Трубоподъемная машина: как она работает, когда ее использовать и на что обращать внимание

Что на самом деле делает машина для подъема труб

Трубоподъемная машина представляет собой бестраншейную строительную систему, которая прокладывает подземные трубопроводы путем одновременного бурения грунта и проталкивания сборных секций труб в выкопанный туннель из пусковой ямы на уровне поверхности. Машина производит резку на торце скважины, в то время как гидравлические домкраты, расположенные в задней части колонны труб, создают тягу вперед, необходимую для продвижения режущей головки и растущего ряда труб через землю. В результате получается полностью облицованный трубопровод, проложенный на глубине, без необходимости рытья сплошной открытой траншеи вдоль трассы трубопровода.

Этот метод, также называемый подъемом труб, в некоторых контекстах трамбованием труб или микротоннелированием при применении к скважинам меньшего диаметра с дистанционным управлением, стал одним из наиболее важных методов в подземном строительстве коммуникаций. Он используется для прокладки самотечных канализационных сетей, водопроводов, газораспределительных линий, телекоммуникационных каналов и водопропускных труб под дорогами, железными дорогами, реками, взлетно-посадочными полосами и застроенными городскими территориями, где открытые раскопки непрактичны, наносят ущерб или запрещены операторами инфраструктуры и органами планирования.

Сама машина для подъема труб представляет собой систему резки и наведения в начале операции — компонент, который определяет диаметр бура, совместимость грунта, точность линий и уклонов, а также возможность поддержки забоя. Все остальное при подъеме труб — подъемная рама, упорное кольцо, промежуточные подъемные станции, система смазки и устройство для удаления грунта — конфигурируется с учетом требований машины и конкретных грунтовых условий, встречающихся в проекте.

Основные компоненты системы подъема труб

Комплексная система подъема труб – это больше, чем просто машина для резки. Это интегрированный узел механических, гидравлических систем и систем наведения, которые должны надежно работать вместе, чтобы операция продвигалась безопасно и оперативно. Понимание роли каждого компонента помогает подрядчикам и инженерам-проектировщикам принимать более обоснованные решения по выбору оборудования и предвидеть, где наиболее вероятно возникновение проблем.

Режущая голова и щит

Режущая головка является самым передним элементом машина для подъема труб , предназначенный для выемки грунта и подачи его для вывоза через скважину трубопровода. Конструкция режущей головки значительно варьируется в зависимости от условий грунта. На мягком грунте — глинах, иле, песке и гравии — обычно используется вращающийся диск или спицевая режущая головка с отверстиями для обработки почвы, часто в сочетании с инъекцией бентонита или полимера для стабилизации забоя и уменьшения трения. В смешанном грунте или горной породе для разрушения материала и его удаления требуются более прочные режущие головки, оснащенные дисковыми фрезами, фрезами или карбид-вольфрамовыми пуговицами. Режущая головка заключена в стальной щит, который обеспечивает опору на грунт в забое туннеля и образует структурный корпус машины.

Поддомкрачивающая рама и упорные цилиндры

Основная домкратная рама устанавливается в пусковой яме за колонной труб и обеспечивает основную силу тяги, которая продвигает машину и трубы через грунт. Он состоит из тяжелой стальной реактивной рамы, прикрепленной к задней стенке ямы и оснащенной гидравлическими цилиндрами (обычно от двух до четырех плунжеров большого диаметра), которые упираются в упорное кольцо или упорную муфту, расположенную напротив задней поверхности последней трубы в колонне. Усилия подъема при прокладке труб значительны: для приводов микротоннелей малого диаметра может потребоваться тяга в 50–200 тонн, а для приводов большого диаметра в сложных грунтах с длинными колоннами труб могут потребоваться усилия тяги, превышающие 1000–3000 тонн. Подъёмная рама должна быть рассчитана на безопасную передачу этих сил, а ее размер должен соответствовать диаметру трубы и ожидаемому сопротивлению грунта конкретного привода.

Система удаления мусора

Вынутый материал должен непрерывно удаляться из забоя туннеля через отверстие трубопровода во время подъема домкратом. Метод удаления грунта является одним из ключевых переменных, который отличает типы машин для подъема труб. Машины для защиты от шлама используют контур бентонитовой суспензии под давлением для подвешивания и гидравлической транспортировки шлама через шламовую трубу на установку поверхностного разделения, где твердые частицы извлекаются, а очищенный шлам рециркулируется. Машины для балансировки давления грунта смешивают выкопанный грунт с кондиционирующими веществами для создания пластифицированной массы, которая затем извлекается архимедовым шнековым конвейером через отверстие трубопровода в пусковую яму. Ручные земляные работы с использованием ручных инструментов и удаление скипов по-прежнему используются на проездах большего диаметра, где вход рабочих практичен, а состояние грунта достаточно стабильно, чтобы это позволить.

Система наведения и рулевого управления

Поддержание точности линий и уклонов на протяжении всего пути имеет решающее значение: трубопроводы, установленные с нарушением соосности, вызывают проблемы с гидравлическим уклоном в самотечной канализации, напряжение в соединениях в напорных магистралях и потенциальные конфликты с существующими коммуникациями. Управление трубоподъемными машинами осуществляется путем регулирования выдвижения гидравлических рулевых цилиндров, расположенных по периферии щита, которые шарнирно поворачивают головку машины относительно следующей колонны труб. Контроль положения осуществляется за счет установленного в пусковой яме лазерного теодолита, проецирующего луч на цель внутри машины — отклонение машины от луча считывается оператором и корректируется посредством рулевых цилиндров. Более сложные системы наведения с использованием гироскопических тахеометров или кольцевых лазерных гироскопов используются на длинных дистанциях или поворотах, где простой лазерной линии недостаточно.

Типы трубопрокатных машин и когда они используются

Трубоподъёмные машины не являются единым продуктом — они существуют в нескольких различных конфигурациях, каждая из которых оптимизирована для различного диапазона диаметров скважин, условий грунта и требований проекта. Выбор правильного типа машины – это самое важное решение в отношении оборудования для любого проекта по подъему труб.

Микротоннельные машины (МТБМ)

Машины для прокладки микротоннелей представляют собой системы прокачки труб с дистанционным управлением, предназначенные для диаметров стволов обычно от 150 мм до 1200 мм, хотя граница с более крупными системами входа человека зависит от проекта. Отличительной особенностью микротоннельной машины является то, что оператор не входит в туннель во время движения — все рулевое управление, мониторинг и управление машиной осуществляются из наземной кабины управления через шлангокабель. Возможность удаленного управления делает микротоннелирование подходящим для скважин малого диаметра, куда вход рабочих физически невозможен, а также для любых условий грунта, где доступ лицом представляет неприемлемый риск для безопасности. Машины для прокладки микротоннелей чаще всего представляют собой системы шламового типа с гидравлической резкой и транспортировкой шлама, обеспечивающие непрерывную поддержку забоя и эффективное удаление грунта из мягкого и смешанного грунта.

Машины для продавливания труб с балансировкой давления на землю

В машинах для подъема труб с балансом давления земли (EPB) в качестве основной опорной среды используется сам выкопанный грунт, обработанный водой, пеной или полимером для достижения приемлемой пластичности. Герметичная перегородка за режущей головкой поддерживает контролируемое давление грунта на забой туннеля, при этом скорость извлечения шнекового конвейера сбалансирована со скоростью продвижения, чтобы удерживать давление в забое в заданном диапазоне. Машины EPB особенно эффективны на связных и смешанных почвах, заболоченных песках и в городских условиях, где необходимо свести к минимуму осадку грунта. Они обрабатывают широкий диапазон диаметров от 600 мм до нескольких метров и доступны как в конфигурации с дистанционным управлением, так и в конфигурации с обслуживаемым человеком в зависимости от размера ствола.

Машины для подъема труб с шламовым щитом

Машины для защиты от шлама поддерживают забой туннеля с помощью бентонитовой суспензии под давлением и удаляют шлам гидравлически через замкнутый контур шлама. Они превосходно работают на насыщенных гранулированных грунтах — сыпучем песке, гравии и проницаемых аллювиальных отложениях — где кондиционирование EPB затруднено и где поддержание забойного давления имеет решающее значение для предотвращения выбросов или оседания. Установка для разделения шлама, необходимая на поверхности, является важным логистическим элементом в проектах, связанных с шламом: она занимает значительную площадь, требует тщательного управления свойствами смеси шлама и генерирует поток вывоза отфильтрованного шлама, с которым необходимо обращаться как с отходами. Несмотря на эту сложность, машины с навозным щитом часто являются единственной жизнеспособной технологией для обработки водоносного зернистого грунта на значительной глубине.

Машины для подъема горных труб

В горных породах стандартные почворезные головки неэффективны и требуются специализированные камнерезные машины. Эти машины оснащены полнозабойными дисковыми фрезами — по принципу похожими на TBM (туннельно-проходческий станок), — которые прикладывают высокие точечные нагрузки к забою породы, чтобы раздробить ее на щепки. Затем стружка вымывается или выводится из канала. Машины для подъема породы должны быть адаптированы к прочности на сжатие, абразивности и характеристикам разрушения конкретной горной породы: мягкие осадочные породы, такие как мел или аргиллит, могут обрабатываться усиленными головками долот, в то время как твердые магматические или метаморфические породы со значениями UCS выше 100 МПа требуют полнозабойных дисковых фрез из более твердых марок стали. Скорость износа резцов при работе с абразивной породой является основным фактором затрат и должна быть учтена в бюджете проекта с самого начала.

Состояние грунта и его влияние на выбор машины

Ни один тип трубоподъемной машины не работает хорошо при любых грунтовых условиях. Геотехнические исследования — скважины, пробные котлованы, лабораторные исследования образцов грунта и мониторинг уровня грунтовых вод — являются важной основой, на которой должно основываться каждое решение о выборе машины. Выбор неправильной машины для конкретных условий грунта является одной из наиболее частых причин провала проекта по подъему труб, что приводит к застреванию машин, выбросам, чрезмерной осадке или полному отказу от привода.

В таблице ниже приведены общие зависимости между состоянием грунта и соответствующими типами трубоподъёмных машин:

Управление подъемными силами и использование промежуточных подъемных станций

По мере того как колонна труб удлиняется во время движения, трение, действующее на внешнюю поверхность труб, накапливается, и общая подъемная сила, необходимая для продвижения системы, постепенно увеличивается. При коротких поездках по благоприятному грунту с этим накоплением можно справиться в пределах мощности одной только основной домкратной рамы. На более длинных приводах — особенно тех, которые превышают 100–150 метров, или более коротких поездках по абразивному грунту или грунту с высоким коэффициентом трения — накопленное поверхностное трение может превышать осевую мощность основной рамы и конструктивную несущую способность соединений труб. Именно здесь становятся незаменимыми промежуточные подъемные станции.

Промежуточная подъемная станция (ППС) представляет собой короткий стальной цилиндр, оснащенный собственным набором гидроцилиндров, устанавливаемых внутри колонны труб через заданные промежутки времени во время привода. Когда подъемное усилие приближается к своему пределу, активируются плунжеры IJS, которые самостоятельно толкают переднюю часть колонны труб, в то время как основные домкраты возвращаются в исходное состояние. Разделив колонну труб на сегменты и последовательно активируя блоки IJS, максимальная сила, приложенная к любому отдельному стыку труб, удерживается в безопасных конструктивных пределах, и привод может продолжаться далеко за пределами того, чего может достичь одна только главная домкратная рама. В хорошо продуманных проектах подъема труб на длинных дорогах положения IJS заранее определяются на основе расчетных нагрузок трения, а дополнительные позиции заранее планируются на случай, если грунтовые условия окажутся хуже, чем ожидалось.

Смазка места контакта трубы с землей с использованием бентонитовой суспензии или полимерного геля, впрыскиваемого через отверстия в стенке трубы, является еще одной основной стратегией управления подъемными силами. Эффективная программа смазки может снизить трение о стенки трубы на 50–80 % по сравнению с приводами без смазки, что значительно увеличивает достижимую длину привода и сокращает количество необходимых узлов IJS. Смазка должна поддерживаться постоянно на протяжении всего привода: ее разрушение или поглощение окружающим грунтом быстро увеличивает трение и может привести к застреванию колонны труб.

Материалы труб, используемые при подъеме труб

Секции труб, проталкиваемые трубоподъемной машиной, должны выдерживать как распорные нагрузки, передаваемые вдоль их оси, так и внешнее давление грунта и грунтовых вод, действующее на их стенки в течение всего срока службы. Не все материалы труб подходят для подъема домкратом, и выбор типа трубы напрямую влияет на диаметр отверстия, длину привода, допустимый прогиб в местах соединений и долговечность трубопровода.

• Железобетонная подъемная труба: Наиболее широко используемый материал для прокладки канализационных труб среднего и большого диаметра (от 300 до 3000 мм и более). Бетонные домкратные трубы производятся в соответствии со специальными стандартами подъема — EN 1916 в Европе, ASTM C76 в Северной Америке — с концевыми кольцами из закаленной стали на каждой поверхности соединения, чтобы равномерно распределять нагрузки при подъеме и минимизировать концентрацию напряжений в соединениях. Они обеспечивают превосходную долговечность, химическую стойкость к канализационным газам и конкурентоспособную стоимость при больших диаметрах.
• Труба подъемная из стеклокерамики: Используется в канализационных коллекторах меньшего диаметра, обычно от 150 до 600 мм. Стекловидная глина обеспечивает исключительную стойкость к химическому воздействию агрессивных сточных вод и промышленных стоков, что делает ее предпочтительным выбором для канализационных сред с химическими требованиями. Его хрупкость по сравнению с бетоном требует осторожного обращения и ограничивает возможные усилия подъема.
• Стальная подъемная труба: Применяется для водо- и газопроводов, нефтепроводов и обсадных труб больших диаметров. Сталь обеспечивает очень высокую прочность на сжатие и растяжение, что позволяет применять высокие подъемные силы и делает ее пригодной для длительных поездок и работы в условиях твердого грунта. Внешняя защита от коррозии — наплавленное эпоксидное покрытие, полиуретановое покрытие или катодная защита — необходима для длительного срока службы.
• Подъёмная труба из стеклопластика (полимер, армированный стекловолокном): Сочетает в себе высокую прочность, легкий вес и отличную коррозионную стойкость. Подъемные трубы из стеклопластика все чаще используются в химически агрессивных средах и для приводов, где уменьшенный вес трубы упрощает работу в ограниченных пусковых ямах. Они требуют тщательного проектирования соединений, чтобы обеспечить адекватную передачу нагрузки при подъемных усилиях.
• Полимербетон и трубы HOBAS: Центробежно-литые трубы из полимерного раствора, армированного стекловолокном (CCFRPM), сочетают в себе химическую стойкость полимера с прочностью на сжатие, необходимой для подъема домкратом. Широко используется в агрессивных канализационных и промышленных дренажных системах по всей Европе и все чаще на других рынках.

Ключевые соображения по планированию проекта перед использованием машины для продавливания труб

Проекты по подъему труб, которые сталкиваются с серьезными проблемами в полевых условиях, редко бывают неудачными — они почти всегда являются результатом неадекватного планирования, недостаточного наземного исследования или нереалистичных предположений, сделанных во время проектирования. Следующие элементы планирования заслуживают пристального внимания, прежде чем любая машина для подъема труб будет мобилизована на площадку.

• Объем и качество геотехнических исследований: Скважины должны располагаться с интервалами, соответствующими изменчивости грунта на участке — обычно не более 50 метров вдоль трассы проезда для городских проектов — и должны простираться как минимум на 3 диаметра трубы ниже уровня обратного хода предлагаемой скважины. Лабораторные испытания должны включать в себя распределение частиц по размерам, индекс пластичности, прочность на сдвиг в недренированном состоянии, прочность на неограниченное сжатие горных пород и химический состав грунтовых вод, когда коррозия труб или компонентов машин вызывает беспокойство.
• Обзор существующих услуг: Перед завершением выравнивания привода необходимо выполнить полное обследование инженерных сетей с использованием георадара, электромагнитной локации и проверку всех имеющихся записей коммунальных служб. Необнаруженное пересечение активной скважины может привести к катастрофическим последствиям: удары по газопроводам, высоковольтным кабелям или водопроводам в непосредственной близости от привода являются одними из наиболее серьезных рисков при бестраншейном строительстве в городских условиях.
• Проект пусковой и приемной ямы: Пусковая яма должна быть достаточно большой, чтобы вместить домкратную раму, оборудование для перемещения труб, систему удаления грунта и обеспечить безопасный рабочий доступ для экипажа. Минимальные размеры ямы определяются диаметром трубы, длиной машины и ходом домкрата. Яма должна быть надлежащим образом укреплена и обезвожена, а задняя упорная стенка должна быть конструктивно способна выдерживать максимальное ожидаемое усилие подъема без движения или разрушения.
• Длина и кривизна привода: Для каждого типа машины и комбинации материалов труб предусмотрена максимально достижимая длина привода, за пределами которой подъемные силы или напряжения в соединениях труб становятся неуправляемыми. Аналогичным образом возможны криволинейные выравнивания, но они усложняют наведение и увеличивают нагрузки на изгиб трубных соединений. Проезды длиной более 150 метров или включающие горизонтальные или вертикальные изгибы должны быть оценены инженером-специалистом по бестраншейной прокладке перед окончательным выбором машины.
• Мониторинг расчетов и оценка рисков: Для проезда под чувствительными конструкциями — железнодорожными путями, историческими зданиями, опорами мостов или действующими промышленными объектами — до начала проезда должна быть разработана программа мониторинга населенных пунктов с использованием памятников для обследования поверхности, точного нивелирования и наклономеров на чувствительных конструкциях. Триггерные уровни и уровни действий для настройки параметров машины или приостановки привода должны быть заранее согласованы с владельцами затронутой инфраструктуры.

Распространенные проблемы при подъеме труб и как их решают опытные подрядчики

Даже хорошо спланированные подъемы труб сталкиваются с проблемами. Грунтовые условия редко точно соответствуют данным скважины, компоненты машин изнашиваются или выходят из строя, а неожиданные препятствия являются реальностью городского подземного строительства. Разница между проектом, который восстанавливается после таких событий, и проектом, который приводит к зависанию машины или прерыванию привода, обычно сводится к опыту команды и мерам на случай непредвиденных обстоятельств, заложенным в план проекта.

Препятствия в забое туннеля

Валуны, булыжники, старые фундаменты из каменной кладки, деревянные сваи и выведенные из эксплуатации инженерные коммуникации являются одними из наиболее распространенных неожиданных препятствий, возникающих при подъеме труб в городских районах. В приводах диаметра с обслуживаемым входом рабочие иногда могут разрушать препятствия с помощью ручных инструментов или пневматических прерывателей под защитой щита. В микротоннелях меньшего диаметра, где вход невозможен, варианты на случай непредвиденных обстоятельств включают в себя оперативный доступ из выемки над приводом, струйную цементацию с помощью бурения с поверхности или закачку смолы для стабилизации грунта вокруг препятствия или, в крайних случаях, отказ от проходки и извлечение машины из новой ямы перед засором.

Чрезмерное накопление подъемного усилия

Когда подъемные силы растут быстрее, чем ожидалось, первой мерой всегда должна быть оценка и оптимизация программы смазки — увеличение объема и частоты впрыскивания, проверка того, что смазочные отверстия не заблокированы, и проверка того, что кольцевая пустота вокруг труб адекватно заполнена. Если оптимизация смазки не останавливает увеличение силы, следующим шагом будет активация промежуточных подъемных станций раньше запланированного срока. Форсирование застрявшего привода путем приложения максимальной тяги редко бывает продуктивным и может привести к повреждению соединения труб, отказу компонентов машины или поднятию поверхности. Приостановка привода и возможность слегка расслабить грунт вокруг колонны труб в сочетании с усиленной смазкой часто позволяют добиться большего прогресса, чем продолжительное усилие.

Отклонение от линии

Отклонения от направления, обнаруженные на ранней стадии, являются управляемыми — рулевые цилиндры могут постепенно корректировать курс машины на следующих нескольких длинах трубы, не создавая неприемлемых углов соединения. Отклонения, которые остаются незамеченными до тех пор, пока они не станут значительными, гораздо труднее устранить и могут привести к напряжению в стыках труб, осадке поверхности в непредусмотренном месте или потенциальному конфликту с существующими услугами. Лучшая защита от проблем с отклонениями — это строгий режим мониторинга — считывание и запись целевого положения наведения после каждой установки труб, а не только в начале каждой смены — и четкий протокол действий, определяющий, какие поправки рулевого управления применяются и при какой величине отклонения.