Ремонт коммуникаций без рытья траншей – вибрационное бурение и гидравлическое продавливание

В основе метода вибрационного бурения лежат разработки советского профессора Виктора Николаевича Подураева. В своей диссертации, защищенной в 1967 году и посвященной роли вибрации при проведении механической обработки, он научно обосновал принципы вибрационной резки, в том числе применимые и к бурению скважин. Главное достоинство вибрационного бурения в том, что оно позволяет минимизировать либо полностью обойтись без смазки в бурильном процессе – вибрация способствует самостоятельному удалению продуктов бурения из ствола скважины.

Технология вибрационного бурения

Работы по вибрационному бурению осуществляются за счет специфического элемента буровой установки – пневмопробойника. Оснащенная пневмопробойником установка вибрационного бурения способна создавать в грунтах наклонные или горизонтальные скважины диаметром от 45 до 350 мм и протяженностью до 100 м.

Основная деталь вибрационной буровой установки – пневмопробойник – представляет собой продолговатый конический прибор, в корпусе которого расположены системы удара, реверса и распределения сжатого воздуха. Компрессор сжимает воздух и нагнетает его в пневмопробойник, соединенный с ним 25 мм воздушным шлангом необходимой длины.

Начальный этап работ – рытье котлованов. Их два, первый предназначен для размещения буровой установки и является отправной точкой для бурения, второй выполняется в секторе выхода пневмопробойника, где завершится будущая скважина. Большинство установок для вибрационного бурения способны осуществить бурения на дистанции не более 15 м, поэтому могут потребоваться промежуточные котлованы на такой дистанции друг от друга. Котлованы роются на требуемую глубину залегания будущего трубопровода или кабель-канала, их ширина, особенно стартового, должна позволить размещение буровой установки. Минимальная глубина рассчитывается, исходя из диаметра пневматического пробойника и должна десятикратно превышать ее – т.е. для 350 мм пневмопробойника требуются котлованы не менее чем 3,5 метровой глубины.

Вибрационное бурение, также называемое неуправляемым проколом грунта, начинается в стартовом котловане, куда выставляется буровая установка. Направляющая перед размещением на ней пневмопробойника выставляется точно по направлению к следующему котловану. По готовности на направляющую ставится вибрационный пневматический пробойник, к кранам, распложенным в его обратном торце, подсоединяются воздушные шланги, снабжающие капсулу сжатым воздухом от компрессора. Работы стартуют после запуска компрессора и начала подачи воздуха к пробойнику. Скорость пневмопробойника примерно равна 300 мм за минуту, его движения импульсивны и строго параллельны земной плоскости. И хотя управлять положение капсулы во время ее движения в грунте невозможно, от заданного курса она не отклоняется благодаря тщательно рассчитанной конструкции. По мере построения скважины, пробойник находится все ближе и ближе к заключительной точке работ – как только он пробивает стенку приемного котлована, подача сжатого воздуха в капсулу прекращается. Давление воздуха в шлангах уравнивается с атмосферным путем стравливания избытка, их отсоединяют, свободные концы надежно заглушаются, после шланги вытягивают по пробуренной скважине в исходную точку.

Скважина готова – в ней размещаются коммуникации (кабель или труба), которые предполагалось уложить. При этом диаметр трубопровода, заводимого в скважину, обязан быть меньше фактического диаметра скважины как минимум на 25%. Положение и глубина залегания коммуникаций отмечаются в плане участка.

При помощи вибрационных установок с пневматическими пробойниками можно не только создавать новые скважины (проколы), но и производить восстановление целостности изношенного трубопровода без его вскрытия. В этом случае котлованы не создаются и нет нужды в направляющей – пневмопробойник заводится в канал восстанавливаемой трубы, доступ к которой обеспечивает колодец канализационной, водопроводной и других систем. В приемном колодце крепится система анкерных креплений, на которой, в свою очередь, закрепляется соединенный с лебедкой стальной трос – его свободный конец проводится через ремонтируемую трубу и соединяется с креплением на носу пневмопробойной капсулы.

Подача сжатого воздуха активирует импульсное движение пневматической капсулы, дополнительной подтягиваемой лебедкой. По мере движения капсула разрушает старую трубу, раздвигая стенки скважины до необходимого диаметра. К обратному концу пневмокапсулы через специальное крепление присоединяются патрубки из пвх, резьбовое соединение позволяет наращивать их непосредственно в стартовом колодце по мере погружения в скважину. Таким образом, для восстановления целостности коммунального трубопровода достаточно лишь заменить его полиэтиленовой трубой, разве что ее диаметр будет чуть меньше, чем диаметр прежней трубы.

Характеристики вибрационного бурения

К его плюсам относятся:

• построение скважины (прокола грунта) не сопровождается нарушениями прочности покрытий на поверхности земли, не вредит целостности существующих коммуникаций;
• отсутствует потребность в найме какой-либо прочей строительной техники, в результате работы обходятся дешевле, по сравнению с траншейной прокладкой коммуникаций;
• установка вибрационного бурения не нуждается в предварительном построении опорной стенки;
• скважина может быть выполнена на слабых грунтах;
• габариты бурильной установки невелики, ее можно выставить в подвале любого здания, используя существующие проемы в стенах (т.е. их частичный разбор не потребуется).

В числе минусов бурения с помощью пневмопробойника:

• невозможность коррекции хода по мере построения скважины;
• обязательное формирование нескольких котлованов (как минимум, стартового и приемного);
• существующие ограничения по протяженности скважины и ее диаметру;
• результат работы во многом зависит от профессионализма оператора буровой установки – точности выставления направляющей.

Технология гидравлического продавливания

Гидравлика применяется при двух способах создания скважин (проколов) – разрушение старых труб и их замена новыми, продавливание грунта стальными футлярами.

Футляр – стальную трубу – в грунт проталкивают домкраты высокой мощности. Давление, приблизительно равное 3000 килоньютонов, сообщается секциям стального футляра посредством шомпола, специального нажимного патрубка (его периодические требуется заменять) или зажимного хомута. Стальная труба продавливается постепенно, поступательное и обратное воздействие домкрата на нее чередуется.В среднем скорость проходки футляра составляет 10 м/ч.

Если грунт слишком плотный и вызывает смятие оголовья футляра, то на него одевается насадка-нож, облегчающая выемку составляющих грунта. При продавливании труб диаметром более 200 мм вытесняемый из скважины грунт выходит через полую сердцевину футляра, трубы меньшего диаметра перед началом работ заглушаются. В некоторых случаях продавливание стальных труб выполняется с проведением гидроразмыва или с его комбинированием шнековым приспособлением.

Рабочий процесс происходит так:

• установка для продавливания выставляется в стартовом котловане достаточных размеров, посредством насадок на ней закрепляется стальная труба и гидравлический домкрат начинает вдавливать ее в грунт;
• после заглубления первой секции трубы, ее отсоединяют от гидравлической установки и с помощью электросварки подсоединяют новый отрезок трубы. На нем крепятся необходимые насадки и домкрат активируется в работу. Наращивание стального футляра выполняется до тех пор, пока труба не выйдет из приемного котлована на достаточное расстояние;
• по прохождении футляром всей длины будущего трубопровода, домкрат отсоединяется, а труба продувается сжатым воздухом, что позволяет удалить из нее землю.

Достоинства технологии продавливания футляров:

• возможность построения коммуникаций значительного диаметра (до 3 м);
• нет нужды в опорной стене;
• как правило, используются гидравлические установки небольших габаритов, что создает возможность производства работ из подвальных помещений.

Наиболее серьезный недостаток метода прокола стальными футлярами – значительный вес гидравлического домкрата, что требуется привлечения спецтехники для его установки на месте работ.

Технология гидравлического разрушения

При ее внешней схожести с принципами вибрационного бурения, имеются два глубоких различия – капсула-пробойник оборудована режущим инструментом и для ее перемещения по заменяемой трубе используется гидравлическая станция. Максимальная дистанция, на которой может работать пробойник – 50 м, самые большие модели капсул имеют диаметр 1200 мм.

Предварительная подготовка работ по замене труб путем гидравлического разрушения включает в себя рытье двух котлованов – стартового и приемного, выполняемых чуть более глубокими, чем положение ремонтируемых коммуникационных путей. Стартовый котлован должен быть достаточно вместительным, чтобы выставить в нем машину гидравлического разрушения и позволить наращивание штанг в процессе ремонтно-восстановительных работ. В свою очередь приемный котлован выполняется с пологим склоном, расположенным напротив канала ремонтируемой коммуникации – через него в скважину будет заводиться новая труба из пнд пластика.

Перед размещением гидравлического разрушителя склоны и дно стартового котлована с особым вниманием ровняются и трамбуются – малейший скос поверхностей приведет к искривлению хода режущей капсулы. В случае угрозы обводнения дна котлована, на него отсыпается гравий либо настилается дощатое основание. После выставления рамы разрушителя-пробойника в стартовый котлован, производится центрирование направляющих. Поскольку вес рамы пробойного механизма значителен, для регулировки ее положения используется подъемное оборудование – лебедка или автокран. С целью блокирования металлической станины пробойника – препятствования ее подвижкам к разрешаемой трубе – перед рабочей стенкой котлована (за которой находятся ремонтируемые коммуникации) размещается стальная плита-упор в положении «вертикально». Размеры стального упора – 1,2 м на 2,5 м при толщине плиты более 15 мм. Пытаться заменить столь массивный упор плитой меньших размеров и толщины бессмысленно – установка гидравлического разрушения развивает усилие свыше 50 т на обратную тягу, т.е. менее прочный упор рама с направляющими попросту раздавит. В плите упора с одной из сторон имеется узкий овальный проем, размещаемый точно перед разрушаемой трубой.

Завершив центрирование пробойника, его соединяют воздушными шлангами с гидравлической станцией, стоящей подле котлована. Первая задача – провести опорные штанги через полость старой трубы, капсула с режущим инструментом на них в ходе этой операции не одевается. По мере погружения штанговых секций в канал коммуникации их наращивают все новыми и новыми секциями, пока конец первой штанги не выйдет из трубы в приемном котловане. Штанги позволяют вводить их в каналы, искривленные не более чем на 20^о.

Прекратив подачу сжатого воздуха в гидравлическую систему пробойника, на конец штанги, вышедшей в приемный котлован, закрепляется режущая капсула – ее диаметр соответствует внешнему диаметру новой (вводимой взамен поврежденной) трубы. Горловина трубу из пластика низкого давления соединяется с капсулой пробойника посредством цангового захвата. Установка пробойника переключается на реверс, перед ней, если этого не было сделано ранее, заводится стальная плита упора. При возобновлении подачи сжатого воздуха, гидравлическая система пробойника-разрушителя начинает возвратное движение опорных штанг по направлению к стартовому котловану. Двигаясь по старой трубе, режущий инструмент капсулы разбивает металлические стенки, утапливая образовавшиеся частицы в ствол скважины. В процессе протяжки капсулы и пластиковой трубы вышедшие секции опорных штанг снимаются, а концы участвующих в работе штанг крепятся к пробойнику.

Разрушение старой и протяжка новой трубы завершается выходом последней из скважины в стартовом котловане. Как только пластиковая труба будет выведена на необходимую дистанцию, достаточную для ее подключения к коммунальным сетям, оголовье трубы отсоединяется от цангового крепежа. От установки пробойника рабочие отключают воздушные шланги, поднимают и извлекают из котлована плиту упора, снимают режущую капсулу и оставшуюся штангу. Последней из котлована поднимается установка гидравлического пробойника.

Достоинства и недостатки гидравлического разрушения

К их положительным характеристикам относятся:

• расположенным поблизости (даже вплотную) коммуникациям не наносится никакого вреда в процессе работ;
• на поверхности земли не возникает никаких повреждений;
• проводится полное восстановление пропускного канала старой трубы. Новая труба выставляется точно на место прежней;
• возможность замены труб диаметром до 1,2 м, имеющий длину в пределах 50 м;
• можно увеличить сечение трубопровода в процессе замены (восстановления);
• минимальные потребности в рабочей силе и строительной технике;
• короткие сроки исполнения – в два-три раза ниже, чем затрачиваемые на траншейные работы;
• гидравлическое разрушение не сопровождается вибрациями;
• очистка канала восстанавливаемой трубы не требуется;
• рабочие процессы по гидравлическому разрушению не влияют на экологическую обстановку на территории, где проводятся.

Среди отрицательных характеристик:

• потребность в тщательном исполнении обоих (стартового и приемного) котлованов;
• расценки на производство работ по гидравлическому разрушению несколько выше, чем на траншейную замену;
• зависимость результатов от профессиональной подготовки операторов установки гидравлического пробойника.

В завершении

Реалии нашего времени – физический износ сетей коммунального сообщения в городских кварталах превышает 90% и попытки точечного латания, предпринимаемые ответственными организациями, дают лишь кратковременный эффект. Руководство большинства городов Европы еще в начале XXI века полностью запретило траншейный ремонт и монтаж различных трубопроводов, поскольку это создает трудности для горожан и автовладельцев, наносит урон ландшафту. Бестраншейные технологии дают пусть и недешевый, но эстетически более выгодный способ приведения коммунальных сетей в технически исправное состояние.