Как работает машина для микротоннелирования и когда она вам действительно нужна

Что такое микротоннельная машина и чем она отличается от другого бурового оборудования?

Машина для прокладки микротоннелей, обычно сокращенно называемая MTBM (машина для бурения микротоннелей), представляет собой систему прокладки труб с дистанционным управлением, предназначенную для прокладки подземных трубопроводов без проведения открытых раскопок. Машина прокладывает точный контролируемый туннель в почве или скале, одновременно проталкивая заранее изготовленные секции труб в образовавшуюся пустоту. Вся операция осуществляется из кабины управления на поверхности, при этом рабочие внутри туннеля не требуются, что делает его одним из самых безопасных и точных доступных методов бестраншейной установки.

Что отличает микротоннелирование от других бестраншейных методов, таких как горизонтально-направленное бурение (ГНБ) или обычный подъем труб, так это уровень точности позиционирования и его пригодность для самотечных трубопроводов. В то время как HDD протягивает гибкую трубу по заранее просверленному пути и допускает степень отклонения, система микротоннелирования управляет в реальном времени с помощью лазерного наведения и управляемой режущей головки, обеспечивая допуски по линиям и уклонам до ±25 мм. Такая точность делает его предпочтительным методом для канализационных, ливневых и технологических трубопроводов, где необходимо точно выдерживать уклон.

Основные компоненты системы микротоннелирования

Полная система микротоннелирования — это больше, чем просто режущий станок. Это интегрированная сборка компонентов, которые работают вместе на поверхности и под землей, обеспечивая безопасное и точное бурение скважины. Понимание каждой части помогает объяснить, как система достигает таких надежных результатов.

Микротоннельно-проходческая машина (МТБМ)

Сама МТБМ представляет собой подземную режущую установку. Он состоит из вращающейся режущей головки спереди, шламовой камеры непосредственно за ней и поворотного щитового корпуса, в котором расположены системы гидравлического и электрического привода. Режущая головка выбирается в зависимости от условий грунта: на мягком грунте и в смешанных забоях используются другие конфигурации резцов, чем при работе с твердыми породами. За щитом колонна труб следует непосредственно, поэтому машина всегда работает на забое скважины, в то время как готовый трубопровод растет за ней.

Подъёмная рама и пусковая шахта

Вся тяга вперед создается гидравлической подъемной рамой, установленной в пусковой шахте на поверхности. Эта рама упирается в упорную стену и толкает всю колонну труб (и МТБМ в ее головке) вперед через землю. Поддомкрачивающая рама должна быть рассчитана на максимальную ожидаемую нагрузку на привод, которая может достигать нескольких тысяч килоньютонов при длинных или сложных приводах. Пусковая шахта также служит промежуточной площадкой, где новые секции труб опускаются и добавляются к колонне по мере продвижения скважины.

Установка по сепарации шлама

Большинство микротоннельные машины используйте суспензионную систему для удаления выкопанного материала с забоя. Находящаяся под давлением суспензия — обычно смесь бентонита и воды — перекачивается с поверхности в камеру резки, где она удерживает отвалы во взвешенном состоянии и переносит их обратно на поверхность по возвратной линии. На поверхности сепарационная установка обрабатывает возвращающийся навоз, удаляет частицы почвы с помощью циклонных сепараторов и вибрационных сит и подготавливает чистый навоз для повторного использования. Эта система с замкнутым контуром контролирует забойное давление, предотвращает оседание грунта и эффективно обрабатывает широкий спектр типов грунтов.

Лазерная система наведения и управления

Точность рулевого управления достигается за счет лазерной системы наведения. В пусковой шахте установлен установленный на теодолите лазер, направленный по линии расчетного канала ствола на цель внутри МТБМ. Любое отклонение от проектного выравнивания немедленно обнаруживается и отображается на наземной панели управления. Оператор корректирует рулевое управление, регулируя выдвижение цилиндров шарнирного сочленения в щите MTBM, что позволяет машине непрерывно возвращаться на линию и выполнять профилирование на протяжении всего движения. Современные системы также включают в себя гироскопические датчики для дополнительной точности позиционирования на длинных или изогнутых приводах.

Типы микротоннельных машин по состоянию грунта

Ни одна конструкция режущей головки не работает одинаково хорошо на всех типах почвы. Выбор оборудования является одним из наиболее важных решений при планировании проекта по прокладке микротоннелей, а выбор машины, не подходящей для грунтовых условий, является основной причиной задержек проекта и перерасхода средств. Основные категории:

Условия со смешанными забоями, когда скважина проходит через почву и скалу одновременно, являются одними из самых сложных сценариев при прокладке микротоннелей. Доступны специализированные резцовые головки со смешанными торцевыми головками как с фрезами, так и с дисковыми фрезами, но они требуют тщательного управления давлением на забой и скоростью подачи, чтобы предотвратить неравномерный износ или опрокидывание машины в отверстии.

Когда микротоннелирование является правильным выбором по сравнению с открытым способом

Прокладка траншей открытым способом проще и дешевле в расчете на метр трубопровода, проложенного на новых площадках без ограничений по поверхности. Микротоннелирование становится лучшим вариантом (или единственным жизнеспособным вариантом) при выполнении любого из следующих условий:

• Автомобильные и железнодорожные переезды: Установка трубопровода под действующей дорогой, шоссе или железной дорогой без нарушения движения транспорта является одним из наиболее распространенных применений оборудования для микротоннелирования. Отверстие полностью проходит под препятствием от вала к валу без нарушения поверхности.
• Переправы через реки и водные пути: Там, где существует риск разрыва ГНБ под водотоком, более надежной альтернативой является машина для бурения микротоннелей, работающая под контролируемым давлением шлама, особенно на городских водных переходах с ограниченным рабочим пространством на берегах.
• Глубокие инженерные установки: Системы самотечной канализации часто требуют установки труб на глубине от 6 до 15 метров и более. На таких глубинах открытые раскопки требуют обширных укреплений, обезвоживания и организации дорожного движения, что намного превышает стоимость проезда микротоннеля.
• Чувствительная поверхностная среда: Уличные ландшафты наследия, взлетно-посадочные полосы аэропортов, действующие промышленные объекты и экологически чувствительные зоны могут полностью запрещать открытые выемки, что делает бестраншейное микротоннелирование единственным допустимым методом прокладки.
• Высокие грунтовые воды или неустойчивые почвы: Машины для микротоннелирования навозной жижи поддерживают забойное давление, которое уравновешивает давление грунтовых вод и почвы, предотвращая обрушение и сводя к минимуму движение грунта в мягких или заболоченных грунтах.

Материалы труб, используемые в системах микротоннелей

Труба, проложенная с помощью системы микротоннелей, должна выдерживать не только эксплуатационные нагрузки, которые она будет нести во время эксплуатации, но и значительные подъемные силы, приложенные во время установки. Это двойное требование — прочность конструкции и устойчивость к домкрату — сужает диапазон подходящих материалов для труб по сравнению с прокладкой открытым способом. Наиболее часто используемые варианты:

• Железобетонные трубы (ЖБТ): Наиболее широко используемый тип труб при прокладке микротоннелей для канализации и ливневой канализации. Бетонные домкратные трубы изготавливаются с плоскими, прецизионно обработанными стальными концевыми кольцами для равномерного распределения подъемных нагрузок по стыку труб. Доступны диаметром от 300 мм до 3000 мм и выше.
• Труба из стеклокерамической глины (VCP): Обладает высокой устойчивостью к химическому воздействию и широко используется для самотечных канализационных установок. Подъемные трубы VCP доступны в меньших диаметрах и особенно предпочтительны в агрессивных канализационных средах, где бетон со временем разрушается.
• Стальная труба: Используется для напорных трубопроводов, промышленных технологических линий и обсадных установок. Стальная труба обладает превосходной устойчивостью к подъемному усилию и может быть установлена ​​на длинных дорогах, но требует катодной защиты или футеровки в агрессивных почвенных средах.
• Полимербетон и трубы из стеклопластика: Трубы из стеклопластика (GRP) и полимербетона обладают высокой химической стойкостью и гладкими внутренними поверхностями, которые максимизируют гидравлическую мощность. Они легче бетона, но требуют осторожного обращения во избежание повреждения опорных поверхностей во время установки.

Управление подъемными силами на длинных проездах по микротоннелям

По мере увеличения длины привода микротоннеля увеличивается трение между установленной трубой и окружающим грунтом, и общая подъемная сила, необходимая для продвижения машины, увеличивается. При очень длинных приводах эта сила может превышать несущую способность трубы или предел мощности домкратной рамы. Для решения этой проблемы на расширенных дисках используются два основных метода.

Промежуточные подъемные станции (IJS)

Промежуточная подъемная станция представляет собой узел гидравлического цилиндра, встроенный в колонну труб через определенные промежутки времени во время установки. Когда нагрузка при подъеме приближается к максимальной грузоподъемности трубы, активируется IJS, который независимо толкает переднюю часть колонны труб и MTBM вперед, в то время как основная домкратная рама удерживает заднюю часть на месте. Это эффективно разбивает диск на более короткие сегменты с точки зрения управления усилиями, позволяя выполнить диски, которые в противном случае было бы невозможно выполнить за один раз. Интервалы IJS обычно располагаются через каждые 80–150 метров в зависимости от трения грунта и пропускной способности труб.

Системы впрыска смазки

Большинство micro-tunnel jacking pipes are equipped with annular lubrication ports — small injection points built into the pipe wall. A bentonite slurry is pumped through these ports under pressure, creating a lubricated annular space between the outer pipe surface and the surrounding soil. This dramatically reduces skin friction and can cut jacking forces by 40 to 70 percent on cohesive soil drives. Maintaining consistent lubrication coverage across the entire pipe string is critical; gaps in lubrication can cause localized friction spikes that are difficult to recover from without the risk of pipe damage.

Ключевые параметры проекта, влияющие на стоимость микротоннелирования

Микротоннелирование — это метод премиум-класса, требующий более высоких первоначальных затрат, чем прокладка траншей открытым способом. Понимание переменных, которые определяют эти затраты, помогает планировщикам проектов принимать более правильные решения на этапе проектирования и позволяет более реалистично составлять бюджет:

• Длина и диаметр привода: Более длинные приводы и трубы большего диаметра требуют более крупного и мощного оборудования и пусковых валов большего размера. Стоимость за метр обычно снижается на более длинных маршрутах, поскольку затраты на мобилизацию распределяются на большее количество установленных трубопроводов.
• Конструкция вала: Пусковая и приемная шахты представляют собой значительную часть затрат, часто составляющую 20–35% от общей стоимости привода. В городских условиях строительство шахт на оживленных улицах требует организации дорожного движения, отвода инженерных коммуникаций и специальных опор, что существенно увеличивает расходы.
• Состояние грунта: Сложные условия — булыжники, валуны, смешанный забой или грунтовые воды под высоким давлением — увеличивают износ машины, снижают скорость продвижения и могут потребовать дополнительных вмешательств, которые увеличивают стоимость и время программы.
• Утилизация шлама: В экологически чувствительных местах или там, где очистные сооружения расположены удаленно, утилизация загрязненного шлама, образующегося во время бурения, может оказаться значительными затратами. Некоторые проекты требуют обработки шлама на месте, прежде чем будет разрешена его утилизация.
• Мобилизация и транспортировка оборудования: Системы микротоннелирования представляют собой крупные комплексы специализированного оборудования. Мобилизация от площадки подрядчика до объекта — особенно для удаленных или международных проектов — представляет собой фиксированную стоимость, которую необходимо учитывать в экономике проекта с самого начала.

Требования к наземным исследованиям перед выбором машины для прокладки микротоннелей

Недостаточные наземные исследования являются одной из наиболее частых причин неудач в проектах строительства микротоннелей. Состояние грунта напрямую определяет, какой тип машины можно использовать, какое давление на забой прикладывать, насколько быстро машина будет двигаться и какими рисками необходимо управлять. Тщательное геотехническое исследование проекта микротоннелирования должно включать:

• Бурение скважин в предполагаемых местах пусковой и приемной шахты, а также через определенные промежутки времени вдоль трассы привода, для регистрации стратиграфии почвы и отбора проб для испытаний.
• Лабораторные испытания гранулометрического состава, индекса пластичности, прочности на неограниченное сжатие (для горных пород) и индекса истирания для оценки потенциала износа режущей головки.
• Замеры уровня грунтовых вод и испытания на проницаемость для установления режима забойного давления, необходимого для балансировки грунтовых вод во время бурения.
• Выявление любых препятствий — заброшенных фундаментов, старых водопропускных труб, коммуникаций или валунов — которые могут помешать проезду и требуют предварительной обработки или планирования на случай непредвиденных обстоятельств.
• Оценка существующих сооружений и сооружений вдоль трассы для оценки чувствительности к осадкам и определения приемлемых пределов движения грунта, в пределах которых должна оставаться система контроля забойного давления микротоннельной машины.

Достижения в области микротоннельной технологии, о которых стоит знать

Индустрия микротоннелирования значительно продвинулась за последнее десятилетие, и новые системы предлагают возможности, которые были недоступны в оборудовании предыдущих поколений. Системы удаленного мониторинга и регистрации данных теперь позволяют отслеживать в режиме реального времени параметры производительности машины — подъемное усилие, забойное давление, скорость подачи, крутящий момент режущей головки и положение рулевого управления — на нескольких приводах одновременно. Эти данные все чаще используются не только для управления проектами, но и для профилактического обслуживания, помогая операторам выявлять проблемы с развивающимся оборудованием до того, как они приведут к незапланированным простоям под землей.

Возможности изогнутого привода также значительно улучшились. В то время как ранние системы микротоннелирования в основном ограничивались прямым приводом, современные управляемые МТБМ могут выполнять горизонтальные повороты радиусом от 150 до 200 метров, открывая возможности выравнивания, которые ранее требовали дополнительных валов или альтернативных методов. Эта возможность особенно ценна в городских условиях, где трассы трубопроводов должны проходить вокруг существующей подземной инфраструктуры. Кроме того, достижения в конструкции режущих головок со смешанными торцевыми головками и технологии контроля износа расширили практический диапазон прокладки микротоннелей в грунтовых условиях, для чего ранее требовались полнопроходные машины для проходки горных тоннелей или методы ручных земляных работ.