Бестраншейное строительство методом горизонтального направленного бурения
Участники семинара отметили, что в Беларуси существуют и в ближайшие десятилетия сохранятся потребности в проведении больших объемов земляных работ при прокладке энергокоммуникаций (газо- нефте- и продуктопроводов, электрических кабелей), инженерных сетей (трубопроводов тепло- и водоснабжения и канализации), кабельных линий связи, мультисервисных сетей и кабельного телевидения. Трассы этих коммуникаций пересекают различные препятствия, имеющие естественный (водные объекты, овраги и т.п.) или искусственный (автомобильные и железные дороги, трубопроводы, объекты городской застройки и инфраструктуры и т.п.) характер. Производство работ на этих участках трасс с использованием методов внешней экскавации грунта чаще всего является экономически нецелесообразным, экологически неблагоприятным, а зачастую просто невозможным, что создает серьезные проблемы при сооружении переходов трасс различных коммуникаций через препятствия. Наиболее эффективным способом решения этих проблем является использование метода горизонтального направленного бурения (ГНБ), который свободен от недостатков, присущих другим известным способам прокладки трасс через препятствия. В ходе семинара были рассмотрены основные преимущества метода ГНБ, которые проявляются в различных сферах. Представляем вниманию наших читателей наиболее интересные фрагменты выступлений.
Старший преподаватель кафедры трубопроводного транспорта Полоцкого государственного университета Андрей Кульбей:
— При прокладке путепроводов, водопроводов часто приходится пересекать искусственные и естественные препятствия: реки, озера, железные дороги, сосредоточение ложных коммуникаций, а также участки с высоким историческим или экологическим значением. Традиционный траншейный способ строительства предусматривает разработку открытой траншеи, то есть нарушение верхнего слоя почвы, прекращение передвижения людей, транспорта и животных, а также снижения темпов ведения работ и техники при пересечении коммуникаций и использования средств оборудования и сооружений при переходе через водные объекты. Кроме того, к основным недостаткам традиционного способа прокладки можно отнести нарушение верхнего слоя почвы, что неприемлемо для участков с высоким экологическим или историческим значением, прекращение передвижения людей, сложность обхода препятствий по предполагаемой трассе, необходимость установления нарушенного верхнего слоя почвы, что особенно актуально в условиях городской инфраструктуры, т.к. это большой объем земляных работ и длительные сроки строительства. Пути поиска решения этих проблем привели к появлению нового конструктивного прогрессивного решения. Так, китайцам из-за сильной деформации русла течения реки Янг пришлось отказаться от традиционного способа прокладки путепровода. Было принято решение сделать это методом продавливания. Под землей проводится стальной кожух, в котором затем размещается нефтепровод или водопровод. Под землей был проведен кожух длиной 580 м и диаметром 2600 мм. Его продавливание выполнялось из рабочей шахты диаметром 16 м в приемную шахту диаметром в 2 раза меньше. Глубина расположения оси продавливаемого кожуха составляла 8 м ниже дна реки, а в целом нужно отметить, что эта технология была энергоемкая, так как трубы длиной по 4,5 м спускались в шахту, сваривались и продавливались 6 гидравлическими домкратами, каждый из которых создавал гигантские усилия в 30 килоньютонов. Для уменьшения трения между кожухом и грунтом применялся раствор бентонитовой глины. Это решение оказалось слишком энергоемким: избежав большого объема земляных работ в русле реки, строители столкнулись с большим объемом работ при строительстве работ котлована и больших усилий для проталкивания кожуха. Кроме того, тогда технология продавливания осуществлялась вслепую.
Дальнейшее развитие инженерной мысли привело к созданию технологии прокладки методом направленного бурения, которая была лишена всех вышеперечисленных недостатков. Впервые этот метод был применен при сооружении нефтепровода по дну реки в штате Калифорния в 1971 году, где трубопровод длинной 180 м и диаметром 100 мм был уложен в предварительно проделанную скважину. Первоначально данный метод применялся в основном в нефтегазовой промышленности. Так как наиболее проблемными участками при строительстве трубопровода всегда являлись сооружения переходов через водные преграды, то именно здесь метод направленного бурения получил наиболее активное внедрение. В штате Алабама при строительстве газопровода диаметром 254 мм наибольшие трудности возникли при пересечении реки Алабама, ширина которой на участке составляет 210 м, а глубина — 12 м, высота же обоих берегов достигала от 6 до 9 м. Из-за бурного течения реки, вызывающего сильный размыв нарушенного донного грунта, производство земляных работ по устройству подводной траншеи считалось нежелательным, и было принято решение о прокладке трубопровода методом горизонтального бурения. Весь технологический процесс строительства перехода длился две недели при ведении работ только в дневное время. Для сравнения нужно отметить, что для сооружения подводного перехода по традиционной траншейной схеме прокладки потребовалось бы около 10 недель при круглосуточном графике работ. Также стоимость земляных работ по заглублению трубопровода в траншею дна реки в три раза превысила бы расходы на выполнение буровых работ. И принципиально нужно отметить, что в данном случае в процессе строительства перехода с помощью технологии наклонного направленного бурения дно и берег реки не подвергались никаким неблагоприятным внешним воздействиям. Следующий яркий пример применения этого метода — река Магдалена, где был сооружен трубопровод диаметром 600 мм и длинной 670 м. Данная река отличается резкими сезонными колебания низких и высоких уровней воды с заполнением обширных земель. Трубопровод был проложен на глубине 35 м, что составляет более 10 м ниже самой высокой точки русла. Все работы по строительству трубопровода были завершены за 14 дней. Также показателен пример Венесуэлы, где при прокладке подводного перехода диаметром 560 мм через главную водную артерию страны реку Ориноко был выбран метод направленного горизонтального бурения из- за высокой плотности судоходства на данной реке.
Результаты технико-экономического анализа, который проводился Всероссийским научно-исследовательским институтом строительства трубопроводов, подтверждают преимущества метода горизонтального направленного бурения. При этом объем земляных работ составляет всего 1,5%. В целом применение метода горизонтального направленного бурения для сооружения трубопроводов позволяет существенно сократить как сроки строительства, так и объемы земляных работ. Кроме того, это создает предпосылки для круглогодичного строительства и не оказывает отрицательного воздействия на состояние водоема.
Специалист по ГНБ ИП «Классикстройсервис» Роман Фризен:
— Технология горизонтального направленного бурения (ГНБ) проста и понятна и завоевала большую популярность за рубежом. Вот уже более 30 лет там никому и в голову не придет для прокладки каких-либо коммуникаций вскрывать асфальт, менять транспортные потоки, создавая при этом массу неудобств. Преимущества работы таких буровых комплексов очевидны и неоспоримы. Им не страшны наземные и подземные препятствия — районы плотной жилой застройки, автотрассы, железнодорожное полотно, реки, дамбы, каналы. Не возникает проблем при встрече со скалами, плавунами, оврагами и т.д. Метод ГНБ позволяет существенно сократить объем работ, давая около 30% экономии финансовых средств. Работы, на которые при траншейном методе уходят месяцы, проводятся в считанные дни. Технология горизонтального направленного бурения состоит из нескольких этапов.
Подготовительный этап
Перед началом работ тщательно изучаются свойства и состав грунта, дислокация существующих подземных коммуникаций, оформляются соответствующие разрешения и согласования на производство подземных работ. Осуществляется выборочное зондирование грунтов и при необходимости шурфление особо сложных пересечений трассы бурения с существующими коммуникациями. Результаты этих работ имеют определяющее значение для выбора траектории и тактики строительства скважины. Особое внимание следует уделить оптимальному расположению бурового оборудования на строительной площадке и обеспечению безопасных условий труда буровой бригады и окружающих людей. Строительство подземных коммуникаций по технологии горизонтального направленного бурения осуществляется в три этапа: бурение пилотной скважины, последовательное расширение скважины и протягивание трубопровода.
Бурение пилотной скважины
Это наиболее ответственный этап работы, от которого во многом зависит конечный результат. Оно осуществляется при помощи породоразрушающего инструмента — буровой головки со скосом в передней части и встроенным излучателем. Буровая головка соединена посредством полого корпуса с гибкой приводной штангой, что позволяет управлять процессом строительства пилотной скважины и обходить выявленные на этапе подготовки к бурению подземные препятствия в любом направлении в пределах естественного изгиба протягиваемой рабочей нити. Буровая голова имеет отверстия для подачи специального бурового раствора, который закачивается в скважину и образует суспензию с размельченной породой. Буровой раствор уменьшает трение на буровой головке и штанге, предохраняет скважину от обвалов, охлаждает породоразрушающий инструмент, разрушает породу и очищает скважину от ее обломков, вынося их на поверхность. Контроль местоположения буровой головки осуществляется с помощью приемного устройства локатора, который принимает и обрабатывает сигналы встроенного в корпус буровой головки передатчика. На мониторе локатора отображается визуальная информация о местоположении, уклоне, азимуте буровой головки. Эта информация также отображается на дисплее оператора буровой установки. Эти данные являются определяющими для контроля соответствия траектории строящегося трубопровода проектной и минимизируют риски излома рабочей нити. При отклонении буровой головки от проектной траектории оператор останавливает вращение буровых штанг и устанавливает скос буровой головки в нужном положении. Затем осуществляется задавливание буровых штанг без вращения с целью коррекции траектории бурения. Строительство пилотной скважины завершается выходом буровой головки в заданной проектной точке.
Расширение скважины
Осуществляется после завершения пилотного бурения. При этом буровая головка отсоединяется от буровых штанг, и вместо нее присоединяется риммер — расширитель обратного действия. Приложением тягового усилия с одновременным вращением риммер протягивается через створ скважины в направлении буровой установки, расширяя пилотную скважину до необходимого для протаскивания трубопровода диаметра. Для обеспечения беспрепятственного протягивания трубопровода через расширенную скважину ее диаметр должен на 25-30% превышать диаметр трубопровода.
Протягивание трубопровода
Hа противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая к протягиванию плеть трубопровода. К переднему концу плети крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом и риммером. Вертлюг позволяет вращаться буровой нити и риммеру и в то же время не передает вращательное движение на трубопровод. Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть протягиваемого трубопровода по проектной траектории.
Директор Центрального научно-исследовательского института комплексного использования водных ресурсов Михаил Калинин:
— На семинаре я представляю Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды и, в частности, Центральный научно-исследовательский институт комплексного использования водных ресурсов. Естественно, я хотел бы остановиться на вопросах водных объектов, расположенных в республике. В настоящее время в Беларуси протекает почти 21 тысяча рек, расположено около 11 тысяч озер, 1,5 тысячи прудов и более 150 водохранилищ. Хотел бы обратить ваше внимание на то, что в крупных реках идет постоянное движение донных наносов, то есть происходит постоянная смена высоких и низких мест. Их называют перекаты и плесы. Если трубопровод проложен по руслу реки, то, естественно, этот трубопровод подвергается то заносу, то провисанию. Кроме того, трубопровод влияет на скорости, которые находятся в придонных отложениях реки. Если река небольшая, то при прокладке трубопровода может происходить подпор реки, меняется ее водообмен, и те, кто живет в реке, конечно, негативно все это воспринимают. В Республике Беларусь сейчас насчитывается около 650 переходов через водные объекты, а именно магистральных трубопроводов. Я думаю, поскольку наше государство является европейским и имеет трансграничный аспект, то количество переходов, конечно, будет увеличиваться. Это будет связано и с газопроводами, и с трубопроводами и другими коммуникациями. И все это будет проходить через водные объекты. Все действующие трубопроводы были проложены 20-50 лет назад и, естественно, устарели. Они могут вызывать опасность прорыва, особенно нефтепродуктов. Кроме того, трубопроводы проходят и через болота, овраги, лесные массивы, дороги, по территории действующих предприятий, и тот способ, о котором сегодня идет речь, является действительно прогрессивным с точки охраны окружающей среды. Как специалист считаю, что его необходимо как можно шире внедрять и постепенно заменять старые существующие способы.
Главный инженер ИП «Классикстройкомплект» Николай Савицкий:
— Метод, который мы используем, очень важно применять не только в природе, но и в городах, особенно в мегаполисах. Например, городские дороги от пригородных отличаются тем, что под конструктивными слоями дорожной одежды на городских улицах и дорогах располагается достаточно большое количество подземных инженерных сетей и сооружений (водопроводы, канализационные сети, всевозможные кабели: силовые, телефонные и пр., газопроводы, тепловые сети и т.д.). Надо признать, что в действительности показатели ровности пригородных дорог зачастую лучше, чем городских. И в первую очередь потому, что городские дороги и улицы после траншейного восстановления вслед за работами по ремонту подземных коммуникаций, находящихся в зоне проезжей части дорог и тротуаров, не соответствуют требованиям по предельным значениям показателей эксплуатационного состояния. Поэтому немаловажно при прокладке и переустройстве подземных инженерных сетей и сооружений, строительстве и ремонте дорожных покрытий и благоустройстве городских территорий использовать закрытый способ прокладки подземных инженерных сетей при пересечении проезжей части магистральных улиц городского значения.
В настоящее время существуют более совершенные (современные) технологии прокладки инженерных сетей и сооружений закрытым способом. Особо следует отметить культуру производства работ, связанных с вскрытием городских дорог и последующим их восстановлением. Зачастую при ремонте подземных сетей в пределах проезжей части стенки грунта и конструктивных слоев дорожной одежды не закрепляются, и происходит их разрушение. Не менее важным обстоятельством является и то, что на вскрытых участках дорог и тротуаров нарушается однородность показателей физико-механических свойств грунта и конструктивных слоев дорожной одежды, следствием чего и является появление через определенный промежуток времени после восстановления просадок, ухудшающих показатели ровности покрытия. В настоящее время существует целый ряд новых технологий, позволяющих закрытым способом без вскрытия дорог ремонтировать инженерные подземные сети и коммуникации. Необходимо отметить, что строительные работы по восстановлению коммуникаций следует проводить постоянно, так как большинство действующих трубопроводов уже отработало свой физический ресурс. Возникает вопрос: как отремонтировать или проложить новые коммуникации в условиях плотной городской застройки, не вредя красоте города и создавая минимум неудобств пешеходам и движению автотранспорта? Существуют бестраншейные методы восстановления и прокладки новых подземных коммуникаций. Основной бестраншейный метод, который получил наибольшее распространение — метод горизонтального направленного бурения.
Горизонтальное направленное бурение — технология бестраншейной прокладки трубопроводов и кабелей любого назначения с возможностью изменять направление бурения, обходя препятствия. ГНБ — это бестраншейная прокладка трубопроводов и кабелей в стесненных городских условиях: без разрушения дорожного полотна, без разрушения железнодорожных и трамвайных путей, без разрушения ландшафтов в садах, скверах, площадях; прокладка инженерных коммуникаций под дном водоемов; прокладка коммуникаций над, под или между другими трубопроводами и кабелями без вскрытия пересекаемых сетей, прокладка трубопроводов под сооружениями ниже их фундамента, бурение из колодца в колодец. Для экономичного использования технологии бестраншейной прокладки трубопроводов решающее значение имеет детальное изучение свойств и состава грунта. Геофизические исследования позволяют провести послойное вертикальное или горизонтальное изучение грунтов на предмет выявления препятствий — таких, как трубопроводы, трубы, шахты и т.д. Горизонтальное направленное бурение позволяет производить работы по прокладке подземных коммуникаций в обход препятствий. Эта технология позволяет не только прокладывать магистральные трубопроводы, но и работать в условиях плотной городской застройки с большой насыщенностью различных подземных коммуникаций. Технология ГНБ позволяет бурить прямолинейные и криволинейные скважины в горизонтальной и вертикальной плоскостях нужной конфигурации для стальных и полиэтиленовых труб. Таким образом можно достичь желаемого результата, не прекращая движения транспорта и пешеходов, не уродуя прекрасного облика города и не разводя привычной строительной грязи.
В чем суть технологии горизонтального направленного бурения? На основании предоставленной подосновы разрабатывают проект трассы. На поверхности устанавливают машину и начинают работу: бурение пилотной скважины; расширение пилотной скважины; протаскивание трубопровода. Казалось бы, все очень просто! Но перед тем как начинать бурение, надо в обязательном порядке уточнить истинное местоположение коммуникаций различными методами: визуальными и геофизическими. Во время бурения также могут встречаться самые разные «сюрпризы» вплоть до археологических, особенно если работа ведется в исторической части города. Высокие темпы проведения работ, сравнительно низкая их стоимость и высокая экологичность дают специалистам право утверждать, что в данной сфере деятельности будущее за горизонтальным направленным бурением.
За последнее время наша фирма добилась многого — у нас есть весь спектр специальных машин и оборудования для выполнения всего спектра работ по протяжке коммуникаций диаметром до 1220 мм. Немаловажно и то, что для работы на этом высокотехнологичном оборудовании у нас есть подготовленные кадры, которые не только обслуживают эту технику, но и проводят организационные работы. Что касается успехов за последнее время, то особо следует отметить наши проекты по прокладке коммуникаций через водные сооружения Березины, Минско-Вилейский канал, Двину и др. Длина трубопроводов на некоторых объектах достигала 300 м. В настоящее время занимаемся подготовкой еще нескольких подводных переходов. Хочется отметить, что в процессе работ возникают проблемы при подготовке проектно-сметной документации, которые необходимо решать нам как с заказчиками, так и с проектными организациями. Дело в том, что в процессе строительства возникает много проблем, которые можно решить до их возникновения. В частности, при производстве отдельных работ возникает несоответствие действительности грунтов, которые указаны в проекте. Возникают препятствия, которые можно в процессе проектирования обойти или спроектировать другой профиль, ведь главная отличительная черта горизонтального направленного бурения — возможность изменения направления в ходе бурового процесса с огибанием каких-то подземных препятствий. Тем более, что это высокотехнологическое оборудование максимально использует автоматизацию процесса и в принципе при небольших диаметрах мы можем проходить в смену до 100 м. Сложности, которые возникают при работе с другими системами подземной прокладки, нас касаются в меньшей степени. Например, нам не нужно копать котлован под технику, делать водопонижение, если мы проходим влагонасыщенные грунты, мы можем в грунтах обходить какие-то препятствия несмотря на наличие различных остатков железобетонных конструкций. В настоящее время мы осуществляем покупку георадара, который в определенных условиях облегчит нам работу как в городских условиях, так и при прохождении каких-то сложных участков. С его помощью мы сможем отслеживать подземные препятствия, будь то коммуникации или природные преграждения, и вовремя принимать правильные технические решения. Сегодня поступает много заявок на выполнение данного вида работ, но, когда уже выполнена проектно-сметная документация на выполнение работ другим методом, возникает много нюансов. Это в первую очередь согласование или пересогласование. Дело в том, что наша техника предназначена для выполнения серьезных работ, а не для того, чтобы проходить участки 10 или 15 метров. В ближайшей перспективе развития нашей компании планируется покупка нового оборудования для протягивания коммуникаций диаметром 1420 мм. Это в первую очередь магистральные нефтепроводы, продуктопроводы и другие сооружения, которые будут особенно востребованы в ближайшее время.
Участники семинара ознакомились и обсудили опыт использования метода ГНБ как в Республике Беларусь, так и в ближнем зарубежье. В частности, было отмечено, что практическое использование метода ГНБ в стране началось в 2003 году при сооружении напорной канализации из труб ПНД диаметром 600 мм и длиной 95 м в Бресте, которое было осуществлено силами и средствами ИЧУПП «Классикстройкомплект». За прошедшие 2,5 года методом ГНБ было сооружено более 25 объектов, в том числе: дождевая канализация из труб ПНД диаметром 400 мм длиной 104 м в г. Минске (Минскметрострой), самотечная канализация из труб ПНД диаметром 400 мм длиной 120 м в г. Минске (управление капитального строительства г. Минска), дождевая канализация из труб ПНД диаметром 500 мм длиной 45 м в Несвиже (Министерство культуры РБ), резервный водопровод из труб ПНД диаметром 110 мм длиной 130 м в г. Минске (КПД-1 ОАО «МАПИД»), подводный переход р. Западная Двина газопровода высокого давления диаметром 219 мм в футляре диаметром 426 мм протяженностью 350 м 2 нити (УП «Витебскоблгаз»), футляр для кабелей связи диаметром 63 мм протяженностью 150 м 2 нити (РУП «Минсктелекомстрой»). За этот период сооружение переходов различных трасс через препятствия с использованием метода ГНБ осуществили более 30 строительных организаций, в том числе в Витебской области: 4; в Минской области: 6; в Могилевской области: 5; в Гомельской области: 6; в Гродненской области: 4; в Брестской области: 5, в городе Минске: 22. На семинаре было отмечено, что в стране наблюдается нарастание масштабов использования метода ГНБ: в 2001 году с его помощью было сооружено 5 объектов; в 2002 — 6 объектов; в 2003 — 12 объектов; в 2004 — 19 объектов. В 2005 году намечено соорудить около 30 объектов. В настоящее время имеется практическая возможность использовать достаточно широкий ряд оборудования для прокладки коммуникаций методом горизонтального направленного бурения, который позволяет сооружать переходы для трубопроводов и других коммуникаций всего диапазона диаметров, имеющихся в Беларуси. В целом участники семинара отметили, что в Республике Беларусь успешно внедрена технология прокладки коммуникаций методом ГНБ. ИП «Классикстройкомплект» накоплен определенный практический опыт ее применения.
Записал Александр ПАНИЧ, фото Сергея ШАРУБЫ
обсуждение статьи
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 27 за 2005 год в рубрике новости
