Выбор технологии закрытой прокладки подземных коммуникаций в зависимости от инженерно-геологических условий строительства

1. Введение

Развитие городской инфраструктуры, увеличение плотности инженерных сетей и необходимость сохранения существующих объектов транспортной и социальной инфраструктуры обусловили широкое распространение технологий закрытой прокладки подземных коммуникаций. В отличие от открытого способа строительства, бестраншейные методы позволяют выполнять работы без значительного нарушения дорожного покрытия, благоустройства территорий и естественного ландшафта, что особенно актуально в условиях современной городской застройки.

Закрытые способы строительства инженерных коммуникаций широко применяются при пересечении автомобильных и железных дорог, водных преград, объектов промышленной инфраструктуры, а также при строительстве трубопроводов в стесненных городских условиях. Их использование позволяет существенно сократить объем земляных работ, уменьшить сроки строительства и снизить негативное воздействие на окружающую среду.

В настоящее время наиболее распространенными технологиями являются горизонтально-направленное бурение (ГНБ), метод статического прокола, продавливание стальных футляров, шнековое бурение, применение пневмопробойников, а также микротоннелирование. Каждая из перечисленных технологий обладает собственными конструктивными особенностями, техническими ограничениями и экономической эффективностью, вследствие чего выбор конкретного метода определяется совокупностью инженерно-геологических, технологических и экономических факторов.

Ошибочный выбор технологии способен привести к увеличению стоимости строительства, возникновению аварийных ситуаций, повреждению существующих коммуникаций и нарушению сроков выполнения работ. В связи с этим сравнительный анализ существующих методов и определение областей их рационального применения являются актуальной задачей современного подземного строительства.

2. Цель исследования

Провести сравнительный анализ современных технологий закрытой прокладки подземных коммуникаций, определить особенности, преимущества и недостатки каждого метода, установить наиболее рациональные области их применения в зависимости от инженерно-геологических условий строительства, а также рассмотреть возможность комбинирования различных технологий при строительстве одного объекта.

3. Материалы и методы исследования

3.1. Горизонтально-направленное бурение

Горизонтально-направленное бурение является наиболее универсальной технологией закрытого строительства инженерных коммуникаций. Метод предусматривает последовательное выполнение пилотного бурения по проектной траектории, расширение скважины до требуемого диаметра и последующее протягивание трубопровода.

Особенностью технологии является возможность изменения направления буровой головки в процессе строительства, что обеспечивает высокую точность прохождения трассы и позволяет обходить существующие инженерные сети, фундаменты зданий и другие препятствия.

При выполнении работ используется буровой раствор на основе бентонита и полимерных добавок, который выполняет несколько функций одновременно: стабилизирует стенки скважины, охлаждает буровой инструмент, транспортирует разрушенный грунт на поверхность и снижает силы трения при протягивании трубопровода.

К основным преимуществам метода относятся:

• высокая точность прокладки;
• возможность строительства переходов длиной более 1000 м;
• выполнение работ под реками, автомобильными и железными дорогами;
• возможность строительства по криволинейной траектории;
• минимальное нарушение поверхности земли.

Недостатками технологии являются высокая стоимость оборудования, необходимость применения буровых растворов, сложность выполнения работ в сильно трещиноватых скальных породах и необходимость привлечения высококвалифицированного персонала.

Наиболее эффективно применение горизонтально-направленного бурения при строительстве газопроводов, водопроводов, напорной канализации, кабельных линий, а также при пересечении естественных и искусственных препятствий значительной протяженности.

3.2. Метод статического прокола

Метод статического прокола основан на внедрении в грунт стальной трубы или специального наконечника под действием усилия гидравлических домкратов без разработки и извлечения грунта. При этом грунт уплотняется вокруг формируемой скважины, что позволяет выполнить проходку без нарушения поверхности земли.

Данная технология отличается простотой конструкции оборудования и высокой скоростью выполнения работ. Метод наиболее эффективен при строительстве коммуникаций небольшого диаметра в устойчивых глинистых и суглинистых грунтах, способных воспринимать дополнительное уплотнение без разрушения структуры.

К преимуществам метода относятся:

• сравнительно невысокая стоимость оборудования и производства работ;
• высокая производительность при коротких переходах;
• отсутствие необходимости применения бурового раствора;
• минимальный объем подготовительных работ;
• простота эксплуатации оборудования.

Недостатками метода являются ограниченная длина проходки (как правило, до 40–60 м), а также ограничение по диаметру прокладываемых труб. Применение метода в песчаных, водонасыщенных и крупнообломочных грунтах значительно снижает качество проходки и может привести к отклонению трубы от проектной оси.

Статический прокол наиболее целесообразно применять при прокладке защитных футляров малого диаметра под автомобильными дорогами, тротуарами и внутриквартальными проездами.

3.3. Метод продавливания

Метод продавливания предусматривает последовательное внедрение в грунт стальной трубы-футляра при помощи гидравлических домкратов с одновременной разработкой грунта внутри трубы механизированным или ручным способом.

В отличие от метода прокола грунт не уплотняется, а удаляется из внутренней полости футляра, благодаря чему технология позволяет сооружать переходы значительно больших диаметров.

Метод широко применяется при строительстве переходов под железнодорожными путями, автомагистралями и промышленными площадками, где требуется прокладка защитных футляров большого диаметра.

Основными преимуществами являются:

• возможность строительства футляров диаметром более 1000 мм;
• высокая надежность конструкции;
• отсутствие воздействия на дорожное покрытие;
• возможность работы в большинстве типов грунтов;
• сравнительно высокая точность проходки.

К недостаткам относятся:

• необходимость устройства крупных стартовых и приемных котлованов;
• значительные усилия продавливания при увеличении длины перехода;
• относительно низкая скорость строительства;
• применение тяжелого гидравлического оборудования.

Метод наиболее эффективен при строительстве защитных футляров для газопроводов, водопроводов, тепловых сетей и канализационных коллекторов большого диаметра.

3.4. Шнековое бурение

Шнековое бурение представляет собой разновидность закрытой проходки, при которой разработка грунта осуществляется вращающимся шнеком, размещенным внутри продавливаемого футляра. Разрушенный грунт непрерывно транспортируется по винтовой поверхности шнека в стартовый котлован.

Использование шнекового транспортирования позволяет исключить применение буровых растворов и обеспечивает более высокую точность строительства по сравнению с традиционным продавливанием.

Технология широко применяется при строительстве переходов под автомобильными и железными дорогами, а также при прокладке футляров диаметром до 1800 мм.

К преимуществам метода относятся:

• высокая точность соблюдения проектной оси;
• непрерывное удаление грунта;
• отсутствие бурового раствора;
• возможность строительства футляров большого диаметра;
• высокая производительность в устойчивых грунтах.

Недостатками являются:

• снижение эффективности при наличии валунов и скальных включений;
• ограниченная длина проходки;
• необходимость применения специализированного оборудования;
• значительные размеры строительной площадки.

Шнековое бурение рекомендуется применять при строительстве линейных объектов с повышенными требованиями к точности положения трубопровода.

3.5. Применение пневмопробойников

Пневмопробойник представляет собой ударный механизм, работающий за счет энергии сжатого воздуха. Во время движения ударная часть устройства разрушает и уплотняет окружающий грунт, формируя скважину необходимого диаметра.

В отечественной практике данный метод широко известен как технология «крот».

Основными достоинствами пневмопробойников являются:

• высокая скорость строительства;
• компактность оборудования;
• простота эксплуатации;
• низкая стоимость производства работ;
• возможность выполнения работ в стесненных условиях.

К недостаткам относятся:

• отсутствие возможности изменения траектории движения;
• ограниченная длина проходки;
• сравнительно невысокая точность;
• невозможность работы в скальных и сильнообломочных грунтах;
• ограниченный диапазон диаметров.

Наиболее рационально использовать пневмопробойники при строительстве коротких переходов кабельных линий, сетей связи, водопроводов небольшого диаметра и систем наружного освещения.

3.6. Микротоннелирование

Микротоннелирование является одной из наиболее технологически совершенных разновидностей закрытого строительства инженерных коммуникаций. Проходка осуществляется дистанционно управляемым проходческим щитом с одновременным продавливанием железобетонных или полимербетонных труб.

Удаление грунта производится гидротранспортом или шнековой системой без присутствия людей в забое.

Основными преимуществами технологии являются:

• высокая точность строительства;
• возможность проходки на больших глубинах;
• строительство трубопроводов диаметром до нескольких метров;
• работа в сложных гидрогеологических условиях;
• минимальное влияние на окружающую застройку.

Недостатками метода являются:

• высокая стоимость оборудования;
• значительные капитальные затраты;
• сложность организации строительства;
• необходимость привлечения высококвалифицированных специалистов.

Несмотря на высокую стоимость, микротоннелирование является наиболее эффективным решением при строительстве крупных самотечных коллекторов, ливневой канализации и других инженерных сооружений большого диаметра в условиях плотной городской застройки.

В отличие от остальных методов, микротоннелирование применяется преимущественно на объектах повышенной сложности, где требования к точности и надежности строительства имеют приоритетное значение.

3.7. Сравнительный анализ технологий закрытой прокладки подземных коммуникаций

Выбор технологии закрытой прокладки инженерных коммуникаций определяется совокупностью факторов, к которым относятся инженерно-геологические условия строительства, длина и глубина перехода, диаметр трубопровода, наличие существующих инженерных сетей, требования к точности строительства и экономическая эффективность производства работ.

Для оценки возможностей различных методов выполнено их сравнительное сопоставление по основным техническим характеристикам.

Таблица 1

Сравнение основных технологий закрытой прокладки инженерных коммуникаций

Из представленных данных следует, что универсальной технологии не существует. Каждый метод имеет собственную область рационального применения и ограничения, обусловленные как техническими возможностями оборудования, так и геологическими условиями строительства.

Для более наглядного сравнения рассмотрим основные преимущества и недостатки каждой технологии.

Таблица 2

Преимущества и недостатки основных методов

3.8. Выбор технологии в зависимости от условий строительства

При проектировании объекта инженер должен учитывать не только стоимость производства работ, но и вероятность возникновения технологических рисков. Правильный выбор метода позволяет сократить сроки строительства, снизить вероятность аварийных ситуаций и обеспечить требуемый срок службы инженерной сети.

При пересечении широких автомобильных дорог, железнодорожных путей, рек и других протяженных препятствий наиболее эффективным является горизонтально-направленное бурение. Управляемая траектория позволяет обходить существующие коммуникации и минимизировать влияние строительства на окружающую инфраструктуру.

Для устройства коротких переходов небольшой протяженности под внутриквартальными дорогами экономически более оправдано применение метода статического прокола. Простота оборудования и отсутствие необходимости приготовления бурового раствора значительно уменьшают стоимость работ.

Если проектом предусмотрена прокладка защитного футляра большого диаметра под железнодорожными путями или автомобильными магистралями, предпочтение следует отдавать методу продавливания или шнекового бурения. Эти технологии обеспечивают высокую надежность конструкции и позволяют сооружать переходы значительного диаметра.

При строительстве кабельных линий связи, электрических сетей и систем наружного освещения наиболее экономичным решением является применение пневмопробойников. Несмотря на сравнительно невысокую точность, данный метод отличается высокой производительностью и минимальными затратами.

Микротоннелирование применяется преимущественно при строительстве крупных коллекторов и инженерных сооружений в условиях плотной городской застройки, где недопустимы осадки поверхности и требуется высокая точность соблюдения проектной оси.

3.9. Комбинирование различных технологий на одном объекте

Современное строительство инженерных коммуникаций нередко предусматривает применение сразу нескольких технологий закрытой прокладки в пределах одного объекта. Такой подход позволяет учитывать особенности отдельных участков трассы и выбирать наиболее эффективный способ строительства для каждого препятствия.

Например, при строительстве магистрального газопровода основной переход через реку может быть выполнен методом горизонтально-направленного бурения, обеспечивающим необходимую длину и возможность прохождения по криволинейной траектории. Одновременно пересечения автомобильных дорог небольшой ширины могут выполняться методом статического прокола, а переход под железной дорогой – методом продавливания с устройством защитного стального футляра.

При строительстве сетей водоснабжения возможно сочетание шнекового бурения и горизонтально-направленного бурения. Шнековое бурение применяется при устройстве футляров большого диаметра под транспортными магистралями, тогда как остальные участки трассы выполняются методом ГНБ.

Для строительства распределительных электрических сетей и линий связи часто используется комбинация горизонтально-направленного бурения и пневмопробойников. Длинные участки между распределительными пунктами сооружаются методом ГНБ, а короткие вводы к зданиям выполняются с использованием пневмопробойников, что позволяет существенно снизить стоимость строительства.

Таким образом, комбинирование различных технологий позволяет максимально эффективно использовать преимущества каждого метода, обеспечивая оптимальное соотношение стоимости, сроков строительства и надежности инженерного сооружения.

4. Выводы

Проведенный сравнительный анализ показал, что выбор технологии закрытой прокладки подземных инженерных коммуникаций должен осуществляться с учетом комплекса технических, инженерно-геологических, экономических и организационных факторов. Универсального метода строительства, одинаково эффективного для любых условий эксплуатации, не существует.

Горизонтально-направленное бурение является наиболее универсальной технологией благодаря возможности выполнения протяженных управляемых переходов, однако применение данного метода сопровождается высокой стоимостью оборудования, необходимостью использования буровых растворов и повышенными требованиями к квалификации персонала.

Метод статического прокола и применение пневмопробойников отличаются простотой выполнения работ и сравнительно низкой стоимостью строительства, что делает их наиболее эффективными при устройстве коротких переходов небольшого диаметра в благоприятных инженерно-геологических условиях.

Методы продавливания и шнекового бурения целесообразно использовать при строительстве защитных футляров большого диаметра под автомобильными и железными дорогами, где необходима высокая надежность конструкции и соблюдение проектного положения трубопровода.

Микротоннелирование остается наиболее технологически совершенным способом строительства крупных инженерных коммуникаций в условиях плотной городской застройки, несмотря на значительные капитальные затраты и сложность организации строительного процесса.

Проведенный анализ также показал, что при строительстве крупных линейных объектов наибольшая эффективность достигается при комбинированном использовании различных технологий. Применение нескольких методов на одном объекте позволяет учитывать особенности отдельных участков трассы, снижать стоимость строительства, сокращать сроки выполнения работ и обеспечивать требуемый уровень надежности инженерного сооружения.

Таким образом, дальнейшее развитие технологий закрытой прокладки инженерных коммуникаций связано с совершенствованием бурового и проходческого оборудования, внедрением цифровых систем навигации, автоматизацией строительных процессов и разработкой новых экологически безопасных материалов, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности бестраншейного строительства.