25.2. Земляные работы

Методы разработки траншеи и котлованов в зависимости от параметров земляного сооружения и объемов работ, геологических характеристик грунтов, классификации грунтов по трудности разработки, местных условий строительства, технических возможностей землеройной техники в строительных организациях.

Параметры земляных сооружений, применяемых при строительстве магистральных трубопроводов (ширина, глубина и откосы траншеи, сечение насыпи и крутизна ее откосов и др.), устанавливают в зависимости от диаметра прокладываемого трубопровода, способа его закрепления, рельефа местности, грунтовых условий и определяют проектом. Размеры траншеи (глубина, ширина по дну, откосы) устанавливают в зависимости от назначения и диаметра трубопровода, характеристики грунтов, гидрогеологических и других условий.

В США нефтепроводы полагается прокладывать ниже уровня плодородных почв. минимальная глубина заложения в мягких грунтах должна составлять 76 см, а в скальных - 45,7 см. При пересечении дорог глубина заложения по отношению к дренажным кюветам должна быть не менее 91,5 см.

В ФРГ высота засыпки трубопроводов, уложенных в местах, где возможно действие нагрузок от движения транспорта, железных дорог и взлетно-посадочных полос, должна составлять минимум 1 м. Во всех других местах трубопровод должен быть засыпан слоем грунта высотой 0,8-1 м, на небольших участках - 0,6-2 м.

Во Франции минимальная высота засыпки трубопровода - 0,8 м. Если эта высота уменьшена, то подрядчик должен обеспечить трубопроводу дополнительную защиту в виде кожухов, патронов, полу скорлуп, бетонных плит и т.д. Если трубопровод забалластирован, то глубина его заложения исчисляется от верхней образующей балластного устройства. В том месте, где на дне траншеи сделано соединение плетей трубопровода (ликвидация захлеста), отрывается приямок длиной 1,5 м, шириной 1 м сверх обычной ширины траншеи, глубиной не менее 0,6 м.

Минимальная глубина траншеи такова, чтобы помимо указанного слоя засыпки, учитывался наружный диаметр изолированного трубопровода, его возможная кривизна в вертикальной плоскости и толщина слоя подсыпки мягкого грунта (от 10 до 15 см), если на дне траншеи скальный грунт.

Выбору глубины траншеи за рубежом придается гораздо большее значение, чем в России, так как там во много раз больше объем трубогибочных работ, трубопровод приспосабливается к профилю вырытой траншеи. Траншея, как правило, имеет стабильную глубину, практически не зависящую от рельефа местности. Это позволяет избежать планировки микрорельефа (срезки грунтов) и, следовательно, эрозии грунтов.

Иногда трубопровод может быть проложен на больших глубинах.

Так, в Канаде глубина заложения трубопровода «Эдмонтон-Саскачеван» составляла 1 м, Трансканадского газопровода - 1,2 м, газопровода диаметром 1321 мм в Кувейте - 1,2-1,5 м, трубопровода «Эль Пасо - Аризона» (США) - 1,5 м.

Согласно Американскому стандарту А8МЕ В31.4 заглубление нефтепровода до верха трубы близко требованиям СНиП 2.05.06-85* и Канадского национального стандарта САМЗ-2183-М86.

Ширина траншей и необходимые откосы стенок в зарубежных нормативах обычно не оговариваются и поэтому их варьируют в широких пределах. Многие трубопроводы укладывают в траншеи шириной на 30 см превышающей их диаметры. Однако трубопроводы диаметром 1000 мм и более чаще укладывают в траншеи на 50-60 см шире диаметров; для некоторых трубопроводов ширина траншеи по дну на 0,9 м больше диаметра.

В России СНиП откосы траншеи и котлованов нормируется по соображениям обеспечения безопасности работ внизу.

Роторные экскаваторы за рубежом имеют откосники, позволяющие получать откосы боковых стенок траншей до 1:2.

Чтобы обеспечить темп рытья траншей, равный темпу сварочных и изоляционных работ, зарубежные землеройные бригады оснащены большим количеством техники: 2-3 роторных экскаватора, 1-6 бульдозеров-рыхлителей, 5-12 одноковшовых экскаваторов. Особенностью зарубежной технологии является то, что вся эта техника, особенно роторные экскаваторы, не расставляется по отдельным захваткам, как это большей частью принято в отечественной практике, а используется в одной колонне.

Несмотря на довольно высокие темпы производства работ, трубопрбводостроительные фирмы не удовлетворены существующими машинами для разработки траншей, особенно на мерзлых грунтах с включением скальных обломков.

В РФ при сооружении трубопроводов большого диаметра (1020, 1220 и 1420 мм) для разработки траншей применяются в основном импортная мощная техника - трубоукладчики, бульдозеры, рыхлители, одноковшовые экскаваторы фирм «Komatsu», «Са1егpillar», «Каto»,•«Hitachi», «Fiat-А11еs» и др. И только роторные траншейные экскаваторы используются отечественного производства.

Особенно эффективны ЭТР при разработке траншей в вечномерзлых грунтах. В настоящее время ни один вид землеройной техники не может сравниться с роторными траншейными экскаваторами по экономическим показателям разработки мерзлых грунтов при строительстве линейной части магистральных трубопроводов. Применение машин с рабочим процессом разрушения грунта рыхлением или взрывом в условиях Крайнего Севера приводит к значительному увеличению объемов разрабатываемого грунта, размеров полосы земляных работ. Дно и стенки траншеи получаются неровными, поэтому для защиты изоляции в нижней части трубопровода под ним делают подсыпку из привозного песчанного грунта. Отвал вынутого грунта представляет собой нагромождение глыб, полученных при рыхлении мерзлых грунтов бульдозерами-рыхлителями. Для защиты изоляции при засыпке трубопровода его сверху присыпают тем же привозным песчаным грунтом. Заваленный затем крупными комьями грунта трубопровод через некоторое время обнажается из-за отсутствия эрозионно-устойчивой формы у валика грунта, против размывания талыми водами.

Схема 25.4

Дно траншеи является проектным ложем трубопровода и поэтому оно тщательно подготавливается. В США специально созданы миниатюрные бульдозеры с узким ножом для планировки дна траншей. При строительстве трубопровода на скальных грунтах дно траншеи подсыпается мягким грунтом толщиной не менее 10-15 см. Мягкий грунт подается в траншею с помощью роторного траншеезасыпателя, либо с помощью одноковшового экскаватора с последующим разравниванием вручную.

Применяется также способ отсыпки мягкого грунта не сплошным слоем, а отдельнымиподушками на расстоянии 6 м друг от друга.

Если мягкий грунт включает камни, то непосредственно его отсыпка в траншею запрещена. Грунтовая подсыпка пропускается в траншею через грохот. Считается, что величина фракции грунта должна быть не более 25 мм, их удельный вес в общем объеме грунта подсыпки не более 30%. Некоторые фирмы предъявляют к подсыпке еще более жесткие требования.

Обычно требуется, чтобы засыпку трубопровода в траншее выполняли сразу же за его укладкой. В некоторых странах существуют правила, ограничивающие длину незасыпанного трубопровода. Например, во Франции требуется, чтобы расстояние между местом производства этих двух видов работ не превышало 1 км или 1-2 рабочих дней.

При засыпке траншей бульдозеры применяют не во всех странах. Более широко используются шнековые траншеезасыпатели. Траншеезасыпатели передвигаются по отвалу грунта и сдвигают его в траншею.

Шнековый траншеезасыпатель изготавливается в виде отдельного агрегата, навешиваемого на трактор Д9 вместо ножа бульдозера. Агрегат имеет собственный двигатель. При работе шнека, в первую очередь, в траншею ссыпаются мелкие фракции грунта, а скальные обломки и валуны попадают в траншею с замедлением и поэтому не соприкасаются с поверхностью трубопровода.

В Западной Европе бульдозеры применяются редко; в некоторых странах (например, во Франции) их использование на засыпке запрещено. Наибольшее распространение получили скребковые траншеезасыпатели (бэкфиллеры), представляющие собой экскаватор с удлиненной стрелой и широким ковшом (скребком) или трубоукладчик с удлиненной стрелой, к которой подвешивается скребок, подтягивающийся по направлению к гусеницам быстродействующей лебедкой. Бэкфиллеры при работе передвигаются по монтажной полосе.

Характерным для шнековых траншеезасыпателей и бэкфиллеров является то, что для их работы не требуется дополнительного пространства на полосе строительства.

Наиболее сложной является засыпка трубопровода, проложенного в скальных грунтах. Правила требуют предварительной присыпки трубопровода мягким грунтом на высоту от 20 до 30 см над его верхней образующей.

Присыпку обычно выполняют, используя полученный при первоначальных вскрышных работах мягкий грунт. Этот грунт складируется отдельно от скального грунта рядом с траншеей.

Присыпку производят при помощи роторного экскаватора или шнекового траншеезасыпателя. Если этих машин не хватает, используются машины циклического действия (экскаваторы бэкфиллеры). Если вскрышного мягкого грунта для присыпки трубопровода недостаточно, используется привозной, разрабатываемый в карьерах, мягкий грунт или песок.

Как вариант этой технологии в странах ЕС применяют дробильные машины фирмы (например «Laurini», Италия), которые могут идти по дну траншеи или по берме траншеи («Crub 3000»),измельчать крупные куски грунта, просеивать и присыпать траншею.

На строительстве трубопровода в скалистых грунтах в США для подсыпки грунта был использован агрегат Е2 на базе трактора «Са1егрШаг О7».

24 км траншеи были подсыпаны за 47 часов работы. Агрегат Е2 представлял собой навесное оборудование с лопастным колесом (напоминает ленточный шнек), которое отделяет большие булыжники скального грунта, а мелкий грунт просеивается подается на конвейер и подсыпается в траншею.

На присыпанный трубопровод сверху отсыпаются обломки скального грунта бульдозером. Однако и тут необходимо предохранить трубопровод от динамических ударов. Для этого применяют подвижной щит над трубопроводом, который амортизирует падение камней.

Многие фирмы считают, что после засыпки необходимо уплотнить рыхлый грунт в траншее. Эту работу иногда выделяют в самостоятельную технологическую операцию. Простейший способ ее выполнения заключается в многократном прохождении гусеничного трактора по засыпанной траншее.

Траншея засыпается грунтом с таким расчетом, чтобы высота валика после уплотнения и нанесения плодородного слоя составляла 5-15 см. Считается, что со временем этот валик осядет. Если траншея засыпается в зимнее время и в болотистой местности, то оставляется валик высотой 1,2-1,5 м. Подрядчики полагают, что без этого грунт в траншее оседает и образовавшееся углубление заполняется водой, что вызывает эрозию стенок траншеи.

Самой трудной проблемой при строительстве трубопроводов в горных условиях является выполнение подготовительных и земляных работ.

Подготовительные работы включают расчистку трассы на косогорах от леса и валунов, планировку трассы с устройством выемок, насыпей, полок, устройство водоотводных канав и противообвальных сооружений, производство буровзрывных работ по рыхлению скальных грунтов, строительство подъездных дорог.

Земляные работы, выполняемые непосредственно для укладки трубопровода, включают разработку траншеи, устройство мягкой подсыпки и присыпки, устройство перемычек в траншее против размывов грунта на больших уклонах, засыпку трубопровода, зачистку трассы и рекультивацию.

При наличии не монолитных скал для рыхления грунтов используется бульдозер-рыхлитель мощностью 400-700 л.с. Он перемещается со скоростью пешехода, разрыхляя грунт на ширину 2 м. Траншея при этом разрабатывается одноковшовыми экскаваторами на минимальную глубину 2,1 м, что позволяло засыпать трубопровод толстым слоем, грунта.

На дне траншеи с определенным шагом укладываются мягкие подушки из пенообразных материалов или из других аналогичных, а на участках сплошных скальных пород их наносят еще поверх уложенного трубопровода.

Максимальная величина фракции грунта для подсыпки и присыпки, по мнению зарубежных специалистов, не должна превышать 25 мм. В ряде случаев песок укладывается на дно траншеи в негниющих мешках во избежание их вымывания на уклонах.

В Канаде и США для защиты трубопроводов в скальных грунтах от механических повреждений применяется пенополиуретан (ППУ).

Толщина ППУ подушки составляла 35-50 см в зависимости от характера грунтов. Продолжительность затвердевания материала - 1-1,5 часа в зависимости от температуры атмосферного воздуха. После укладки в траншею трубопровод и стенки траншеи покрывались вспененным полиуретаном слоем толщиной до 15 см.

На уклонах, имеющих большую крутизну, уложенный в траншею трубопровод «оголяется» в результате вымывания рыхлых грунтов дождевыми и паводковыми водами. При этом быстро повреждается изоляционное покрытие из-за соприкосновения поверхности трубы непосредственно со скальными породами; образуются вмятины в трубе от падающих сверху камней. Для устройства перемычек против размыва в траншее в США и Канаде в последнее время широко используется полиуретан. Простой и экономичный способ получения полиуретановой пены в полевых условиях разработан американской компанией «Р1ехible Products». Из емкостей под давлением в 1,6 МПа (давление создается сжатым азотом) жидкий полиуретан и вспенивающий компонент по шлангам поступают в смеситель, откуда кремообразная смесь подается в разбрызгиватель. Перемычка из пенопласта в траншею наносится в два приема. Сначала на дно поперек траншеи на ширину 0,3 м наливают слоями аэрозольную смесь, которая, поднимаясь, расширяется и через 30 секунд становится неклейкой, а затем затвердевает. После отверждения на эти подушки, располагаемые через каждые 3 м, опускают трубопровод, который, частично проминая подушки, оптимально располагается. После этого наносят верхнюю часть перемычек вокруг трубы с таким расчетом, чтобы они выступали над засыпкой на 0,3-0,6 м. Расход пены - 0,19 м3 на 1 м длины трубопровода при его диаметре 762 мм. Полное отверждение пены происходит в течение одного часа. Такие перемычки намного дешевле и надежнее, чем перемычки из мешков с песком.

Высокие темпы разработки траншеи в скальных грунтах достигается применением машин, работающих по принципу цепной пилы.

Зубья с наконечниками из карбидной стали, установленные на кольцевой цепи, прорезают щель в грунте по центру будущей траншеи шириной 305 мм и глубиной 2,4 м со скоростью 1,5 м в минуту. После этого по наружной границе траншеи пробуривают шпуры, в которые закладывают заряды ВВ.

В результате взрыва грунт измельчается, а выемка его производится экскаваторами.

Доработка траншеи часто производится узким гусеничным экскаватором или бульдозером, которые размещаются внутри траншеи.

Машины, производящие расчистку трассы, рытье траншеи, укладку трубопровода, на крутых уклонах спускают поднимают с помощью лебедок.

Для упрощения конфигурации трубопровода при прокладке через горные кряжи идут по пути увеличения объема земляных работ. Так, на строительстве нефтепровода в Канаде при пересечении хребта для придания трассе плавной конфигурации были выполнены вертикальные выемки глубиной до 7,5 м, а в отдельных местах — до 40 м.

Для тех же целей (при прокладке в горах) широкое распространение получает строительство трубопроводов в тоннельной прокладке.

В Швейцарии тоннельным способом проложено 40% всех трубопроводов, самый длинный тоннель - 12,6 км. В России этим способом проложены участки трубопровода на газопроводе Владикавказ-Тбилиси, Россия-Турция и др.

По оценкам американских специалистов, темп работы в горах по сравнению с равнинными районами снижается в 4 раз, из-за сложности трассы.