их проведения.

Для очистки внутренней полости реконструируемых трубопроводов существует широкий спектр приспособлений и оборудования (рис. 3). Разные способы реконструкции допускают различную степень очистки. Так, для протяжки обычных полиэтиленовых труб круглого сечения уменьшенного диаметра по сравнению с реконструируемым трубопроводом бывает достаточно протащить в обновляемом трубопроводе так называемый «ёрш» или другое очистное устройство, удаляющее окалину и различные отложения.

Рис. 3. Поршень для очистки футляра изнутри

При реконструкции с помощью специальных (профилированных) труб требуется более тщательная очистка внутренней полости, для чего применяются механические самодвижущиеся или протягиваемые фрезы и скребки.

Способ с применением тканевых полимерных шлангов требует очистки внутренних стенок до металлического блеска, поэтому в этом случае помимо очистных устройств используются также роботы-манипуляторы, совмещенные с системой видеоконтроля.

При использовании метода горизонтального направленного бурения очистка внутренней полости реконструируемых трубопроводов не требуется.

После прочистки и контрольной теледиагностики составляется акт готовности трубопровода к санации соответствующим методом.

Основные необходимые технологические операции, включая протяжку (продавливание, напыление и т.п.), в зависимости от способа.

Трубопроводы реконструируют участками, длина которых зависит от:

выбранного способа реконструкции;
условий прохождения трассы;
состояния внутренней поверхности трубы;
плотности застройки;
количества отводов, поворотов, перепадов высот;
других факторов.

Для обеспечения высокой скорости работ и уменьшения количества соединений следует использовать трубы и рукава максимально возможной длины, уменьшая тем самым число соединительных элементов, в том числе на криволинейных участках.

При необходимости — повторный видеоконтроль реконструированного трубопровода.
Заключительные операции (частичная засыпка, заделка футляров, укладка сигнальных лент и т. п.).
Испытания (пневматические или гидравлические) трубопровода.
Составление исполнительной документации. Результаты натурных обследований и измерений должны отражаться в комплексном акте сдачи-приемки. Акты подлежат передаче заказчику и эксплуатирующей организации для внесения изменений в технические паспорта участков трубопроводной сети и другую эксплуатационную документацию. Полный комплект документации (технической, исполнительной, эксплуатационной) по проведенной реконструкции трубопроводов подлежит постоянному хранению в архивах заказчика и эксплуатирующей организации.
Приемка в эксплуатацию.
Пуск в эксплуатацию. Рассмотрим более подробно некоторые способы бестраншейного строительства и восстановления трубопроводов.

Бестраншейное устройство каналов для нового строительства

Методы формирования горизонтальных, наклонных, вертикальных скважин и протягивания в ;них новых трубопроводов достаточно хорошо известны. Они заключаются в направленной проходке в грунтах и протягивании (протаскивании, продавливании) в образовавшуюся скважину отдельных модулей труб или плетей труб и могут производиться с помощью следующих технологий или их комбинации:

горизонтального (наклонного) направленного бурения;
микротоннелирования;
ударно-импульсного продавливания;
прокола;
раскатки

Направленное бурение

Горизонтальное направленное (наклонное направленное, управляемое горизонтальное) бурение — эффективная, высокопроизводительная и экологически чистая технология (рис. 4). Ее принцип заключается в бурении специальными станками с использованием буров и штанг предварительной пилотной скважины по заранее рассчитанной траектории с последующим извлечением буровой колонны и одновременным увеличением диаметра скважины с помощью набора расширителей. Вслед за расширителем в образовавшуюся полость протаскивается трубопровод или футляр для трубопровода. Буровые головки и расширители при работе омываются буровым (бентонитовым) раствором для смазывания отдельных узлов и стабилизации стенок скважины.

Рис. 4. Схема горизонтального направленного бурения

В состав работ по выполнению ГНБ входят следующие операции:

Подготовительные:

разметка трассы бурения;
определение места расположения установки;
определение места складирования труб для затягивания в скважину;
подготовка запаса бентонита;
определение источников воды и график ее подачи;
развертывание буровой установки и закрепление ее с помощью анкерных стоек;
настройка локационной системы;

Основные:

забуривание;
пилотное бурение;
выход на поверхность в заданной точке;
замена бурового инструмента расширяющим;
проходка с расширением канала;
закрепление за расширяющим инструментом протаскиваемой трубы;
протаскивание трубы со сваркой стыков;

Заключительная: демонтаж установки.

Бригада, обслуживающая буровую установку, состоит из оператора машины, оператора локационной системы, а также рабочего, готовящего буровой раствор и выполняющего другие вспомогательные операции. Буровые установки имеют колесную либо гусеничную ходовую часть с силовыми агрегатами, находящимися непосредственно на установках или отдельно смонтированными в контейнерах или прицепах. Наиболее мощные установки весят до 20 т при длине до 10 м и ширине до 3 м.

Первый этап ГНБ

При проведении пилотного бурения работа установки начинается с забуривания ведущей штанги. Следующую буровую штангу соединяют с предыдущей, подавая вперед каретку привода. Последовательно соединенные таким образом буровые штанги (полые внутри) проталкиваются сквозь грунт при помощи гидравлической тяги (рис. 5). Они передают крутящий момент и осевое усилие на головку бура соответственно от гидромотора и гидроцилиндра. Полость буровых штанг используется для подачи в скважину через форсунки буровой головки бентонитового раствора, который служит для стабилизации стенок скважин, являясь своего рода смазкой, облегчая разработку грунтов и обеспечивая протаскивание труб с меньшими тяговыми усилиями. Разработанный грунт выносится буровым раствором в виде пульпы в специальный приямок.

Рис. 5. Схема пилотного бурения

Управление траекторией бурения осуществляется за счет скоса буровой лопатки. Непрерывно вращаясь в процессе пилотного бурения, головка срезает пласты грунта. Буровая головка установки ГНБ наклонена так, что постоянное вращение буровой штанги в сочетании с нажимом позволяет создавать прямую скважину. Для изменения траектории бурения вращение буровой колонны останавливают и, установив буровую лопатку в определенное положение, продавливают грунт в необходимом направлении (без вращения). Нажим без вращения отклоняет скважину в заданном направлении. При бурении в скальных породах и вращение, и нажим могут комбинироваться с воздействием пневмоударника, помещенного в переднюю часть буровой головки.

Буровая головка оснащена встроенным или закрепленным на штанге поблизости от нее передатчиком. По мере продвижения головки приемник улавливает сигналы от передатчика, что позволяет отслеживать направление, глубину и другие параметры процесса бурения. Во время бурения глубина и направление прокладки контролируются с точностью до 5 %. При невозможности использования приемника (например, трудностях передвижения с ним по поверхности) применяют систему управления «линейная струна». Эта технология в режиме реального времени обеспечивает управление буровой головкой в пространстве с непрерывным поступлением всех данных о положении головки на экран монитора. Причем устойчивость принимаемого сигнала не зависит от глубины бурения. Контроль работы системы осуществляется непосредственно с буровой головки при помощи компьютера.

Расширение скважины

После выхода бура в намеченной точке (целевом котловане) буровая головка заменяется на расширитель (рис. 6). Далее оператор запускает процесс вытягивания цепочки буровых штанг из первичной скважины в обратном направлении. При хорошо проходимом грунте и относительно небольшой длине трассы бурения расширение скважины можно производить одновременно с затягиванием новой трубы, присоединенной к расширителю. При этом расширитель постепенно увеличивает диаметр буровой скважины, в которую при этом затягиваются новые трубы. В процессе расширения в скважину подается буровой раствор для укрепления ее стенок, минимизации трения при движении буровых штанг и протяжке новой трубы, а также вымывания грунта из скважины на поверхность.

Рис. 6. Схема процесса расширения скважины с одновременной протяжкой новой трубы

Оператор вынимает из скважины буровую цепочку, отсоединяя от нее штангу за штангой и складывая их обратно в кассету. Протяжка завершается, когда в приемном котловане появится расширитель с присоединенной к нему трубой. В ряде моделей установок ГНБ штанги удаляются из скважины и складируются в автоматическом режиме.

В зависимости от условий грунта диаметр буровой скважины может быть расширен в несколько этапов до 1000 мм (40”), что позволяет протянуть трубу или связку из нескольких труб с Dн до 800 мм (32”).

Потенциал технологии ГНБ

Возможно одновременное использование двух установок ГНБ с двух концов пилотной скважины для облегчения ее расширения и протаскивания трубопровода. Буровой инструмент для ГНБ очень разнообразен по конструкции, он подбирается и устанавливается в зависимости от диаметра скважины, вида грунтов и других параметров. Состав бурового раствора подбирается индивидуально для конкретных условий бурения.

Установки ГНБ с тяговым усилием до 40–60 т позволяют проводить работы по прокладке труб, выполненных из стали, ЧШГ, полиэтилена и поливинилхлорида, в широком диапазоне диаметров (от 32 до 3000 мм) на длину до 600 м и более. С их помощью можно выполнять прокладку труб как на прямолинейных участках, так и на участках с радиусом изгиба 35–45 м в любом направлении, в сложных и стесненных условиях.

С помощью установок ГНБ можно не только прокладывать новые трубопроводы, но и проводить реконструкцию изношенных коммуникаций. В зависимости от требований к надежности нового или восстановленного трубопровода, при горизонтальном направленном бурении могут использоваться как однослойные полиэтиленовые трубы, так и трубы с повышенными прочностными характеристиками.

Разновидностью направленного бурения является горизонтальное шнековое бурение, при котором производится одновременное формирование скважины и задавливание трубопровода (как правило, стального) диаметром 200–1400 мм. Возможно также забуривание в стенку ранее проложенных трубопроводов большого диаметра (коллекторов и т.п.) или бурение изнутри трубопроводов большого диаметра наружу через их боковую стенку для подключения новых отводов.

На российском рынке представлен целый ряд мировых производителей установок ГНБ. В качестве примера можно привести фирмы Ditch Witch, Straight Line, American Augers (США), Vermeer, TractoTechnik, Prime Drilling, Herrenknecht (Германия), TERRA (Швейцария).

Микротоннелирование

Микротоннелирование — это дистанционно управляемая щитовая проходка скважин (в том числе горизонтальных) и продавливание труб, не предусматривающие присутствие людей в выработке (рис. 7). Иными словами, технология представляет собой строительство тоннеля с помощью дистанционно управляемого проходческого микрощита (диаметром до 2 м) с последующей прокладкой в нем трубопровода.

Рис. 7. Микротоннелирование: а — схема процесса; б — выставочный макет процесса; в — образец проходческого щита

Комплексы мобильны и не требуют специальных транспортных средств для перевозки. В то же время их применение предполагает устройство котлованов, подготовку основания — фундамента под отметку, сооружение мощной опорной стенки, закрепление стенок котлована.

Ударно-импульсное продавливание

Сущность метода ударно-импульсного продавливания состоит в проходке или расширении в грунте горизонтальных скважин и затягивании в них труб (диаметром до 400 мм) с помощью пробойников (пневматических или гидравлических) либо забивки в грунт трубопроводов диаметром 300–2700 мм посредством пневмоударных машин на длину до 100 м с последующей выборкой грунта автономным приводом (рис. 8). Средняя скорость проходки составляет до 15 м/ч.

Рис. 8. Метод ударно-импульсного продавливания (схема и рабочие моменты)

Прокладывать этим способом можно трубы из стали, чугуна с шаровидным графитом, базальта, керамики, бетона, полимер- и железобетона, армированного бетона, стеклопластика, поливинилхлорида, полиэтилена и полипропилена. Стальные продавливаемые трубы нередко используют в качестве защиты (футляра) для протягиваемых трубопроводов из полимерных материалов.

Допустимая сила продавливания зависит от предельной нагрузки, которую могут выдержать трубы без ухудшения их эксплуатационных характеристик. Эти нагрузки зависят от вида материала, конструкции, толщины стенки, длины и диаметра труб.

Условия процесса продавливания предъявляют особые требования к местам соединения труб. Длина отрезков, из которых собирается продавливаемый трубопровод, составляет 2–3 м. При использовании труб из несвариваемых материалов на концах каждого отрезка трубы устанавливают специальные соединительные муфты. Так, соединение труб из железобетона и керамики обеспечивается за счет внешнего и внутреннего уплотняющих колец. Внутреннее кольцо, выполненное из легированной стали с уплотнением из эластомеров и каучука, обеспечивает антикоррозионную защиту железобетонного слоя. Наружное кольцо, также выполненное из легированной стали, гарантирует прямолинейное движение труб.

Кратко рассмотрим некоторые виды труб, применяемых при продавливании:

Трубы из полимербетона (например, «ЭКТОН», Polycret и другие) применяются для безнапорных водоводов или канализации). Главными компонентами материала данных труб являются наполняющие сухие составляющие: песок и минеральный гравий (около 90 %). Остальная часть приходится на смолу, выполняющую функцию вяжущего средства (по аналогии с цементом). В зависимости от вида используемой смолы различают несколько типов полимербетона: эпоксидный, полиэфирный, винилэфирный и другие. Трубы выпускают секциями длиной 1–3 м, что обеспечивает удобную упаковку и транспортировку изделия. Вес одной секции составляет от 150 до 500 кг, в зависимости от диаметра и толщины стенки.

Продавливаемые трубы из полимербетона имеют круглое сечение или специальный поперечный профиль, при котором лотковая часть трубы имеет форму буквы U. Их производят по разным технологиям, однако наиболее распространенной является вибропрессование. Основные требования к таким трубам: тонкая стенка для обеспечения максимально возможного проходного сечения при заданном диаметре щита; возможность передачи больших усилий продавливания для обеспечения эффективной работы домкратов; высокая нагрузочная способность к восприятию горного давления и минимальная шероховатость внутренней поверхности трубы для увеличения ее пропускной способности, коррозионная стойкость и т. д.

Трубы из полимербетона характеризуются хорошей химической стойкостью в границах рН = 1–10, высоким сопротивлением сжатию, шероховатостью внутренних поверхностей не более 0,02 мм, а также высокой износостойкостью.

Конструкция стыка зависит от диаметра и профиля трубы, а также от проектных требований. Стыки продавливаемых труб из полимербетона обычно состоят из наружной втулки из нержавеющей стали и прокладок, смонтированных на заводе, а также деревянных или выполненных из стружечной плиты разделителей. Применяют также соединение труб, конструктивно соответствующее раструбному, но без увеличения наружных диаметров в месте соединения. При таком соединении одна часть трубы вдвигается в другую на заданную глубину, герметизация стыка обеспечивается уплотнительными и демпфирующими кольцами, а также дополнительно соединительным кольцом. Это значительно снижает сопротивление продавливанию.

Разработаны соединения полимербетонных труб с помощью стальной муфты с резиновой прокладкой по контуру, что гарантирует плотное прижатие по торцам и защиту от проникновения в трубопровод подземных вод.

Железобетонные трубы с внутренним керамическим покрытием в виде плиток (например, размером 50×30 см) снабжают системой двойного уплотнения: внутреннее уплотнение в виде прокладки из эластомера предохраняет железобетонную часть от контакта со сточными водами, а наружное состоит из стального кольца и прокладки. Пазы между керамическими плитками заполняются эпоксидной смолой.

Стеклопластиковые трубы для продавливания соединяются фасонными частями на одном уровне с наружной поверхностью трубы.

Раскатка скважин

Раскатка скважин представляет собой непрерывный процесс образования в грунте цилиндрической полости путем деформации и уплотнения грунта раскатывающим механизмом (раскатчиком) (рис. 9), катки которого обкатываются по своим забоям и формируют стенку скважины. Каждый последующий каток входит в участок скважины, раскатанной предыдущим, увеличивая ее диаметр. При этом грунт вытесняется в радиальном направлении и вокруг скважины образуется уплотненная зона диаметром, равным диаметру скважины.

Рис. 9. Примеры раскатчиков скважин

Раскатчики при проходке в сжимаемых грунтах вдавливают их в стенки скважины, существенно уплотняя ее и исключая просадку грунта на поверхности. Это позволяет получить устойчивую цилиндрическую поверхность, в которой могут быть проложены коммуникации различного назначения. Однако сильное уплотнение грунтового массива вокруг скважины вдоль трассы может негативно влиять на параллельные инженерные коммуникации, если они проложены в непосредственной близости от пути движения раскатчика. При наличии таких коммуникаций на трассе проходки может произойти их деформация за счет резкого уплотнения грунта.

Реконструкция трубопроводов с разрушением старой трубы

Протаскивание нового трубопровода с разрушением старого (пайпбарстинг) может осуществляться с помощью пневмоударных машин (пневмопробойников, пневмомолотов), тросовой лебедки, гидравлического разрушителя и расширителей. Работы проводятся согласно соответствующим технологическим регламентам и включают подготовительные, основные (монтажные) и заключительные (демонтажные) операции.

Пневмопробойнику не требуются специальные опорные поверхности или механизмы благодаря ударной передаче энергии. С его помощью можно формировать канал практически без уплотнения грунта, что позволяет производить прокладку трубопроводов на близком расстоянии друг от друга, вблизи действующих коммуникаций или на небольшой глубине.

По завершении работ остающийся в трубе грунт вымывается наружу под давлением сжатого воздуха и воды, подаваемых в трубу с помощью поршня. Использование технологической оснастки и вспомогательного оборудования значительно расширяет возможности пневмопробойников, повышает точность проходки, снижает трудоемкость работ.

При использовании пневмоударных машин для прокладки трубопровода с разрушением старого пневмомолот служит для передачи ударной нагрузки на расширитель. Расширитель с помощью ребер разрушает старый трубопровод и образует новую скважину за счет вдавливания в грунт его осколков. В задней части расширителя имеется приспособление для крепления секции нового трубопровода. При совместном использовании способов разрушения и протяжки усилие лебедки дополнительно передается на торец затягиваемой трубы для ее продвижения вдоль требуемой трассы. При замене водопровода или канализационных труб через колодцы (без раскопки новых котлованов) лебедка устанавливается на горловине приемного колодца и передает усилие натяжения троса на устройство для подтягивания секций нового трубопровода. Для изменения вертикального направления троса на горизонтальное используется анкер.

Старую трубу можно также разрушать разбуриванием буровой головкой с одновременным протягиванием нового трубопровода.

Для защиты протягиваемого полимерного трубопровода от возможного повреждения осколками старого (например, чугунного) пространство вокруг новой трубы при ее протаскивании цементируют раствором, подаваемым под давлением через форсунку, или применяют специальные трубы с защитными покрытиями.

Рассмотрим в качестве примера процессы реконструкции трубопроводов с разрушением старых труб при помощи установок швейцарской компании TERRA.

Замена старого трубопровода при помощи гидравлического разрушителя

Гидравлические разрушители TERRA-HYDROCRACK HC600 S+ и C+ (рис. 10) развивают тяговое усилие 60 т, достаточное для одновременного безударного разрушения старого трубопровода и протягивания новой трубы того же или большего (в 1,5–2 раза) диаметра. Замена изношенного трубопровода производится участками, ограниченными котлованами. Эти установки позволяют разрезать или раскалывать трубы из пластмассы, асбестоцемента, керамики, стали, чугуна и ковкого чугуна диаметром от 50 до 350 мм на расстояние до 170 м. Максимальный диаметр затягиваемой трубы — 355 мм. Радиус изгиба штанг при их диаметре 47 мм составляет 17 что позволяет разрушать криволинейные участки трубопроводов.

Рис. 10. Штанговые разрушители TERRA-HYDROCRACK моделей: а — HC600 C+; б — HC600 S+ (короткая версия) в рабочем котловане

Порядок выполнения работ следующий. В стартовом котловане устанавливается штанговый разрушитель, штанги последовательно соединяют друг с другом и проталкивают через старый трубопровод в приемный котлован. Далее на ведущую штангу монтируют разрушающий нож, расширитель и новую трубу (рис. 11). Обратным ходом штанг старая труба разрушается, одновременно затягивается новая (как правило, полиэтиленовая). Для разрушения труб диаметром 100–500 мм применяют также роликовые ножи (рис. 12).

Рис. 11. Раскалывающий инструмент для труб диаметром 273–406 мм с расширителем и полиэтиленовой трубой

Рис. 12. Роликовые ножи для резки труб диаметром: а— 100–150 мм; б, в — до 500 мм

б,в

TERRA AG— один из крупнейших европейских производителей оборудования для бестраншейной прокладки и замены наружных инженерных коммуникаций. Группа компаний «ЦентрТехФорм», являясь официальным дилером TERRA AG, занимается поставками в Российскую Федерацию всей линейки оборудования для бестраншейной прокладки труб (установок горизонтального направленного бурения, пневматических ударных установок) и замены изношенных труб (штанговых итросовых разрушителей трубопроводов).

Замена старого трубопровода при помощи тросовой лебедки

Способ разрушения труб при помощи тросовой лебедки применяется для ремонта практически всех типов трубопроводов, позволяя затягивать вместо старой трубы новую равного или большего диаметра. Тросовые лебедки TERRAEXTRACTOR Х100 и Х400 (рис. 13) с тяговым усилием 10 и 40 т соответственно позволяют производить замену участков изношенных труб из стали, чугуна, бетона, полиэтилена, поливинилхлорида диаметром 15–50 мм (Х100) и 40– 250 мм (Х400), длиной 50–125 м. Тяговый трос заводится сквозь старый трубопровод, затем к его концу последовательно прикрепляются нож, расширитель и новая труба. Раскалывающий (разрезающий) инструмент разрушает старый трубопровод при протягивании, увеличивая при этом диаметр канала с помощью расширителя и затягивая новую трубу.

Рис. 13. Тросовая лебедка TERRA-EXTRACTOR X400

Наряду с производством работ из котлована в котлован возможно проведение соответствующих операций между существующими технологическими колодцами (рис. 14). Котлованы, как правило, используются для протяжки длинных труб, при этом лебедка устанавливается в стартовом котловане. Упорная и опорная плиты надежно фиксируют ее, препятствуя смещению в процессе разрушения старой и протяжки новой трубы.

Рис. 14. Реконструкция старого трубопровода из колодца в колодец с использованием секций (модульных) труб

Несмотря на то, что этот способ можно полноценно использовать лишь на прямых участках, конструкция разрушителей постоянно совершенствуется с тем, чтобы можно было реконструировать и криволинейные участки трубопроводов.

Замена старых труб при помощи пневмопробойника

Широкое использование пневмопробойников при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций началось еще в 1960-х годах, и практика показала, что кроме применения по основному назначению — для пробивания в грунте скважин — «земляные ракеты», как еще называют эти установки, могут успешно использоваться при реконструкции трубопроводов.

При этом последовательность проведения работ выглядит следующим образом. В стартовом котловане размещается пневмопробойник с расширительной гильзой (рис. 15). К нему присоединяется пневматический шланг и трос лебедки, протянутый через заменяемый участок трубопровода. Следуя по ходу старой трубы, пневмопробойник разрушает ее, продавливая осколки в грунт, и одновременно затягивает в скважину новый трубопровод (рис. 16). Такая технология позволяет производить замену стальных, чугунных, керамических, асбестоцементных трубопроводов диаметром до 450 мм.

Рис. 15. Расширительная гильза диаметром 200 мм с ракетой TERRA-HAMMER T080 mini SK и разрушающим ножом

Рис. 16. Реконструкция старого трубопровода при помощи пневмопробойника

Для протяжки новых трубопроводов и разрушения изношенных труб диаметром 400–800 мм с целью увеличения тягового усилия тросовой лебедки TERRAEXTRACTOR X400 и штангового разрушителя TERRA-HYDROCRACK HC600 S+ или HC600 С+ применяют специальные расширительные гильзы (рис. 17). Внутрь конструкции помещается пневмопробойник TERRA-HAMMER TR220 или TR360, за счет чего существенно увеличиваются мощность и скорость раскалывания трубы. Для распределения натяжения троса лебедки X400 под нагрузкой и без нее на передней части гильзы предусмотрен пружинный механизм: при нагрузке (рабочем ходе) пружины сжимаются, при отсутствии нагрузки они обеспечивают необходимое натяжение троса лебедки.

Рис. 17. Расширительная гильза диаметром 610 мм пробойника TERRA-HAMMER TR220 с разрушающими ножами на ее корпусе

На российском рынке имеются десятки моделей пневмопробойников разной производительности, выпускаемые ПО «Полет» (г. Омск), ЦНИИ «Буревестник» (г. Нижний Новгород), заводом «СОМ» (Украина, г. Одесса), ПО «Строймаш» (Беларусь, г. Минск), компанией TractoTechnik (Германия) и другими. Они позволяют пробивать скважины диаметром от 45 до 2000 мм и длиной до 120 м, скорость проходки достигает 15 м/ч. Частота работы пневмопробойника — до 10 Гц, рабочее давление — около 0,6 МПа, расход воздуха зависит от диаметра скважины.

Достоинства способа протяжки с разрушением старой трубы:

возможность увеличения диаметра реконструируемого трубопровода;
отсутствие необходимости в обследовании и очистке старой трубы;
при протяжке полиэтиленовых труб реконструированный трубопровод не требует устройства ЭХЗ;
простота присоединения новых отводов.

Недостатки данного метода:

необходимость применения специального дорогостоящего оборудования и привлечения квалифицированного персонала;
необходимость использования труб с защитным покрытием при определенных условиях прокладки;
ограничение радиуса изгибов трубопровода;
риск подвижки грунта и повреждения близлежащих зданий и сооружений;
ограниченность протяженности реконструируемых участков трубопровода.

Недостатки в работе пневмоударных машин:

бóльшая по сравнению с ГНБ величина отклонения от намечаемого проектного положения скважины — до 10–12 см на расстоянии 20–25 м;
возможность неконтролируемого отклонения пробойника от прямолинейной траектории из-за неоднородности грунта;
небольшой ресурс работы вследствие разрушения ударника и хвостовой гайки из-за больших динамических нагрузок;
меньшая по сравнению с ГНБ длина скважин.

Итак, в первой части статьи мы рассмотрели общие принципы бестраншейного строительства и реконструкции трубопроводов и технологии формирования новых каналов для прокладки труб, в том числе вместо существующих. Вторая часть статьи будет опубликована в следующем номере журнала и объединит технологии реконструкции изношенных коммуникаций с использованием в той или иной степени действующих трубопроводов.

Список литературы

Возврат к списку