Способ закрепления трубопроводов

 

Изобретение относится к строительству и используется при сооружении подземных трубопроводов. Отрывают траншею ступенчатого профиля, верхняя ступень которой является траншеей обратной засыпки и выполнена прямоугольного или трапециевидного профиля, а нижняя – прямоугольного профиля. Уплотняют основание под трубопровод плитой, которая выполнена с выпуклой обечайкой с радиусом, равным наружному диаметру трубопровода. Прямоугольный профиль нижней ступени траншеи меняют на полукруглый. Укладывают трубопровод в нижнюю ступень траншеи полукруглого профиля и производят послойную обратную засыпку траншеи грунтом с обеих сторон трубопровода с разравниванием грунта. Уплотняют слой грунта рабочей плиткой с вогнутой обечайкой с радиусом, равным наружному диаметру трубопровода. Отсыпают и уплотняют второй и последующие слои. Уплотнение последнего слоя засыпки производят плоской рабочей плитой. После достижения высоты слоя уплотненного грунта над трубопроводом не менее 0,3 м траншею досыпают до конца и утрамбовывают плоской рабочей плитой или виброкатком. Повышает надежность закрепления трубопровода. 9 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области строительства магистральных трубопроводов, прокладываемых в обводненных и необводненных грунтах.

Известны способы и устройства для закрепления трубопроводов в требуемом (проектном) положении (1, 2, 3, 4, 5), включающие устройство экскаватором обратная лопата заданного проектом профиля траншеи, укладку в нее трубопровода трубоукладчиками, закрепление трубопровода в проектном положении железобетонными пригрузами (УБО, АСГ, УБК) или анкерными устройствами и обратную засыпку трубопровода грунтом без его уплотнения. При этом размеры поперечного профиля траншеи согласно СНиП 2.05.06-85 должны приниматься следующими:

а) для трубопроводов, прокладываемых в обводненных грунтах, фиг.1:

- глубина траншеи (h_тр):

- ширина траншеи понизу (в_тр):

- ширина траншеи поверху (B_тр):

б) для трубопроводов, прокладываемых в необводненных грунтах, фиг.2:

- глубина траншеи (h_тр):

- ширина траншеи понизу (в_тр):

- ширина траншеи поверху (В_тр):

где h_з - высота слоя засыпки над трубопроводом, принимаемая равной 1,0 м для трубопроводов диаметром ≥1,02 м и 0,8 м - для трубопроводов диаметром менее 1,02 м; D_тр - наружный диаметр трубопровода; m - заложение относа траншеи.

Недостатками известных способов и устройств закрепления трубопроводов являются большие объемы земляных работ (на 1 м.п. траншеи требуется разработать 10,5 м³ грунта для трубопровода диаметром 1,42 м), большие затраты на закрепление трубопроводов железобетонными пригрузами (на 1 км трубопровода затраты составляют порядка 30% его сметной стоимости), ненадежное закрепление трубопровода в проектном положении из-за неуплотнения грунта вокруг трубопровода и по всему объему траншеи, недостаточного зазора между откосами траншеи и железобетонными балластирующими элементами и их нежесткого закрепления на трубопроводе, а при закреплении трубопровода винтовыми анкерами последние теряют свою балластирующую способность в результате температурных (продольные и поперечные) деформаций трубопровода при прохождении по нему горячего продукта (газа, нефти).

Наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому является закрепление трубопровода способом “Утрамбованного дна траншеи”, включающим устройство землеройной техникой траншеи, уплотнение дна траншеи таким образом, чтобы оно совпадало с профилем трубопровода на короткой дуге окружности, укладку трубопровода в траншею и уплотнение грунтовой засыпки вокруг трубопровода вручную или легкими плоскостными вибраторами (2).

Способ “Утрамбованного дна траншеи” имеет следующие недостатки. Большие объемы земляных работ в связи с устройством траншеи глубиной, равной (h_з+D_тр). Использование неэффективного ручного уплотнения грунта вокруг трубопровода и малопроизводительных легких плоскостных вибраторов. Ручное вытрамбовывание необходимого профиля дна траншеи, совпадающего на небольшой дуге с наружным диаметром трубопровода.

Цель изобретения - снижение затрат на закрепление трубопровода в проектном положении, прокладываемого в обводненных и необводненных грунтах, и повышение надежности его работы в строительный и эксплуатационный периоды.

Сущность изобретения заключается в определенной последовательности производственных операций, состоящих из устройства, в зависимости от вида, состояния и степени обводнения грунта и диаметра трубопровода, экскаватором обратная лопата специального профиля траншеи, вытрамбовывания и формирования основания, совпадающего с наружным диаметром трубопровода на половину его диаметра, навесной вибротрамбовкой, оснащенной рабочей плитой с выпуклой формой с радиусом, равным наружному радиусу трубопровода (включая его изоляцию), укладки трубопровода трубоукладчиками трубопровода в траншею по существующей технологии, послойной обратной засыпки трубопровода грунтом и послойного уплотнения грунта обратной засыпки навесной вибротрамбовкой, имеющей рабочую плиту с вогнутой формой и радиусом вогнутости, равным наружному диаметру трубопровода (включая его изоляцию), а при достижении высоты слоя над верхом трубопровода 0,3 м дальнейшее уплотнение грунта обратной засыпки проводится навесной вибротрамбовкой с плоской горизонтальной обечайкой рабочей плиты или вибрационным катком (прицепным или самоходным) с целью интенсификации работ по уплотнению грунта обратной засыпки.

При этом за счет использования удерживающей способности грунта обратной засыпки при его виброуплотнении до требуемой (по условию устойчивости) плотности обеспечивается жесткое закрепление трубопровода в заданном проектном положении, что позволяет полностью отказаться от использования различных видов балластировки трубопроводов железобетонными пригрузами и анкерами, этим также сокращаются подготовительный период строительства трубопровода, отпадает зависимость от наличия и поставок комплектующих балластировочных изделий и необходимость корректировки графика строительства трубопровода при их отсутствии.

Кроме того, качественное уплотнение грунта вокруг трубопровода и по всему профилю траншеи и, как следствие этого, равномерное нагружение и жесткое закрепление трубопровода по трассе в значительной мере повышают надежность работы трубопровода в строительный и эксплуатационный периоды в связи с совместной работой трубопровода с грунтом. Это также позволяет учитывать присоединенную массу грунта при прочностных расчетах трубопровода.

При этом за счет устройства специального профиля траншеи под укладку трубопровода объемы земляных работ по выемке грунта уменьшаются не менее чем 1,55 раза, а по обратной засыпке - в 1,6 раза при прокладке трубопровода в несвязных обводненных грунтах и в 1,75 раза - в связных обводненных грунтах. Объемы земляных работ по выемке и обратной засыпке грунта при прокладке трубопроводов в необводненных грунтах уменьшаются в 1,35 раза. Возможно также дополнительное уменьшение объемов земляных работ на 20-30% за счет уменьшения толщины слоя обратной засыпки на 20-30 см. Сокращаются также затраты на водоотлив, выполняемый с целью осушения траншеи при прокладке трубопровода в обводненных грунтах.

На фиг.1 показан поперечный профиль и даны размеры траншеи, устраиваемой по существующей технологии, при прокладке трубопровода в обводненных грунтах и его закреплении в проектном положении железобетонными пригрузами (УБО).

На фиг.2 приведен поперечный профиль и даны размеры траншеи, устраиваемой по существующей технологии, при прокладке трубопровода в необводненных грунтах и закреплении трубопровода грунтом обратной засыпки без его уплотнения.

На фиг.3 представлен поперечный профиль и даны размеры траншеи, устраиваемой по предлагаемой технологии, при прокладке трубопроводов в обводненных и необводненных грунтах.

На фиг.4 показаны варианты поперечных профилей и даны размеры траншей, устраиваемых по предлагаемой технологии, при прокладке трубопроводов в обводненных и необводненных грунтах.

Для возможности сравнения на фиг. 1, 2, 3 и 4 приведены также величины площадей поперечного профиля траншей (F_тр), устраиваемых по существующей и предлагаемой технологиям.

На фиг. 5, 6 и 7 показаны последовательность выполнения технологических операций закрепления трубопровода в обводненных и необводненных грунтах по предлагаемому способу.

На фиг. 8 и 9 показаны соответственно устройство - вибротрамбовка навесная (ВТН) и формы рабочих сменных плит, предназначенных для закрепления трубопровода по предлагаемому способу, прокладываемого в обводненных и необводненных грунтах.

Технологические операции закрепления трубопровода, прокладываемого в обводненных и необводненных грунтах, предлагаемым способом и устройством для его осуществления, выполняются в следующей последовательности:

- устройство, в зависимости от вида и состояния грунта, а также диаметра трубопровода экскаватором обратная лопата ступенчатого профиля траншеи, возможные варианты которой показаны на фиг. 2, 3 и 4, а для варианта, представленного на фиг. 3, поперечный профиль траншеи состоит из двух ступеней:

а) верхней трапециальной (1-2-3-4, фиг.3), назовем ее траншеей обратной засыпки, размеры которой необходимо принимать следующими:

- глубина траншеи (h^0,3_тр):

- ширина траншеи понизу (в^0,3_тр):

- ширина траншеи поверху (В^0,3_тр):

б) нижней прямоугольной (а-б-в-г, фиг.3), служащей основанием для трубопровода с размерами, определяемыми по формулам:

- глубина траншеи (h⁰_п):

- ширина траншеи (в⁰_п):

А для вариантов, показанных на фиг.4а и 4б, размеры траншеи обратной засыпки следует определять по формулам:

где а - коэффициент запаса ширины гусеничного или пневмоколесного хода базовой машины с навесной вибротрамбовкой;

в_эк - ширина хода базовой машины, на которую навешивается вибротрамбовка;

б, а, с - коэффициенты, зависящие от вида и состояния грунта, высоты и ширины зубьев ковша экскаватора;

- вслед за устройством необходимого профиля нижней ступени траншеи навесной вибротрамбовкой (поз. 1, фиг.5б), навешиваемой, например, на экскаватор ЭО-3322 (поз. 2, фиг.5б), имеющей выпуклую обечайку (поз. 3, фиг.5б) с радиусом, равным наружному диаметру трубопровода, включая изоляцию, и жестко прикрепленной к рабочей плите (поз. 4, фиг.5б), вытрамбовывается основание, до заданных проектом плотности и отметок, под трубопровод, и одновременно с этим происходит трансформация прямоугольного профиля нижней ступени траншеи (а-б-в-г, фиг.5а) в полукруглый (а-б-в, фиг.5б) на половину диаметра трубопровода, при этом скорость вытрамбовывания основания под трубопровод составляет не менее 125 м.п. в час (или 1000 м.п. в смену);

- затем по существующей технологии трубоукладчиками укладывается трубопровод в нижнюю ступень траншеи полукруглого профиля с уплотненным, до требуемой проектом плотности, основанием (поз. 5, фиг.5в);

- далее экскаватором обратная лопата производится послойная обратная засыпка траншеи грунтом с обеих сторон уложенного трубопровода и разравнивание грунта, причем грунт, примыкаемый к трубопроводу, не должен содержать крупные фракции, допустимые размеры которых устанавливаются опытным путем, а толщина первого слоя обратной засыпки (после разравнивания) в зависимости от диаметра трубопровода принимается равной (0,25-0,50) D_тp (поз. 6, фиг.6а);

- после отсыпки и разравнивания первого слоя производится его уплотнение навесными вибротрамбовками (поз. 7, фиг.6б), оснащенными рабочими плитами (Р.П.) с вогнутой обечайкой (поз. 8, фиг.6б) с радиусом, равным наружному радиусу трубопровода, при этом вогнутая обечайка позволяет уплотнять грунт в непосредственной близости к трубопроводу, так как в этом случае создаются сжимающие нормальные напряжения и тем самым исключается скольжение грунта по трубопроводу, вследствие действия чего возможно было бы повреждение изоляции трубопроводов;

- аналогичным образом осуществляется отсыпка и уплотнение второго слоя (поз. 9, фиг.6в);

- затем образовавшиеся в результате уплотнения углубления во втором слое засыпаются грунтом (поз. 10, фиг.7а), слой разравнивается, и проводится повторное уплотнение этого слоя по всей его поверхности навесной вибротрамбовкой плоской рабочей плитой (поз. 11, фиг.7б), при этом толщина отсыпки (поз. 12 и 13, фиг.7в) второго и следующего за ним слоев (поз. 12 и 13, фиг.7в) принимается равной (0,25-0,50) _тр, а их уплотнение после достижения высоты слоя над трубопроводом, равной 0,3 м, может осуществляться не только вибротрамбовкой с плоской рабочей плитой, но и виброкатком (прицепным или самоходным) с целью интенсификации работ по уплотнению грунта обратной засыпки при необходимости в этом;

- при производстве работ в зимнее время отсыпка первого слоя и обсыпка трубопровода производится песчаным или глинистым талым грунтом, для этого по трассе трубопровода создаются необходимых объемов грунтозапасники, которые утепляются, например, рулонным материалом алвеолитом или алвеоленом, теплопроводность которого (λ_А) в 25 раз ниже теплопроводности минеральной ваты (λ_мв), а развозка талого грунта по трассе может осуществляться на автотранспорте или специально сконструированной грунтовой тележке, перемещаемой вдоль трассы с помощью любого тягового механизма (трактора, автомобиля, трубоукладчика), причем после обсыпки трубопровода и отсыпки первого слоя талым грунтом отсыпка второго и следующих слоев принимается равной (0,25-0,50) D_тp, а их уплотнение выполняется навесной вибротрамбовкой с вогнутой обечайкой рабочей плиты и с плоской рабочей плитой;

- после уплотнения каждого слоя осуществляется контроль качества уплотнения грунта обратной засыпки методом режущих колец по ГОСТ 5180-84, при этом количество проб на 1000 м.п. трассы трубопровода на первоначальном этапе можно принять равным 25-30 штук, примерно одна проба на 200 м³ уплотненного грунта или 7-8 проб на 1 слой, а затем по мере накопления опыта производителем работ и службой геотехконтроля объем проб уменьшается и отбирается из расчета одна проба на 250-300 м грунта.

Устройство (фиг.8) - вибротрамбовка навесная (ВТН) для осуществления способа закрепления трубопроводов, прокладываемых в обводненных и необводненных грунтах, включающее базовую машину, например, экскаватор ЭО-3322 (позиция на фиг.8 не показана), вибротрамбовку (поз. 15), вибровозбудитель (поз. 16), рабочую плиту (поз. 17), неподвижную плиту (поз. 18), траверсу (поз. 19), гидрооборудование (поз. 20), оснащаемое сменными рабочими плитами, жестко прикрепляемыми болтами к корпусу вибратора, при этом рабочие плиты изготавливаются различной формы и имеют выпуклую, вогнутую и плоскую обечайки (фиг.8 и 9), действующие непосредственно на грунт, причем радиус выпуклости вогнутости обечайки определяется диаметром закрепляемого трубопровода, а угол α (фиг.9а) и угол Θ (фиг.9б) - наклоном поверхности элемента конструкции сооружения, вблизи которой предусматривается выполнять уплотнение грунта, причем рабочая плита с выпуклой обечайкой предназначена для устройства основания под трубопровод на половину его диаметра, включая его изоляцию, а с вогнутой (фиг.9а, в и д) - для уплотнения грунта обратной засыпки в примыкании к трубопроводу по его бокам и в верхней части и, следовательно, его жесткого закрепления в проектном положении. Плита с плоской горизонтальной обечайкой и плоскими наклонными обечайками, имеющими центральный угол Θ (фиг.9), предназначены для уплотнения грунта над трубопроводом или другими элементами конструкции, причем безопасное допустимое расстояние от обечайки рабочей плиты до поверхности трубопровода или элемента конструкции в каждом конкретном случае устанавливается опытным путем и с учетом зернового состава уплотняемого грунта.

Коэффициент запаса устойчивости трубопровода (К_у), закрепленного по предлагаемому способу, с учетом плотности (ρ_i) и угла внутреннего трения (ϕ_i), высоты засыпки грунта (h_з), диаметра и массы трубопровода (М_тр) в зависимости от уровня грунтовых вод (УГВ) необходимо определять по следующим формулам:

- при уровне грунтовых вод до 0,5 D_тр:

- при уровне грунтовых вод, равном D_тр:

при уровне грунтовых вод, изменяемом D_тр до 0,99 (h₃+D_тр):

- при уровне грунтовых вод, равном и большем (h₃+D_тр):

где ρ_Wi и ρ_вi - соответственно плотность необводненного и обводненного грунта, т/м³; ϕ_w и ϕ_вi - соответственно угол внутреннего трения необводненного и обводненного грунта, град; М - масса трубопровода, т; h_в - высота слоя воды над верхом трубопровода, м; ρ_в - плотность воды, т/м³.

Формула изобретения

Способ закрепления трубопроводов, включающий проходку одноступенчатого профиля траншеи, укладку в нее трубопровода, закрепление трубопровода, засыпку трубопровода грунтом, отличающийся тем, что, с целью снижения затрат на закрепление трубопровода, прокладываемого в обводненных и необводненных грунтах, и повышенной надежности его работы, траншея устраивается ступенчатого профиля, причем верхняя ступень, являющаяся траншеей обратной засыпки, выполняется прямоугольного или трапециевидного профиля, а нижняя выполняется прямоугольного профиля, после этого вытрамбовывается основание под трубопровод вытрамбовкой, оснащенной рабочей плитой с выпуклой обечайкой с радиусом, равным наружному диаметру трубопровода, при этом прямоугольный профиль нижней ступени траншеи меняется на полукруглый, затем укладывается трубопровод в нижнюю ступень траншеи полукруглого профиля, далее производится послойная обратная засыпка траншеи грунтом с обеих сторон трубопровода и разравнивание грунта, причем толщина первого слоя обратной засыпки принимается равной от одной пятой до половины диаметра трубопровода, после этого производится уплотнение первого слоя грунта вибротрамбовкой, оснащенной рабочей плитой с вогнутой обечайкой с радиусом, равным наружному диаметру трубопровода, далее осуществляется отсыпка и уплотнение второго и последующих слоев так же, как и первого, и той же вибротрамбовкой до тех пор, пока после уплотнения последующего слоя его высота над трубопроводом станет равной 0,3 м, причем толщина каждого слоя должна быть равна от одной пятой до половины диаметра трубопровода, а уплотнение последнего слоя должно производится вибротрамбовкой с плоской рабочей плитой, после достижения высотой последнего слоя над трубопроводом величины, равной не менее 0,3 м, траншея досыпается до конца и утрамбовывается вибротрамбовкой с плоской рабочей плитой или виброкатком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9