Тема 13. Строительство магистральных трубопроводов на болотах

Болотом называют избыточно увлажненные участки земной поверхности, покрытые слоем торфа, мощностью от 0,5 до нескольких метров. Физико-механические характеристики болотистых грунтов чрезвычайно разнообразны, не только на различных болотах, но и на разных участках одного и того же болота. По болотам, целиком заполненных торфом можно прокладывать трубопроводы непосредственно по поверхностному слою торфа, в слое торфа или по минеральному грунту.

Болота по условиям производства работ при прокладке магистрального трубопровода подразделяются на типы:

1) болота, допускающие работу и неоднократный проход техники с удельным давлением на грунт 0,2-0,3 кг/см², проход обычной гусеничной техники по временным или элементарным дорогам, снижающим давление на грунт до 0,2 кг/см²;

2) болота, допускающие работу и проход болотной техники по временным слоям, щитам снижающим давление до 0,1 кг/см²;

3) болота, допускающие работу специальной техники только с понтонов или с плавучих средств.

Строительство на болотах имеет существенное отличие от строительства на равнине, сложенной плотными грунтами только в период, когда поверхность болота не промерзла на глубину, обеспечивающую нормальную работу механизированных колонн. Поэтому технологию строительства на болотах необходимо рассматривать для двух состояний: промерзшего и талого.

Технологические операции при строительстве на болотах:

1.Подготовка трассы

2.Земляные работы

3.Сварка в нитку

4.Изоляция

5.Укладка

6.Закрепление и засыпка

7.Очистка и испытание

Подготовка трассы и разработка траншеи

Подготовка трассы может быть выполнена в зависимости от состояния болота: мерзлое или талое.

Талый грунт: выемка торфа, отсыпка песка, песчаные сваи, осушение, устройство лежневой дороги (т. е. бревна по болоту).

Для мерзлого грунта: возможно устройство лежневой дороги, промораживание, расчистка трассы.

В зависимости от типа болота его естественного состояния и других факторов, осуществляется та или иная технологическая операция.

Выемка торфа проводится когда работу принято вести по минеральному грунту, торф убирается бульдозером или другим устройством на всю глубину.

Отсыпка песка производится при большой глубине болота, при этом отсыпается массивная песчаная подушка. Отсыпка песка производится с берега болота самосвалами или гидронамывом. Песчаные сваи устраивают с целью уменьшения количества песка.

Осушение болот проводят с помощью водоотводных дренажных каналов.

Промораживание осуществляется в тех случаях, когда необходимо как можно быстрее проморозить болото. Достигается это снятием снежного покрова с поверхности болота бульдозером. Выпускать на промороженное болота механизированную колонну можно только убедившись в достаточной прочности промерзшего грунта.

Устройство лежневой дороги осуществляется как на талом, так и на мерзлом болоте для прохождения тяжелых строительных машин. Земляные работы могут выполняться в талом грунте и в мерзлом. При мерзлом грунте – как и в обычных условиях, в талом – взрывом, бульдозером и экскаватором (экскаватором на салазках, с щитом, на понтоне), землесосом. Устройство траншеи взрывом проводится при относительно небольшой ширине труднопроходимого болота глубиной до 2-3м, в качестве взрывчатого вещества используют пероксилиновый порох, уложенный в упаковку в виде шнура диаметром 12-18см, в результате образуется траншея глубиной до 2м и шириной 5-6м.

Разработка траншей бульдозером и экскаватором проводится в тех случаях, когда глубина слоя в торфе не превышает 1м. Бульдозер снимает слой торфа в полосе шириной 4-5 м до минерального грунта, отставая от бульдозера на 15-30 м по минеральному грунту идет экскаватор, оборудованный обратной лопатой и разрабатывает траншею на необходимую глубину.

Разработка траншеи экскаватором имеет несколько вариантов:

- экскаватор установлен на салазки из труб (рисунок 18.1) выполняет работу следующим образом: экскаватор, оборудованный обратной лопатой, устанавливается и закрепляется на салазках, изготавливаемых из 4-5 труб диаметром 500-800мм. Число труб и их длина должны соответствовать необходимой опорной площади определяемой таким образом, чтобы давление на болото от салазок с экскаватором было меньше допустимого. Салазки проложенным через болото тросом протаскиваются присоединенным на противоположном берегу болота трактором (лебедкой). Рассматриваемый вариант схемы может применяться на болотах всех видов;

Рисунок 18.1 – Схема разработки траншей экскаватором с салазок: 1 – одноковшовый экскаватор с обратной лопатой; 2 – салазки; 3 – трос; 4 – бульдозер (тягач)

- экскаватор установленный на понтоне свободно плавающим в траншее, то сначала у края болота разрабатывают котлован, который должен быть таких размеров, чтобы в него можно было спустить понтон, затем на понтон устанавливают и закрепляют экскаватор. Экскаватор разрабатывает грунт впереди себя (рис 18.2);

- экскаватор ведет разработку со сланей, периодически перекладывая их по ходу движения.

Рисунок 18.2 – Схема разработки грунта экскаватором на понтоне: 1 – траншея; 2 – плавучий понтон; 3 – экскаватор; 4 – якорь

Укладка трубопровода в траншею

Сварка трубопровода в нитку, изоляция и укладка выполняется по различным технологическим схемам. При замерзшем болоте эти схемы выполняются как в обычных условиях.

Укладка является наиболее ответственной технологической операцией при строительстве трубопроводов на болотах. Подземная прокладка трубопроводов в зависимости от вре­мени года, методов производства работ, степени обводненности, несущей способности грунта и оснащенности строительного участ­ка оборудованием осуществляется следующими способами:

- укладкой с бермы траншеи или лежневой дороги (как в нормаль­ных условиях);

- в специально создаваемую в пределах болота насыпь;

- сплавом;

- протаскиванием по дну траншеи (аналог строительства под­водных переходов).

Укладка сплавом (рисунок 18.3) имеет несколько разновидностей, но суть всех одинакова: трубопровод выводят в траншею на плаву, перемещая его с одного из сухопутных участков, примыкающих к болоту. Этот метод очень эффективен на труднопроходимых болотах при условии, что траншея подготовлена заранее, например, в зим­нее время одноковшовым экскаватором.

Протаскивание подготовленного трубопровода осуществляется следующим образом: на берегу полностью подготовленный к укладке трубопровод длина которого на 30-40м больше ширины болота размещается в створе перехода спусковой дорожки или на спланированной полосе. Протаскивание производится с помощью тягового троса в заранее

Рисунок 18.3 – Схемы укладки сплавом (при изоляции в полевых условиях): 1 – траншея; 2 – трубопровод; 3 – изоляционная машина; 4 – очистная машина; 5 – секция труб; 6 – трактор-тягач; Т₁, и Т₂ - трубоукладчики; 7, 8, 9, 10 – роликовые опоры; Тр₁, Тр₂ – тракторы.

проложенной траншеи. Укладка протаскиванием целесообразна в тех случаях, когда проезд трубоукладчиков-кранов по поверхности болота не возможен, а балластировка труб или не требуется или сделана на берегу, при отрицательной плавучести трубопровод сразу протаскивают, а при положительной внутрь заливают воду и протаскивают. Протаскивание может осуществляться с наращиванием секций.

Переходы через болота сооружаются преимущественно по подземной и частично наземной схеме. Наземные конструкции перехода трубопровода через болота применяются при переходах газопроводов через болота 1, реже 2 типа.

При выторфовывынии и усилении несущей способности болота в створе перехода возможно производить наземную кладку газопровода на болотах 3 типа.

Преимущества наземной укладки трубопроводов на болотах заключается в отсутствии работ по закреплению трубопровода от всплытия и в сокращении объема земляных работ. Недостатком метода является сложный вид работ по подготовке основания под трубопровод, его обволакиванию и устройство дорогостоящей лежневой дороги. Наземную прокладку трубопроводов на болотах целесообразно производить в глухих отдаленных районах, где нет дорог, с тем, чтобы использовать лежневую дорогу для строительства трубопровода и после окончания строительства в качестве эксплуатационной.

Закрепление трубопроводов от всплытия

Продольная устойчивость трубопроводов, про­кладываемых на болотах, обводненных и заболоченных участках трассы, обеспечивается различными средствами балластировки. Средства балла­стировки и закрепления трубопроводов выбирают с учетом гидро­геологических условий районов прохождения трассы и диаметра трубопровода. При этом необходимо учитывать схему прокладки трубопровода; прочностные и дефор­мационные свойства подстилающих грунтов; наличие горизонтальных и вертикальных углов поворота; методы и сезон производства строительно-монтажных работ; температурный режим эксплуата­ции трубопроводов. Закрепление трубопровода необходимо производить после укладки его на проектные отметки. Средства балластировки магистральных трубопроводов можно разделить на две основные группы:

К средствам балластировки первой группы относятся уст­ройства, воздействующие на трубопровод собственным весом:

1 – одиночные железобетонные грузы;

2 – групповая установка одиночных железобетонных грузов;

3 – одиночные чугунные грузы;

4 – минеральный грунт засыпки, обычно используется при повышенном заглублении трубопровода;

5 – закрепленные гидрофобизированные грунты;

6 – полимерно-контейнерные балластирующие устройства (ПКБУ), заполненные местным или привозным грунтом или щебнем;

7 – минеральный грунт в оболочке из нетканых синтетических материалов;

8 – сплошное обетонирование труб;

9 – анкерные плиты;

10 – комбинированные способы и др.

На подводных переходах через реки в основном используются чугунные кольцевые пригрузы.

На обводненных и заболоченных участках трассы наибольшее распространение получили одиночные железобетонные пригрузы.

В настоящее время используются следующие методы балласти­ровки:

1. Балластировка трубопроводов одиночными (чугунными, железобетоннымигрузами устанавливаемыми на трубу непосредственно на строитель­ной площадке (рисунок 18.4 и 18.5).

Рисунок 18.4 – Установка железобетонных пригрузов типа УБО

Рисунок 18.5 – Балластировка одиночными железобетонными седловидными пригрузами

2. Групповой метод установки грузов. Грузы укладывают один к другому, обеспечивая соответствие их общего числа требо­ванию проекта. Но следует учитывать, что максимальное число гру­зов в группе и расстояние между группами грузов связано с допу­скаемым прогибом трубопровода. Наибольший эффект достигают при монтаже группы грузов с одного места стоянки крана.

3. Обетонирование трубопроводов. В основном применяются трубы, заранее покрытые монолитным железобетоном в заводских или базовых условиях.

4. Полимерно-контейнерные балластировочные устрой­ства. Устройства применяются для балластировки трубопроводов, прокладываемых на обводненных, заболоченных и периодически затопляемых участках строительства с грунтами минерального ос­нования, применение которых в качестве группового заполнителя полостей ПКБУ позволяет создать необходимую балластирующую нагрузку на трубопровод. В качестве группового заполнителя поло­сти устройства можно использовать грунты в разрыхленном есте­ственно влажном состоянии плотностью более 1000 кг/м³.

5. Балластировка грунтом с использованием нетканых син­тетических материалов. Нетканые синтетические материалы (НСМ) получают из полиамидных нитей в процессе формообразо­вания их из расплава вторичного полиамида или из вторичной пе­реработки лавсана и капрона.

Для закрепления трубопровода в качестве пригрузки используют местный или привозной грунт. В зависимости от вида и состоя­ния грунта трубопровод балластируют сплошь по всей длине или перемычками. Длина перемычки 25-30 м. Применение НСМ по­зволяет фиксировать грунтовую балластировку над трубопрово­дом, вовлекать дополнительный объем грунта, заключенный между трубой и стенкой траншеи.

6. Балластировка трубопроводов с использованием закреп­ленных гидрофобизированных грунтов. В качестве пригруза как конструктивного элемента в виде балластных перемычек можно использовать нефтегрунт или минеральные грунты, улучшенные добавками вяжущих компонентов (тяжелых крекинг-остатков, нефтяных битумов и т. д.).

Балластировку с использованием закрепленных грунтов (рисунок 18.6) можно применять на обводненных участках при подземном, наземном способах укладки трубопровода как в летнее, так и в зимнее время.

Рисунок 18.6 Балластировка закрепленным грунтом: 1 – закрепленный грунт; В – ширина траншеи, м; H – глубина траншеи, м; D _н – наружный диаметр трубопровода, м

Для закрепления и стабилизации строительных свойств грун­тов в условиях обводненной местности рекомендуется вяжущее для магистральных трубопроводов ВМТ-Л, выпускаемое по ТУ 0258-001-02080196-2000.

Приготовление вяжущегрунтовой смеси может осуществлять­ся различными способами; на бровке траншеи с использованием одноковшового экскаватора; на бровке траншеи с использованием траншеезасыпатсля; в базовых условиях с доставкой закрепленно­го грунта автосамосваламн и др.

Также для балластировки трубопроводов можно использовать нефтегрунт, приготовленный специально или образовавшийся в результате разлива нефти. При этом решается и другая важная задача – утилизация нефтегрунта с целью охраны окружающей среды.

Организация работ по балластировке трубопроводов перемыч­ками из закрепленных грунтов состоит из таких операций, как при­готовление, укладка и уплотнение грунтовой смеси. Различные схемы балластировки закрепленным грунтом показаны на рис. 18.7.

Рис. 18.7 – Схемы балластировки закрепленным грунтом: 1 – перемычка из закрепленного грунта; 2 – минеральный грунт; 3 – рекультивационный слой; 4 – сплошной слой закрепленного грунта; 5 – трубопровод.

7. Закрепление трубопровода анкерными плитами. Данный способ закрепления рекомендуется в обводненных и заболоченных грунтах, позволяет повысить надежность балластировки трубопро­вода путем размещения в приямках, отрываемых по обе стороны трубопровода в боковых стенках траншеи, анкерных плит. Анкер­ные плиты примыкают к трубопроводу в его горизонтальной диа­метральной плоскости. В зоне контура плит засыпку производят щебнем (так как трубопровод подвергается воздействию грунтовых и паводковых вод, а минеральный грунт может быть размыт). Затем траншея засыпается минеральным грунтом.

8. Балластировка трубопроводов минеральным грунтом. На участках трасс трубопроводов, периодически затапливаемых во­дой, на участках перспективного обводнения и на обводненных участ­ках балластировку трубопроводов можно осуществлять минеральным грунтом. Балластировка трубопроводов минеральным грунтом мо­жет быть применена в сочетании с утяжеляющими железобетон­ными грузами, анкерными устройствами и бетонированием трубо­провода.

Удерживающая способность минерального грунта рассчитыва­ется для наивысшего уровня стояния грунтовых и поверхностных вод (для нефте- и нефтепродуктопроводов – в период строитель­ства до момента заполнения трубопроводов продуктом или водой, для газопроводов – в период строительства и эксплуатации). Бал­ластировку трубопроводов минеральным грунтом можно выпол­нять как в летний, так и в зимний период. Обычно данный метод используется при повышенном заглублении трубопровода.

К средствам балластировки второй группы относятся анкер­ные устройства:

1 – винтовые анкерные устройства (ВАУ) (рис. 18.8);

2 – раскрывающегося типа;

3 – выстреливаемые;

4 – взрывные;

5 – вмораживаемые;

6 – свайные консольного типа;

7 – якорные анкерные устройства;

8 – козловые анкерные устройства;

9 – ВАУ с повышенной удерживающей способностью;

10 – анкер-инъекторы и т. д.

Основными преимуществами анкерных устройств являются: быстрота и экономичность доставки; незначительный собственный вес по сравнению с развиваемой удерживающей силой; невысокая стоимость.

Анкерные устройства состоят в общем случае из анкеров, удерживающих трубопровод через силовой пояс. Анкер включает, как минимум, два элемента: анкерную тягу и анкерную головку, при по­мощи которой в работу против выдергивания тяги вовлекается грунт, лежащий над анкерной головкой.

Рисунок 18.8 – Схема закрепления трубопровода винтовым анкерным устройством: 1 – силовой пояс; 2 – защитный коврик и футеровочный мат; 3 – трубопровод; 4 – тяга анкерная; 5 – винтовая лопасть

Обязательным условием применения анкерных устройств яв­ляется наличие плотного минерального грунта в рабочей зоне анкера.

В практике трубопроводного строительства наибольшее рас­пространение получили вмороженные анкерные устройства, при­меняющиеся при наличии вечномерзлых грунтов и ВАУ. Более ши­рокое применение ВАУ ограничивается из-за их невысокой надеж­ности. При потере устойчивости одного из анкеров в группе, рядом установленные анкеры под действием выталкивающей силы также теряют свою устойчивость по принципу «домино», т. е. один за дру­гим, и весь участок трубопровода всплывает на поверхность.

Для закрепления трубопровода на проектных отметках могут также использоваться анкер-инъекторы (рисунок 18.9).

Рисунок 18.9 – Способ балластировки трубопровода анкер-инъекторами: 1 – инъектируемый вяжущий продукт «корень анкера»; 2 – трубопровод; 3 – силовой пояс; 4 – защитный коврик и футеровочный мат; 5 – штуцер для подачи вяжущего; 6–корпус сменного оголовка; 7– штуцер для подачи вяжу­щего; 8 – траншея трубопровода; 9 – тяга анкера; 10 – минеральный грунт

Внедрение анкер-инъекторов производят на расчетную глубину 4 – 8 м в зависимости от свойств грунта. После внедрения осуществляют инъектирование вяжущего продукта в грунт через тяги анкера, перфорированные в нижней части. Вяжущий продукт закачивают через сменный разъемный оголовок.

В качестве закрепляющего вяжущего вещества могут быть использованы нефтяные битумы и мастики, цементные растворы, силикаты натрия, различные смолы и другие жидкие водонерастворимые быстротвердеющие вещества.

Закачиваемое через тягу анкера закрепляющее вяжущее вещество постепенно затвердевает и образует «корень» анкера, длина и диаметр которого определяют несущую способность анкерного устройства.

Соединение силовых поясов с анкерными тягами следует осуществлять путем их сварки или с помощью самозаклинивающихся устройств. Анкерную тягу приваривают к силовому поясу (силовой пояс – полосовая углеродистая или низколегированная сталь). Анкерные тяги и силовой пояс изолируются липкими полимерными лентами в два слоя.

Для повышения удерживающей способности винтовых анкерных устройств также можно закачивать закрепляющее вяжущее вещество через тягу анкера, представляющего собой перфорированную трубу диаметром 57 – 76 мм. При этом происходит восстановление структуры грунта, разрушенной винтовым наконечником анкерного устройства. После затвердевания вяжущего вещества водоустойчивость и удерживающая способность грунта значительно увеличиваются.

Балластировку трубопровода с помощью анкер-инъекторов и ВАУ с повышенной удерживающей способностью можно приме­нять на обводненных прямолинейных и криволинейных участках как в летнее, так и в зимнее время. Закрепление трубопроводов осуществляют на болотах с глубиной, равной глубине траншеи или меньше неё, и с подстилающими минеральными грунтами, обеспе­чивающими надежную работу анкеров, а также на пойменных и пе­риодически обводняемых участках.

Изоляция анкерных устройств должна выполняться в заводских условиях. В трассовых условиях необходимо осуществлять изоляцию участков соединения анкерных тяг с силовыми поясами.

При производстве работ по установке анкерных устройств на трубопроводе необходимо соблюдать следующие допуски:

- глубина установки анкеров в грунт менее проектной не допускается;

- увеличение расстояний между анкерными устройствами не допускается;

- возможно сокращение расстояний между указанными устройствами до 0,5м;

- относительные смещения анкеров между собой в устройстве не должны превышать 25 см;

- расстояния от трубы в свету до анкерной тяги не должны превышать 50 см.

Контроль за несущей способностью анкерных устройств необходимо осуществлять путем проведения контрольных выдергиваний. На трубопровод под утяжеляющие железобетонные грузы или анкерные устройства необходимо укладывать футеровочные маты или защитные обертки. Конструкция футеровочных матов или тип обертки устанавливается проектом.

Контрольные вопросы:

1. Общая характеристика и классификация болот по условиям производства работ.

2. Подготовка трассы.

3. Разработка траншеи.

4. Укладка трубопровода в траншею.

5. Закрепление трубопровода от всплытия.