СПОСОБ СТРОИТЕЛЬСТВА И РЕМОНТА ВОДОВОДОВ И КОЛЛЕКТОРОВ СТОЧНЫХ ВОД МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ НА ДНЕ РЕК И ВОДОЕМОВ
METHOD TO CONSTRUCT AND REPAIR WATER CONDUITS AND HEADERS OF SHALLOW WASTE WATER ON BOTTOM OF RIVERS AND WATER RESERVOIRS

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к технологии прокладки водоводов и коллекторов сточных вод мелкого заложения на дне рек и водоемов. Преимущественно оно может быть использовано для укладки отдельных труб и стыковки их с уложенной ранее частью водовода или коллектора. Особенностью является то, что строительные и монтажные работы могут выполняться независимо от рельефа дна и скорости течения при глубинах воды до 10 и более метров. При этом минимизируется опасность для жизни людей и степень воздействия на окружающую среду по сравнению с проведением в данных условиях этих работ другими способами.
В условиях растущих городов, когда стоимость земли для отвода под строительство тех или иных сооружений становится очень высокой, строительство различных коммуникаций практически может быть осуществлено только такими способами, как проходка тоннелей под землей, что связано со значительными капитальными затратами.
При наличии речных русел в городе они могут быть использованы как альтернатива подземному строительству, требующая значительно меньших затрат. При этом может быть обеспечена ремонтопригодность и возможность модернизации коммуникаций, проложенных в русле реки.
Такая ситуация и способ решения проблемы являются особенно актуальными для таких городов, как Санкт-Петербург, имеющий более 49 рек, ручьев и протоков и 19 каналов. Площадь внутренних вод Санкт-Петербурга по отношению к площади города составляет более 10%.
В настоящее время имеются патенты на способы строительства через реки и другие акватории тоннелей мелкого заложения.
Эти способы близки к предлагаемому, но строительство водоводов для водоснабжения районов города, прилегающих к берегам реки, и коллекторов для сброса, в частности, ливневых вод имеет свою специфику, которая заключается в необходимости строительства отводов к береговым объектам.
В ряде случаев важнейшим требованием при строительстве водоводов и коллекторов в русле рек является исключение взмучивания воды при работе с донным грунтом. Это особенно актуально для Санкт-Петербурга, где значительный объем водозабора из Невы осуществляется в центральной части города.
Для магистральных водоводов, как правило, используются стальные трубы, укладываемые в северных районах в землю на определенную глубину для исключения замерзания в них воды. При этом отдельные трубы магистрали перед укладкой свариваются в плети.
При строительстве водоводов для подачи воды в больших объемах используются также трубы из железобетона, имеющие большой диаметр.
То же самое относится к строительству магистралей для сброса сточных вод, но при этом в последние годы начинают использоваться полиэтиленовые трубы. При этом предполагается, что в сочных водах отсутствуют агрессивные среды.
Примером такого варианта водосброса является многокилометровый трубопровод в Петербурге, проложенный от Юго-Западных очистных сооружений частично по суше, частично по дну Финского залива. При этом перед укладкой отдельные трубы диаметром более 2 м также сваривались в плети и укладывались в заранее подготовленные траншеи. Глубина этих траншей достигает 4 м. Учитывая характер грунта, при строительстве потребовалось переместить большие объемы грунта.
Известно авторское свидетельство СССР №1067142, МКИ E02D 5/20, опубликованное в БИ №2, 1984 г., выданное на изобретение «Система для временного осушения участка дна». В нем раскрыт способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории. Этот способ включает создание временного гидротехнического ограждения из набора оболочек, образуемых, например, из металлического шпунта. Из них каждую по мере увеличения глубины акватории возводят поэлементно по периметру замкнутого в плане избранного участка дна и формируют замкнутый в плане огражденный участок акватории. Затем из огражденного пространства удаляют воду и далее внутри него на дне сухим способом производят строительные работы по возведению тоннеля. По их завершении гидротехническое ограждение поэлементно демонтируют с возможным последующим использованием его элементов.
Это известное техническое решение имеет существенные недостатки, которые заключаются в том, что:
- используют много составных элементов, имеющих различную форму, из которых в водной среде образуют замкнутую ограждающую конструкцию непосредственно на участке дна, что требует длительного строительного периода;
- сформированное временное гидротехническое ограждение не может быть использовано в качестве вертикально нагружаемой конструкции для обеспечения процесса строительства тоннеля внутри ограждения.
Известны также патенты ЗАО «Дорсервис», в основе которых лежит использование плавучего дока без средней части для выполнения ряда гидротехнических работ:
1) патент РФ на изобретение №2252300 с приоритетом от 16.07.2004 «Способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории и система, его реализующая»;
2) патент РФ на полезную модель №43274 с приоритетом от 16.07.2004 «Набор элементов для временного осушения участка дна»;
3) патент РФ на полезную модель №43275 «Ограждающая часть системы для временного осушения участка дна» с приоритетом от 4.10. 2004;
4) патент РФ на полезную модель №54380 «Система для временного осушения участка дна» с приоритетом от 23.12.2005.
Все эти известные решения имеют существенные недостатки, которые заключаются:
- в необходимости выравнивания положения с управляемой плавучестью гидротехнического ограждения без донной части в горизонтальной плоскости;
- в сложности позиционирования гидротехнического ограждения без донной части, хотя и с управляемой плавучестью, на точке при наличии течений, что связано с необходимостью его удержания и балластировки при погружении, особенно на глубину 5 и более метров;
- в допустимости возникновения флаттера (эффекта падающего листа), когда имеется сильное течение воды;
- в трудностях решения задач по транспортировке и позиционированию такого гидротехнического ограждения из-за наличия сильных порывов ветра и больших волнений, что обусловлено большими габаритами указанного ограждения.
Решение этих проблем послужило основой для разработки авторами двух технических решений на способ и средства укладки морских трубопроводов, строящихся из отдельных стеклопластиковых или бетонных труб (патент РФ №2324100 «СПОСОБ ПРОКЛАДКИ ПОДВОДНОГО ТРУБОПРОВОДА, СИСТЕМА, ЕГО РЕАЛИЗУЮЩАЯ, И МОНТАЖНЫЙ КОМПЛЕКС СОЕДИНЕНИЯ ТРУБ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В НЕЙ»), и способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории (патент РФ №2386755 «СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ НА ДНЕ АКВАТОРИИ»).
В данных технических решениях предлагается использовать для прокладки трубопроводов и тоннелей самоподъемную плавучую баржу, что позволяет значительно сократить время возведения тоннеля, уменьшить трудоемкость, повысить надежность обустройства тоннеля.
Техническое решение по патенту РФ №2386755 «СПОСОБ ВОЗВЕДЕНИЯ ТОННЕЛЯ МЕЛКОГО ЗАЛОЖЕНИЯ НА ДНЕ АКВАТОРИИ» как наиболее близкое по совокупности существенных признаков к предлагаемому принято авторами за прототип.
Известный способ возведения тоннеля мелкого заложения на дне акватории включает использование единого с управляемой плавучестью средства без донной части, вывод этого средства на трассу возведения тоннеля, позиционирование и фиксацию на выбранном на ней месте с помощью фиксаторов, выравнивание по горизонту, возведение на дне акватории замкнутого в плане участка путем ограждения его пространства первоначально с помощью кессонов, а затем шпунтов, выборку из него донного грунта с созданием несущего поля тоннеля с размещением на нем сборных или монолитных секций тоннеля. После проведения работ внутри огражденного пространства, включая балластировку секции грунтом, его ограждение демонтируют и единое с управляемой плавучестью средство без донной части перемещают на следующее место на трассе возведения тоннеля и цикл повторяют. В качестве единого с управляемой плавучестью средства без донной части используют самоподъемную с майной посередине плавучую баржу (СПБ), на которой в качестве фиксаторов используют четное количество, не менее четырех, опускаемых опор, обеспечивающих при необходимости подъем СПБ на высоту, исключающую воздействия волновых нагрузок на корпус СПБ, направляющие (тавры), расположенные вертикально по внутренним стенкам майны с возможностью заглубления в грунт, и кессоны, выполненные с возможностью взаимодействия с направляющими путем перемещения по ним при погружении и подъеме каждого кессона с помощью кранового оборудования, входящего в состав СПБ, а также шпунт, размещенный на СПБ с возможностью его заглубления с внутренней стороны кессонов. Вывод СПБ на выбранное место на трассе возведения тоннеля осуществляют самоходом и/или с помощью буксиров. Позиционирование и фиксацию СПБ над упомянутым местом акватории ведут с помощью опускаемых опор, которыми задают высоту СПБ над уровнем акватории, обеспечивающую требуемый клиренс при максимальном подъеме уровня воды и возможной высоты волн. Возведение на дне акватории замкнутого в плане участка путем ограждения его пространства и сооружением над ним колодца, который образуют из кессонов, поочередно погружая их один на другой по направляющим, расположенным по внутренним стенкам майны СПБ, и герметично соединяя между собой. Нижнюю кромку первоначально погруженного кессона заглубляют в дно акватории на глубину, соответствующую верхней поверхности секции тоннеля, расположенной на дне акватории в месте фиксации положения СПБ, затем внутри этого колодца заглубляют шпунт в грунт дна на величину, превышающую высоту секции тоннеля. Формируют границу выема грунта, после выбора грунта из огражденного шпунтом пространства размещают на нем секцию тоннеля, после чего пространство между секцией и шпунтом заполняют песком, монтируют на секции каркас и засыпают его балластировочным материалом и уже затем производят демонтаж и СПБ переводят на новое место возведения тоннеля.
Однако строительство трубопроводов из отдельных труб (в данном случае - водоводов и коллекторов сточных вод) требует разработки новых технико-технологических решений, учитывающих специфические особенности этих конструкций и специфические требования к проведению этих работ, связанные с охраной окружающей среды.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого способа строительства и ремонта водоводов и коллекторов сточных вод мелкого заложения на дне рек и водоемов, который позволил бы получить следующий технический результат:
- возможность прокладки и ремонта водоводов и коллекторов сточных вод, состоящих из отдельных участков труб;
- возможность прокладки и ремонта водоводов и коллекторов сточных вод вблизи береговой территории;
- повышение экологичности и безопасности процесса прокладки и ремонта водоводов и коллекторов сточных вод.
Задача решена следующим образом. В известном способе строительства и ремонта водоводов и коллекторов сточных вод мелкого заложения на дне рек и водоемов, включающем использование самоподъемной с майной посередине плавучей баржи (СПБ), вывод СПБ с помощью буксира и/или самоходом на место работ, фиксацию положения СПБ с помощью якорей, опускание опор СПБ на грунт и подъем СПБ на этих опорах на высоту, исключающую воздействие волновых нагрузок на корпус СПБ, опускание направляющих, расположенных вертикально по внутренним стенкам майны, в грунт и последующее опускание колодца, собранного из кессонов, по этим направляющим с целью образования на дне акватории замкнутого в плане участка для проведения работ, после проведения работ СПБ перемещают на следующее место по трассе возведения или ремонта водоводов и коллекторов и цикл повторяют.
Согласно настоящему изобретению в нижней кромке носовой части нижнего кессона выполняется рецесс, повторяющий форму укладываемой трубы с зазорами по бокам. После опускания кессона на уложенную часть трубы рецесс с внешней стороны кессона засыпается гравием настолько, чтобы исключить возможность размыва грунта внутри кессона в процессе формирования траншеи. Затем формируют траншею, в которую укладывают следующий участок трубы, причем для обеспечения герметичности соединения отрезки труб выполнены с одной стороны с раструбом, в который укладывается резиновая прокладка. В районе средней части укладываемого участка трубы насыпают гравий, добиваясь фиксации положения укладываемого участка трубы.
Дополнительными отличиями предлагаемого способа является то, что:
- нижняя кромка кормовой части нижнего кессона имеет также рецесс, повторяющий форму укладываемой трубы, для обеспечения возможности проведения ремонтных работ на уже проложенных водоводах или коллекторах сточных вод;
- для укладки отводов от трубопроводов подобные рецессы предусматриваются в боковой стенке нижнего кессона;
- кессон оборудован верхней крышкой со шлюзом и соответствующим грузоподъемным оборудованием для обеспечения возможности выдавливания воды из кессона и создания воздушного колокола над зоной работ при необходимости.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет получить способ, для достижения следующих технических результатов, как то: упростить процесс прокладки водоводов и коллекторов сточных вод, состоящих из отдельных участков, а также повысить экологичность и безопасность способа.
По данной теме заявителем проведен патентно-информационный поиск, который показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна. Поэтому данное техническое решение можно признать новым.
Предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем, так как оно для специалиста средней квалификации логически не следуют из известного уровня техники. Это обусловлено тем, что никто не выкладывал и не ремонтировал трубы, имеется в виду большого диаметра, на глубине или в придонной части акваторий, создавая вокруг ремонтной зоны безводное пространство.
Реализуемость предлагаемого способа подтверждается чертежами.
На фиг.1 приведен чертеж размещения самоподъемной плавучей баржи (СПБ) в акватории, где 1 - акватория, 2 - самоподъемная плавучая баржа, 3 - майна, 4 - подъемные краны, 5 - набережная, 6 - якорные цепи (тросы) и якоря, 7 - трасса трубопровода.
На фиг.2 приведен вид СПБ в разрезе, иллюстрирующий процесс опускания кессонов в грунт, где 1 - акватория, 2 - самоподъемная плавучая баржа, 3 - майна, 8 - опоры, 9 - кессоны, 10 - ранее уложенная труба,
На фиг.3 приведен вид сверху кессонов, опускаемых на ранее уложенную трубу, где 7 - трасса трубопровода, 10 - ранее уложенная труба, 11 - контур опускаемого кессона.
На фиг.4 приведен вид сбоку кессона, опускаемого на ранее уложенный участок трубы, где 10 - ранее уложенный участок трубы, 12 - передняя стенка кессона, 13 - рецесс в стенке нижнего кессона, 14 - грунт дна.
На фиг.5 и 6 приведены виды сверху на укладываемые части труб в кессонах, где 15 - зона выборки грунта, 16 - укладываемая труба, 17 - зона засыпки трубы гравием, 18 - ответвление трубы.
На фиг.7 приведен чертеж размещения СПБ в акватории, поясняющий укладку участков труб в зоне уреза воды (берега), где 1 - участок акватории, 2 - СПБ, 3 - майна, 4 - подъемные краны, 5 - набережная, 20 - участок акватории, огражденный шпунтовой стенкой.
Способ строительства водоводов и коллекторов сточных предполагает выполнение следующих технологических операций и использование следующих конструкций:
1) СПБ 2 с помощью буксира (или движителей, установленных на ней) прибывает на точку производства работ;
2) предварительная фиксация положения СПБ 2 осуществляется с помощью второго буксира, который производит развозку и установку якорей, которыми оснащена СПБ 2, на соответствующем расстоянии от СПБ 2;
3) для позиционирования СПБ 2 в горизонтальной плоскости используются береговые и/или специально установленные на берегу и, в случае необходимости, на акватории реперы или системы спутниковой навигации GPS или GLONASS;
4) позиционирование укладываемых труб в вертикальной плоскости в соответствии с проектом производится с учетом изменения уровня воды в акватории, который регистрируется водомерными станциями в период снятия батиметрических данных и в период укладки. Для обеспечения проектного положения труб в траншее производятся также замеры углового положения труб относительно горизонтали в период укладки по данным положения начальной и конечной точек на верхней образующей основной части трубы, что фиксируется в соответствующих журналах;
5) окончательная фиксация СПБ 2 производится путем поиска с помощью акустических датчиков положения концевой части ранее уложенной трубы (фиг.1) и последующей выборки избыточной слабины якорных цепей лебедками.
Колодец для ограждения участка трассы от влияния течений и изоляции окружающей среды от попадания в нее перемещаемого грунта формируется из кессонов 9 (фиг.2), которые должны обладать необходимой прочностью - вертикальной устойчивостью при воздействии на колодец скоростного напора течения. В данном случае должна быть обеспечена вертикальная устойчивость, что значительно снижает требования к прочности и, соответственно, к массе кессонов. Кроме того, корпус кессонов 9 должен иметь полости, позволяющие в случае необходимости заполнять их водой при опускании и продувать сжатым воздухом при подъеме. Размеры кессонов 9 в горизонтальной плоскости должны быть несколько меньше размеров майны 3 с тем, чтобы в стенках майны 3 могли быть смонтированы ролики - обрезиненные колеса, исключающие перекос кессонов 9 в процессе подъема-опускания.
Процесс формирования колодца после фиксации СПБ 2 на точке при опускании опор и их нагрузке для устойчивости путем поднятия корпуса СПБ 2 на необходимый уровень включает в себя следующие этапы (фиг.2):
1) в майну 3 кранами 4 опускается нижний кессон 9, который фиксируется боковыми стопорами, выходящими из стенок майны (не показаны);
2) на него устанавливается второй кессон 9 и герметично соединяется с нижним специальными замками или болтами;
3) по мере установки следующих кессонов 9 они опускаются в майну 3;
4) при наличии течений и на сравнительно больших глубинах, балластные цистерны СПБ 2 балластируются и опускаются до допустимой ватерлинии, обеспечивая при этом требуемую устойчивость опор 8 на грунте. При наличии кренящего момента от течения уровни воды в цистернах левого/правого бортов и носового/кормового должны быть различны с тем, чтобы компенсировать этот момент;
5) после заглубления нижней кромки нижнего кессона полости кессонов 9 заполняются водой, и сам корпус СПБ 2 поднимается на необходимый уровень путем откачки воды из балластных цистерн. Заглубление производится как за счет нагрузок от масс корпуса СПБ 2 и кессонов 9, так, возможно, и с использованием вибрации.
6) Технология формирования участка траншеи и укладки в ней трубы предусматривает выполнение следующих технологических операций и использование следующих конструкций:
1) предполагается, что фиксация положения СПБ 2 на акватории в горизонтальной плоскости произведена с таким расчетом, чтобы майна 3 (контур) кессона 9 заняла положение, представленное на фиг.3;
2) после опускания колодца из кессонов 9 на грунт и подъема СПБ 2 на уровень, исключающий воздействие течения и волн на корпус СПБ 2, производится окончательная фиксация кессонов 9 в вертикальном положении. Для этого заглубление нижнего кессона 9 производится до тех пор, пока верхняя образующая рецесса 13 не достигнет верхней образующей ранее уложенной трубы (фиг.4);
3) для исключения образования вихрей и нежелательного размыва грунта внутри колодца:
- положение верхней кромки верхнего кессона 9 должно исключать влияние течения и волн на акватории,
- рецесс 13 в носовой части кессона 9 с внешней стороны должен быть засыпан гравием;
4) производится формирование траншеи погружным грунтососом телескопической конструкции, который транспортируется мостовым краном, перемещающимся по боковым сторонам майны, и/или грейферами с помощью кранов. Выбираемый грунт подается в емкости, расположенные на палубе СПБ 2. Емкости могут быть соединены между собой перепускными трубами, что позволяет обеспечивать в них отстой воды и грунта;
5) позиционирование опускаемой трубы и стыковка ее с ранее уложенной производится водолазами или с помощью монтажного комплекса, описанного в патенте РФ 2324100;
6) обеспечение соосности труб и их герметичное соединение обеспечивается тем, что на конце ранее уложенной трубы имеется раструб, на внутренней поверхности которого имеется выемка для размещения цилиндрической резиновой прокладки. Ответная выемка существует на концевой части трубы. Между торцами труб также имеется прокладка. После стыковки трубы дополнительно соединяются внешними болтовыми соединениями, расположенными в горизонтальной плоскости. Наличие резиновых прокладок обеспечивает герметичность и возможность в определенных пределах осуществлять угловые перемещения как в вертикальной плоскости (за счет демпфирования прокладок), так и в горизонтальной (за счет затяжки соответствующих болтов). Необходимость таких перемещений связана как с коррекцией положения трассы трубопровода по горизонтали, так и с изменением рельефа дна;
7) при обеспечении фиксации положения уложенной трубы в ее средней части (фиг.5) производится подсыпка гравия, создающая снизу и по бокам жесткую подушку. Выбранный ранее донный грунт, прежде всего, крупных фракций отсыпается в траншею. Избыточный или илистый грунт может быть транспортирован в отвалы;
8) после завершения перечисленных операций и некоторого отстоя СПБ 2 перемещается на другую позицию. Для сокращения количества «перестановок» длина майны может быть увеличена вдвое, а позиция для укладки следующей трубы осуществляется путем подъема и повторного опускания кессонов на новую позицию. При этом, учитывая, что длина якорных цепей сравнительно велика, необходимость в использовании буксира для переустановки СПБ 2 сводится к минимуму.
Для улучшения условий работы водолазов (а также для проведения ремонтных работ) герметично соединенные между собой кессоны могут быть трансформированы в воздушный колокол путем установки над ними крышки со шлюзом и необходимыми подъемными и иными приспособлениями и выдавливания воды сжатым воздухом.
Особенность установки труб с отводами заключается в том, что устанавливаемая труба имеет ранее сформированный отвод (фиг.6). В случае необходимости прокладки трубы от ответвления в ту или иную сторону от магистрали, СПБ 2 разворачивается таким образом, чтобы сторона кессона с рецессом 13 «села» на отвод и к нему, уже по описанной технологии, была пристыкована следующая труба.
Укладка отводов к берегу, начальных и конечных участков имеет свою специфику, так как СПБ 2 в непосредственной близости к берегу не может обеспечить выполнение работ по укладке труб по технологии, описанной выше.
Поэтому для укладки труб в прибрежной части предлагаемый способ содержит следующие операции (фиг.7):
1) подход СПБ к берегу и фиксация ее в рабочем положении, включая подъем на опоры;
2) разборка, в случае необходимости, береговой стенки (конструкции набережной);
3) формирование ограждения (шпунтовой стенки), из которой с помощью крана выбирается грунт - формируется траншея для укладки трубопровода требуемой конфигурации;
4) при необходимости из огороженной части акватории откачивается вода, формируется подушка из гравия и песка для укладки участка трубы;
5) осуществляется укладка одной или нескольких труб требуемой конфигурации;
6) производится засыпка траншеи грунтом.
Поскольку погружение нижней кромки кессона в грунт из гравия при последующем ремонте трубопровода может быть затруднено, то должно быть предусмотрено в кессоне 9 наличие рецесса 13 не только в носовой части, но и в кормовой.
Учитывая, что стыковка труб при ремонте не может быть осуществлена использованным при строительстве способом, надо предусмотреть, чтобы заменяемый участок трубы состоял из двух частей, соединяемых между собой муфтами.
Предлагаемое техническое решение позволяет прокладывать водоводы и коллекторы сточных вод в акваториях наиболее технологичным и экономичным способом, при этом соблюдаются все условия по сохранению экологии водных пространств и безопасности работ.