Прокладка и ремонт труб без рытья траншеи - горизонтально-направленное бурение

Активный рост численности населения городов в конце 50-х, вызванный последствиями двух масштабных войн и резкого роста темпов развития индустриальной промышленности, объекты которой нуждались в рабочих руках, способствовал застройке новых и новых территорий под городские кварталы. В застраиваемые районы тянулись современные на тот момент системы коммуникаций – водопровод, газопровод, канализация и отопление. По требованиям строительных нормативов, все коммуникационные путепроводы следовало заглублять в землю ниже, чем глубина ее промерзания в зимний сезон. Таким образом, под землей в городской черте оказались сотни километров стальных и чугунных труб, которые к началу XXI века изрядно поизносились.

Проблема изношенных центральных коммуникаций характерна сегодня для городов на всех континентах Земли. Поиском решений в области восстановительно-ремонтных работ по городским трубопроводам с 1986 года занимается международная организация ISTT, базирующаяся в столице Великобритании Лондоне. В числе прочих членов в нее входит российская ассоциация – НПО «РОБТ». Наиболее оптимальным способом ремонта прохудившихся труб были признаны бестраншейные технологии, над совершенствованием которых трудятся инженеры из многих государств нашей планеты.

Сейчас известны три способа восстановление и прокладки коммуникаций без рытья траншеи:

• новые коммуникационные сети выстраиваются путем горизонтально-направленного бурения;
• демонтаж изношенных трубопроводов и их замена новыми трубами производится при помощи пневматических пробойников по вибрационному методу. Единственное условие его использования – стойкость грунтов к высоким вибрационным нагрузкам;
• пришедшие в негодность путепроводы также восстанавливаются по технологии гидравлического разрушения.
  Каждый из перечисленных способов бестраншейной укладки и ремонта труб осуществляется при помощи специальной техники, работы производятся в определенной последовательности и с привлечением специалистов. Изучим особенности каждой бестраншейной технологии.

Технология горизонтально-направленного бурения

Авторство технологии ГНБ принадлежит американскому инженеру Мартину Черрингтону. В 1963 году, в должности прораба он контролировал укладку телефонного кабеля в одном из районов Лос-Анжелеса. На одном из участков монтаж коммуникации выполнялся траншейным методом и его осуществлял подрядчик-конкурент, но Черрингтон на своем участке решил под свою ответственность попробовать горизонтальное бурение. В результате его подрядная организация, приступившая к работам на две неделе позже первой, полностью закончила свой объект одновременно с конкурентом, т.е. на две недели раньше расчетного срока. Мартин Черрингтон основал компанию Cherrington Corp., ведущую разработки в области бестраншейной укладки коммуникаций и ставшую одним из крупнейших исполнителей этих работ на территории США.

Пользуясь горизонтально-направленным бурением можно выстраивать подземные коммуникации как метровой, так и многокилометровой протяженности. Наибольший диаметр стальных или ПНД (полиэтилен низкого давления) труб, укладываемых в процессе монтажных работ – 1200 мм.

ГНБ установка представляет собой самоходную спецтехнику с металлической рамой, расположенным на ней кузовом и ходовой базой на гусеницах или колесах. Кузов машины содержит дизельную силовую установку, гидростанцию, лафет с буровой установкой, подающий штанги механизм и стационарный пульт управления. Разница между моделями машин горизонтально-направленного бурения заключается в допустимом радиусном изгибе колонны штанг, измеряемому в тоннах усилию протяжки штанговой колонны и степени потребления (в литрах за минуту) растворного бентонита.

Справка: бентонит – глинистый материал природного происхождения, обладающий высокой способностью к разбуханию при контакте с водой. Объем сухого бентонита при соединении с водой возрастает примерно в 16 раз, получается субстанция в форме геля. Благодаря своей особенности – образование плотного гелеобразного кокона вокруг буровой штанги, полностью непроницаемого для воды – бентонитовый раствор широко используется при выполнении горизонтально-направленного бурения.

Рассмотрим этапы производства работ по ГНБ, их пять – начальный этап, выполнение пилотного бурения, расширение скважины, проведение через подготовленную скважину труб, завершающий этап.

На предварительном этапе выполняются геологические анализы свойств грунта на местности, привязка планов существующих коммуникаций к участку работ, согласовывается документальная база с надзорными госорганами. Для расчета направления бурения горизонтальной скважины проводится зондирование местности, чтобы полностью исключить вероятность пробоя близкорасположенных трубопроводов в наиболее ответственных участках пробуриваются вертикальные шурфы.

Установка горизонтально-направленного бурения выставляется на позицию, ее оснащают буровой головкой и приступают к выполнению пилотного бурения. В головке находится локационный зонд, благодаря которому ее текущее положение отмечается на мониторе. В процессе работ направление движения буровой головки корректируется благодаря скосу режущего инструмента. Слежение за процессом бурения проводится с двух точек – оператор установки ГНБ корректирует ход буровой головки по монитору (на нем отображаются сведенья об уклоне и глубине прохода бура в данное время), «полевой» оператор следует за движением головки по территории, принимая сигналы от встроенного зонда при помощи ручного локатора. При выявлении смещения бура от заданной траектории, оператор установки горизонтально-направленного бурения прекращает ее работу и производит коррекцию углового скоса режущего инструмента. Работы по бурению скважины прекращаются после выхода режущей головки в заданной точке.

На буровой колонне, образованной штангами и заканчивающейся головкой бура, закреплена штанга гибкого амортизатора. Она отвечает за снижение нагрузки на штанги и используется для коррекции хода буровой колонны.

Буровая головка, оборудованная режущим инструментом, также укомплектована несколькими форсунками – через них в скважину подается бентонитовый раствор, следующий по полым штангам под давлением. С его помощью из скважины устраняется доведенная до состояния геля порода, колонна буровой установки смазывается и охлаждается, размываются излишки грунта и выполняется стабилизация грунтовых стенок ствола.

По готовности скважины необходимо увеличить ее диаметр – вышедшая в заданной точке буровая головка снимается со штанг, взамен устанавливается расширительная головка. По ее периметру также имеются форсунки для подачи растворного бентонита, подаваемого в скважину в процессе ее расширения. Оператор переключает установку ГНБ на ход в обратном направлении – следуя вращательным движениям и тяговому усилию, сообщаемым головке-расширителю штангами, она растачивает скважину до требуемого диаметра. Чтобы получить ствол скважины достаточной ширины (ее диаметр обязан на 30% превосходить диаметр труб), операции бурения и расширения проводятся многократно, с последовательной заменой буровой и расширительной головок на более крупные.

В расширенную скважину заводится трубопровод, секции-трубы которого еще на поверхности сварены воедино до необходимой на сквозной проход длины. Выполнив последнее (финишное) бурение скважины для ее расширения, головка с режущим инструментом снимается, взамен устанавливается расширяющая головка, к которой крепится специальное устройство – вертлюг, не передающий вращательного момента от буровой колонный к протягиваемому трубопроводу. На вертлюг навешивается серьга, служащая промежуточным звеном для закрепления захватного устройства, удерживающего трубу. Убедившись в прочности креплений всех элементов для протяжки трубопровода, оператор запускает установку горизонтально-направленного бурения на реверс и трубы постепенно заводятся в ствол скважины.

По результатам работ составляется план-схема расположения новой коммуникационной сети с привязкой к местности и нескольких плоскостных разрезах.

Плюсы и минусы горизонтально-направленного бурения

К несомненным достоинствам ГНБ относятся:

• тип грунта, рельеф местности и ее статус, наличие водоемов не влияют на ход работ по горизонтально-направленному бурению. Укладка нового или ремонт старого трубопровода можно безопасно выполнять на любых, в т.ч. самых сложных грунтах – даже в скальных породах и плавунах. Степень застройки городских районов, загруженность дорожных трасс либо особый охранный статус объектов культурного наследия – ГНБ их состоянию никак не угрожает;
• поскольку для осуществления работ нет необходимости перекрывать дорожное движение, то и много меньше времени уходит на получение одобрения в надзорных госорганах;
• отсутствие работ по рытью траншей многократно сводит к минимуму расходы на наем тяжелой строительной техники, на привлечение рабочего персонала;
• задействование в монтажных работах опытных исполнителей и современной буровой техники необходимой мощности обеспечит минимизацию сроков прокладки трубопровода;

•  установки ГНБ полностью автономны и не нуждаются в дополнительных поставщиках энергии вроде компрессоров или дизельных электростанций;
• работы по горизонтально-направленному бурению с успехом проводятся при высоком уровне грунтовых вод. На сроки полного завершения операций по прокладке трубопровода грунтовые воды не влияют;
• после монтажа трубопровода по технологии ГНБ величина нанесенного урона для экосистемы и ландшафтного оформления местности самая минимальная.

В числе недостатков горизонтально-направленного бурения:

• высокие расходы при потребности укладки труб на дистанцию менее двух метров – целесообразнее воспользоваться классическим траншейным методом;
•  управлять буровым процессом способен только опытный оператор установки ГНБ. Малейшие просчеты выльются в резкое удорожание рабочего процесса;
• укладка трубопровода по технологии горизонтально-направленного бурения выполняется непрерывно и занимает столько времени, сколько необходимо – т.е. повлиять на ускорения рабочего процесса невозможно.

В завершении

Преимущество технологий, позволяющих обойтись без рытья траншей для прокладки либо восстановления коммуникаций, несомненно. Технология горизонтально-направленного бурения – одна из первых наработок из области бестраншейных методик монтажа коммуникаций. Из следующей статьи вы узнаете о трех других способах построения трубопроводов – вибрационном бурении, продавливании стальных футляров и гидравлическом разрушении.