Бестраншейная прокладка коммуникаций с применением микрощитов

Технология микротоннелирования. Конструкция и принцип действия микротоннелепроходческого комплекса. Используемые трубы. Применение буровых растворов. Контроль за направлением проходки. Преимущества и недостатки метода. Ситуация с применением метода в России. По данным Российского общества бестраншейных технологий (РОБТ), 99% всех подземных коммуникаций в России прокладываются в скважинах диаметром до 900 мм. С учетом 60–80% изношенности подземных коммуникаций, а также принимая во внимание потребность в строительстве новых коммуникаций, отечественный и зарубежный опыт, следует считать, что самым перспективным оборудованием для этого вида работ в настоящее время являются микрощиты, установки направленного горизонтального бурения (ГНБ) и пневмопробойники. Каждое оборудование имеет свою рациональную область применения, эффективность которого зависит от диаметра, глубины, расстояния и точности проходки скважины, вида грунта, назначения коммуникаций, условий работы на строительной площадке и многих других факторов. Подземные коммуникации, прокладываемые в городских условиях на больших глубинах (до 80 м) и на значительные расстояния (до 1,5 км) с отклонением от проектной оси не более 30 мм можно осуществлять только микрощитами (рис. 1).

Рис. 1. Бестраншейная прокладка трубопровода с применением микропроходческого комплекса

При прокладке инженерных коммуникаций через автомобильные и железные дороги на небольшие расстояния (до 50 м) и на малых глубинах (до 5 м) целесообразно использовать пневмопробойники. Прокладку коммуникаций через водные преграды по заданному направлению следует производить установками горизонтально-направленного бурения. Поэтому выбор оборудования в зависимости от этих условий в каждом конкретном случае осуществляется на стадии проекта производства работ.

Технология микротоннелирования

В начале этапа подготавливаются две шахты – стартовая и приемная, минимальные размеры которых зависят от диаметра микрощита проходческого комплекса. Глубина шахт определяется глубиной прокладки трубопровода. В стартовую шахту опускается домкратная установка, на которую монтируется микрощит и платформа с гидроцилиндрами для задавливания микрощита. На поверхности грунта вблизи стартовой шахты размещается установка для приготовления и нагнетания бурового раствора в забой (рис. 2).

Рис. 2. Микротоннельный проходческий комплекс AVN Herrenknecht

Схема с сайта http://www.igma-expo.ru/ После запуска во вращение буровой головки микрощита, оснащенной резцами, через щели резца грунт нагнетается в трубы и вместе с бентонитовым раствором подается в смесительную установку, где происходит очистка грунта от раствора. Бентонитовый раствор повторно используется в технологическом процессе. Грунт из забоя возможно удалять с помощью сжатого воздуха или шнеком. Когда микрощит проходит забой на свою полную длину, к нему крепится отдельная секция трубы, которая задавливается в образованную скважину домкратной станцией. Затем производится наращивание трубопровода следующей секцией трубы. Направление проходки контролируется лазером. Когда микрощит выходит в приемную шахту, производится демонтаж установки. Из приемной шахты удаляется микрощит, из стартовой – извлекается домкрат. Впервые в России бестраншейная технология прокладки коммуникаций с использованием микрощита была применена в Москве в октябре 1994 года. По инициативе Российской тоннельной ассоциации осуществлена замена подземного канализационного коллектора диаметром 250 мм под улицей Тайнинская города Москвы. Тоннелепроходческой машиной диаметром 400 мм с дистанционным управлением был проложен коллектор из шести участков общей длиной 300 м. Открытый способ замены канализационного коллектора предусматривал прокладку стального футляра диаметром 400 мм с последующим бетонированием пространства между футляром и трубопроводом. В этом случае необходимо было произвести понижение уровня грунтовых вод по всей длине проходки. При проходке микротоннелированием водопонижение осуществляется только в зоне стартовой шахты, что существенно сокращает сроки строительства. Не возникает необходимости и в прокладке стального футляра, за счет чего повышается несущая способность коллектора, снижается стоимость работ.

Оборудование для микротоннелирования

В настоящее время за рубежом изготавливается широкий типоразмерный ряд оборудования для микротоннелирования:

• микротоннелепроходческие комплексы (рис. 3) с гидротранспортом грунта практически любого диаметра для прокладки любых видов коммуникаций;
• микротоннелепроходческие комплексы со шнековым транспортом грунта;
• микротоннелепроходческие комплексы с пневмотранспортом грунта;
• прокольно-буровые установки (грунт не удаляется из скважины, а раздвигается в радиальном направлении с образованием вокруг скважины уплотненной зоны);
• прокольные установки (прокол осуществляется небольшим штампом в виде стального стрежня в образованной скважине для прокладки в нее кабелей диаметром до 100 мм; штамп управляется специальными встроенными датчиками, фиксирующими положение стержня с поверхности с помощью локатора).

Рис. 3. Конструкция проходческой машины.

1. Рабочий орган. 2. Впайки из твердых металлов. 3. Дробильное пространство. 4. Отверстие для подачи воды. 5. Главный подшипник. 6. Силовой привод. 7. Прокладка. 8. Домкрат управления. 9. Транспортирующий трубопровод. 10. Питающий трубопровод. 11. Лазерная мишень. 12. Лазерный луч. 13. Байпас. 14. Вентили. Схема с сайта http://www.igma-expo.ru/ Все указанное оборудование представляет собой комплекс подземного, шахтного и поверхностного оборудования, обеспечивающего механизированное и дистанционное выполнение следующих операций:

• образование в грунтах подземной выработки (скважины) заданного направления, проходящей из стартовой в приемную шахту с одновременным удерживанием забоя и закреплением стенок скважин;
• транспортирование разработанного грунта из забоя на поверхность в виде пульпы или воздушно-грунтовой смеси;
• прокладку в скважину трубопровода со стыками, защищенными от проникновения грунтовой воды.

Конструкция оборудования

Основными элементами комплекта оборудования являются:

• микрощит (рис. 4, 5);
• прессовая (домкратная) станция (рис. 6);
• система транспортирования и приема разработанного грунта;
• контейнер управления;
• крановая установка;
• локационно-навигационная система;
• уплотняющее устройство в стартовой и приемной шахтах;
• установка для приготовления и нагнетания бурового раствора (бентонита) в забой;
• составные коммуникационные шланги и кабели.

Рис. 4. Микрощиты разных Рис. 5. Общий вид микрощита изнутри
типоразмеров, используемые для
прокладки коммуникаций

Рис. 6. Домкратная станция и комплект инструмента к ней – шнеков и буровых головок

Буровые головки микрощитов имеют два исполнения. Буровые головки первой разновидности предназначены в основном для разработки нескальных грунтов, снабжены резцами и диском с несколькими отверстиями или прорезями для пропуска внутрь микрощита разработанного грунта, щебня, гальки и валунов.
Головки второй разновидности ориентированы на разработку скальных грунтов. Они оснащены дисками-резцами (шарошками), укрепленными на дисковой плите или на специальных лучах головки. Во избежание налипания грунта ножевая часть головки оснащается специальными насадками, через которые на забой подается вода под высоким давлением. Конструкция домкратной станции включает в себя рамную плиту с винтовыми опорами и упорами в стенку стартовой шахты с помощью гидроцилиндра. Усилие от гидроцилиндра передается через нажимную плиту, монтируемую на днище шахты и фиксируемую в заданном положении. Между боковыми стенками на рамную плиту станции поочередно укладываются микрощит и рабочие трубы или трубы-футляры, которые одна за другой вдавливаются в грунтовый массив, продвигаясь в заданном направлении к приемной шахте. Процесс прокладки трубопровода завершается извлечением из приемной шахты микрощита, а из стартовой шахты – домкратной станции и всех составных коммуникаций и кабелей, располагающихся в прокладываемом трубопроводе.

Трубы, применяемые в микротоннелировании

Для бестраншейной прокладки микротоннелированием широко используются полимербетонные, железобетонные, керамические, стеклопластиковые и асбестоцементные трубы любого требуемого диаметра. Для стыковки труб применяются специальные манжеты для исключения поступления воды снаружи через стыковые соединения. За рубежом освоено изготовление всех типоразмеров труб, пригодных для использования в бестраншейной прокладке коммуникаций с применением микрощитов. В России (в Москве) изготавливаются некоторые типоразмеры полимербетонных и железобетонных труб диаметром 300, 400 и 500 мм, длиной 1 и 2 м. Начато освоение производства железобетонных плит для микротоннелирования также в Санкт-Петербурге и в Нижнем Новгороде. В Дзержинске освоено производство стеклопластиковых труб для микротоннелирования внутренним диаметром от 50 до 400 мм (рис. 7) для холодного и горячего водоснабжения, теплофикации, канализации и нефтепромысловых коммуникаций. Однако общее количество современных отечественных труб составляет не более 5% потребности в них.

Рис. 7. Стекловолокнистые трубы отечественного производства, внутренний диаметр 50–400 мм

Использование буровых растворов

Основные усилия, которые преодолеваются при бестраншейной прокладке труб, связаны с массой самой трубы и трением, которое возникает между трубой и грунтом. Излишние усилия при продавливании трубы могут привести к ее повреждению, к снижению производительности и увеличению стоимости работ. Для уменьшения силы трения обычно используют буровые растворы (бентонит) или смазки. Буровой раствор в то же время охлаждает буровую головку и способствует удалению отработанного грунта в виде суспензии (рис. 8). В дальнейшем отработанный грунт отделяется от бурового раствора. Таким образом, буровой раствор после переработки можно снова использовать. Кроме того, буровой раствор часто применяется для стабилизации (укрепления) стенок скважин перед задавливанием трубопровода.

Рис. 8. Железобетонная труба с форсунками для автоматической подачи бентонита и конструкцией для укладки труб

За рубежом изготавливается широкий типоразмерный ряд установок для перемешивания и очистки бурового раствора. В процессе перемешивания бурового раствора происходит его измельчение, что препятствует образованию комков и делает раствор однородным. В России бентонитовый раствор высокого качества для микротоннелирования не производят, и его, как и микрощиты, приходится закупать за рубежом.

Контроль за направлением проходки

Одной из важнейших задач при сооружении тоннелей является определение положения микрощита, а также тенденций наметившихся его отклонений от проектной оси в процессе проходки. Наиболее перспективная навигационная система для микротоннелирования при прокладке на прямолинейных участках включает в себя:

• лазер (рис. 9 (1)), установленный в стартовой шахте;
• лазерную мишень (рис. 9 (2)) в герметичном корпусе с двумя инклинометрами и микропроцессором;
• потенциометрические датчики, измеряющие величину выдвижения штоков управляющих цилиндров;
• курвиметр (измерительное устройство) для определения перемещения микрощита и прокладываемого трубопровода, помещенные на передней стенке стартовой шахты;
• компьютер с жестким диском;
• монитор и принтер с клавиатурой, помещенные в контейнере управления (рис. 10), на пульте которого размещены кнопки включения гидронасосных станций, измерительные приборы и световые указатели величин выдвижения штоков управляющих гидроцилиндров и соединительные кабели. Кронштейн для лазера крепится на задней стенке стартовой шахты.

Рис. 9. Лазер для определения траектории движения микрощита (1) и лазерная мишень (2)

Данные о величинах ухода центра лазерного пятна от центра лазерной мишени по вертикали и горизонтали и углах отклонения оси микрощита от заданного положения после обработки высвечиваются на экране лазерной мишени, затем оператор включением соответствующих управляющих гидроцилиндров выправляет положение микрощита.

Рис. 10. Контейнер управления

Максимальное отклонение оси трубопровода, прокладываемого на расстояние 150 м, составляет не более 20 мм. Компьютер и принтер позволяют получить распечатки данных, характеризующих положение микрощита на всем его пути. В России эта техника еще не освоена отечественной промышленностью. Сейчас в стране работает не более 50 единиц зарубежных микрощитов, а потребность в них только Федерального агентства по строительству и жилищно-коммунальному хозяйству составляет несколько тысяч.

Преимущества и недостатки микротоннелирования

Преимуществами бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций с применением микрощитов, в сравнении с традиционным открытым способом, являются:

• возможность прокладки коммуникаций в любых грунтах, в том числе сильно обводненных;
• снижение затрат на производство работ более чем в пять-шесть раз;
• увеличение производительности труда в восемь-десять раз и повышение срока службы коммуникаций в три и более раз.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость комплекта оборудования для микротоннеллирования, которая (в зависимости от диаметра микрощита) колеблется от нескольких десятков тысяч до 5 млн долларов. Кроме того, прокладка коммуникаций микротоннелированием требует высокой квалификации специалистов по обслуживанию микропроходческого комплекса. Строительные организации, закупающие сейчас импортные микрощиты, вынуждены посылать своих специалистов за рубеж в длительные командировки для обучения работе с этим оборудованием. К тому же компании, использующие импортные микрощиты, несут значительные расходы по сервисному обслуживанию этого оборудования. Не каждая отечественная строительная организация может себе это позволить. Дешевле применять для прокладки коммуникаций открытый способ. Так делают практически все специализированные компании в России, даже в Москве 90% подземных коммуникаций прокладываются траншейным способом. Например, в районе Ховрино, вблизи станции метро «Речной вокзал», третий год идут широкомасштабные работы по строительству высотных зданий на месте ранее построенных пятиэтажных домов и полной замене изношенных коммуникаций на новые. Причем не более 5% этих коммуникаций заменяются с применением зарубежных микрощитов, остальные 95% прокладываются открытым способом с привлечением дешевой рабочей силы. Развитие новых бестраншейных технологий прокладки коммуникаций, в том числе микротоннелированием, в России сдерживается отсутствием расценок на эти виды работ [5]. Поэтому все работы ведутся по договорной цене. Примерная стоимость прокладки одного метра трубопровода без стоимости трубы на сегодняшний день (по оценкам московских строителей) составляет:

Диаметр трубопровода, мм	Стоимостьпрокладки 1 м, тыс. руб.
110	3–4
160	5,5–6,5

Утвержденных общероссийских расценок на этот вид работ нет

---

Литература, использованная при подготовке материала 1. Бобылев Л.М., Бобылев А.Л. Оборудование для бестраншейной прокладки коммуникаций.–РОБТ ? 1, 1996. 2. Храменков С.В., Примин О.Г., Орлов В.А. Бестраншейные методы восстановления водопроводных и водоотводных сетей.–М.: ТИМР, 2000. 3. Сборник статей по микротоннелированию. Спец. вып. РОБТ, октябрь 2004. 4. Браккер И.И. Создание отечественной техники для прокладки инженерных коммуникаций микротоннелированием – возможно.–РОБТ ? 3, 2001. 5. Шабалин А.В. Проблемы проектирования бестраншейных технологий. Опыт последних лет.–РОБТ ? 7, 2004.

БЛИЦ-ИНТЕРВЬЮ

Владимир МАНЫЧ, главный специалист ГУП «Мосинжпроект» Насколько хорошо развито микротоннелирование в Москве? Какие микрощитовые комплексы и типоразмеры труб используются? Микротоннелирование – сравнительно молодой для Москвы вид бестраншейной прокладки, хотя первые опыты по прокладке коммуникаций этим способом были осуществлены в 1994 году. В настоящее время в Москве эксплуатируются порядка 30 микрощитовых комплексов диаметром от 300 до 2000 мм. Самые распространенные для микротоннелирования железобетонные трубы имеют диаметр от 600 до 2000 мм и применяются при прокладке самотечной и дождевой канализации. Для напорной канализации, газовых и водопроводных трубопроводов приходится использовать стальные трубы в качестве футляров. Какие преимущества метода микротоннелирования перед другими способами бестраншейной прокладки коммуникаций? Микротоннелирование превышает все имеющиеся способы по скорости проходки. К тому же микрощиты обладают высокой точностью проходки – отклонение от заданного направления в плане и профиле незначительное и составляет сантиметры. В сравнении с другими способами, при микротоннелировании значительно сокращается срок выполнения работ, поскольку в сложных гидрогеологических условиях не требуется использование спецметодов – замораживания или обезвоживания грунта по всей длине проходки, только в районе шахты. Этот способ дает строителям возможность осуществлять прокладку коммуникаций без вскрытия грунта на большую длину, чем в случае применения других способов бестраншейной прокладки: расстояние между шахтами составляет до 100, 120, 140 м, в зависимости от грунта и диаметра микрощитового комплекса, что также существенно сокращает сроки работы. Надо отметить, что при микротоннелировании не требуется присутствие человека в забое, работа производится только в шахте по монтажу железобетонных труб, грунт выбирается автоматически с помощью ротора по специальным трубопроводам на поверхность через шахту в сепарационную установку. И, конечно же, большое значение имеет сохранение окружающей среды при прокладке коммуникаций методом микротоннелирования. В чем заключаются недостатки метода? Чтобы проложить коммуникации этим способом, необходимо предварительно провести геодезические изыскания и убрать посторонние предметы. Однако случается, что в процессе прокладки микротоннелированием приходится ликвидировать посторонние предметы: железобетонные колодцы, металлические балки, остатки фундамента, перекладывать существующие коммуникации, если их расположение не соответствует геоподоснове. Останавливается работа, препятствие убирается сверху, открытым способом, либо в более сложных случаях – сбоку через шахту (последнее применяется, если встречается коммуникация, которой не было на геодезическом плане). Эти работы требуют дополнительных затрат и срывают срок строительства объекта. Какие проблемы препятствуют полномасштабному внедрению метода на территории Москвы и России в целом? Многие строительные организации не имеют в наличии микротоннельных проходческих комплексов. Кроме того, на рынке отсутствуют трубы из других материалов – полимербетонные, стеклопластиковые и др.