СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА ПРИ ПЕРЕСЕЧЕНИИ УЧАСТКА С ПРОГНОЗИРУЕМЫМИ СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД
METHOD OF CONSTRUCTING BURIED PIPELINE IN CROSSING SECTION WITH FORECAST CONCENTRATED DEFORMATIONS OF ENCLOSING STRATA

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при подземной прокладке металлических трубопроводов, пересекающих участки с прогнозируемыми сосредоточенными деформациями вмещающих пород.
Сосредоточенные деформации чаще всего происходят в неустойчивых грунтах горной местности, в районах шахтных разработок, в многолетнемерзлых грунтах, просадочных при оттаивании, в заболоченных местах и на оползневых склонах, а также в местах выхода тектонических нарушений, особенно при сейсмическом воздействии.
Общеизвестен способ сооружения подземного трубопровода (см. СНиП 2.05.06-85*(2000) Магистральные трубопроводы, далее [1]), согласно которому сначала отрывают траншею, ось которой в плане соответствует оси трубопровода, а затем укладывают в траншею трубопровод и засыпают траншею грунтом.
При эксплуатации такого трубопровода в местах пересечения участка с сосредоточенными деформациями вмещающие породы через засыпку силовым образом воздействуют на трубопровод и прогибают его. Этот прогиб в направлении наибольшего воздействия может превысить допустимую величину и нарушить условие прочности трубопровода на участке. При этом, например, сейсмические сотрясения, прежде всего при пересечении трубопроводом тектонического разлома, особенно в многолетнемерзлых грунтах, обуславливают опасные воздействия на трубопровод как в его поперечном, так и продольном направлении.
Для технической защиты трубопровода в зависимости от местных условий, направления и величины силового воздействия предложен ряд конструктивных решений и технологических приемов, а в источнике [1] представлена методика расчета трубопровода на прочность и устойчивость. Все это предназначено для предотвращения при эксплуатации недопустимого, нарушающего условие прочности, прогиба трубопровода от возможного бокового на него воздействия и/или недопустимого силового воздействия на трубопровод в его продольном направлении. При этом особое внимание уделяют обеспечению относительно свободного перемещения и деформирования трубопровода.
Известен способ прокладки подземного трубопровода на неустойчивых грунтах, заключающийся в геодезическом изыскании с геологическим определением границ участков с неустойчивыми грунтами, отрывке траншеи, укладке в нее металлического трубопровода, стабилизации его путем формирования профиля допустимого упругого изгиба трубопровода на переходных зонах, примыкающих к устойчивым грунтам, и засыпке траншеи. Профиль упругого изгиба формируют путем подвески трубопровода на гибких тягах расчетной длины (см. авт.св. СССР №1551008, опубл. 20.09.1995, далее [2]).
Такой способ прокладки трубопровода сложен и не всегда обеспечивает компенсацию возможных перемещений в сейсмоактивной местности.
Известен способ прокладки компенсационного участка подземного трубопровода, заключающийся в рытье зигзагообразной траншеи, укладке в нее металлического трубопровода и засыпке траншеи (см. авт.св. СССР №1775576, опубл. 15.11.1992, далее [3]).
Такой способ прокладки трубопровода предназначен для компенсации возникшей при эксплуатации продольной деформации путем изменения начальной стрелы прогибов только за счет сжатия засыпки траншеи, что может оказаться недостаточным, особенно в сейсмоактивной местности.
Известен способ сооружения наземного трубопровода, согласно которому трубопровод укладывают в основание специально возводимой насыпи [1, п.5.4]. При этом трубопровод укладывают с искривлением упругим изгибом, и он может располагаться на торфе (см. пат. RU №2329428, опубл. 20.07.2008, далее [4]).
Такой трубопровод эффективно работает на заболоченной местности, в просадочных при оттаивании грунтах, а так же в сейсмоактивной местности. Это объясняется тем, что защемление трубопровода в насыпи и сопротивление торфа и насыпи поперечному смещению трубопровода во много раз меньше, чем у минерального грунта природного сложения, что снижает напряженно-деформированное состояние (НДС) трубопровода от внешних и внутренних нагрузок. Однако возведение насыпи связано с высокими затратами, а сам способ имеет ограниченную область применения. Дополнительно, увеличение длины изгибаемого участка при эксплуатации трубопровода, необходимое для улучшения его НДС, возможно только за счет деформации грунтов насыпи и основания, что может оказаться недостаточным, а в условиях мерзлых грунтов невозможным.
Ниже приведен ряд известных способов сооружения подземного трубопровода, которые предназначены, прежде всего, для пересечения тектонических разломов.
Известен способ сооружения подземного трубопровода, включающий рытье траншеи, установку в нее лотков, укладку на них на подпружинных подвесках трубопровода и закрытие лотков плитами (см. пат. RU №2197667, опубл. 27.01.2003, далее [5]). Недостатками способа являются высокая трудоемкость и сложность осуществления подвешивания трубопровода после его укладки в лоток и установки ригелей.
Известен способ сооружения подземного трубопровода, включающий отрывку траншеи, установку в нее лотков и опорных элементов с подвешенными к ним на тросах ложементами из сегментов отрезков трубы, укладку трубопровода на ложементы и закрытие лотков плитами (см. пат. RU №2262631, опубл. 20.02.2005, далее [6]). Недостатком способа является высокая трудоемкость.
Известен способ сооружения подземного трубопровода, включающий отрывку траншеи, установку в нее лотков и опорных элементов с подвешенными к ним на тросах ложементами из сегментов отрезков трубы, укладку трубопроводов на ложементы и закрывание лотков плитами. Между лотками и плитами по длине участка тектонического разлома устанавливают эластичные замкнутые оболочки, тросы с ложементами крепят на плитах, оставшееся после монтажа трубопровода пространство заполняют легкодеформируемым материалом. Высоту оболочек в заполненном состоянии и зазор между трубопроводом и внутренней поверхностью лотков принимают не менее величины максимально возможного прогнозного смещения трубопровода (см. пат. RU №2363875, опубл. 10.08.2009, далее [7]). Недостатком способа является высокая трудоемкость.
Известен способ сооружения подземного трубопровода, включающий отрывку траншеи, установку в нее лотков и на определенном расстоянии опорных элементы с ложементами из сегментов отрезков трубы, укладку трубопровода на ложементы и закрывание лотков плитами. Дополнительно, ложементы закрепляют на пневматических рессорах с возможностью подкачки в них сжатого воздуха через воздуховоды, оставшиеся после монтажа трубопровода, пространство заполняют легкодеформируемым материалом, а высоту пневматических рессор в заполненном состоянии и зазоры между трубопроводом и лотками принимают более величины максимального возможного прогнозного смещения трубопровода (см. пат. RU №2363876, опубл. 10.08.2009, далее [8]). Недостатком способа является высокая трудоемкость, а использование пневматических рессор усложняет эксплуатацию трубопровода.
Способы, указанные в источниках [5-8], предусматривают установку в траншею железобетонных лотков и расположение в них трубопровода путем его подвешивания и/или упругого опирания, что из-за высокой сложности и трудоемкости ограничивает применение этих способов.
Известны способы прокладки трубопроводов на участках тектонических разломов, каждый из которых включает отрывку траншеи, установку в нее лотков, прокладку в них трубопровода и засыпку грунтом, при этом в качестве лотка используют:
- эластичные замкнутые оболочки, которые заполнены воздухом, закреплены на внешней стороне трубопровода и соединены через ниппели с воздуховодом с возможностью подкачки и контроля давления воздуха в них (см. Пат. RU №2363874, опубл. 10.08.2009, далее [9]);
- цилиндрические замкнутые оболочки, которые заполнены сжатым воздухом, закреплены по винтовой линии на внешней стороне трубопровода и соединены друг с другом патрубками с возможностью подкачки и контроля давления воздуха в них (см. пат. RU №2365802, опубл. 27.08.2009, далее [10]);
- половинки утилизированных автомобильных шин, которые скреплены друг с другом боковыми поверхностями в группы, при этом предварительно укладывают нижнюю часть лотка из одних половинок шин, затем в них укладывают трубопровод, а сверху трубопровод накрывают другими половинками шин, скрепляют их между собой и обсыпают грунтом (см. пат. RU №2264577, опубл. 20.11.2005, далее [11]).
Недостатком первых двух способов [9 и 10] является необходимость постоянного контроля состояния пневматических оболочек и подкачки в них воздуха, что усложняет эксплуатацию трубопровода. Недостатком третьего способа [11] является большое количество автомобильных шин большого диаметра, что может препятствовать использованию способа.
Известен способ прокладки компенсационного участка на местности с активными сейсмотектоническими зонами, который заключается в том, что отрывают траншею с пологими откосами, ось которой в плане соответствует оси компенсационного участка, отсыпают на ее дно подушку из песчаного наполнителя высотой не менее 0,5 наружного диаметра трубопровода и укладывают на нее трубопровод. После этого траншею засыпают песчаным наполнителем, в качестве которого используют промытый речной песок средней крупности или крупный, не содержащий пылеватые, или глинистые фракции, или крупнообломочную примесь. Дополнительно, песчаный наполнитель вместе с трубопроводом может быть заключен в водонепроницаемую оболочку (см. пат. RU №2241889, опубл. 10.12.2004, далее [12]).
Недостатком этого способа является низкая эффективность работы компенсационного участка из-за относительно высокой степени защемления трубопровода в песке, особенно маловлажном [1, п.8.58, табл.15], а также относительно низкой, причем неупругой деформируемости песка.
Задача (технический результат), на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении эффективности способа за счет снижения трудоемкости работ, упрощения эксплуатации трубопровода, универсальности защиты трубопровода от сосредоточенных деформаций вмещающих пород независимо как от природы деформации, так и ее направления, а также за счет расширения арсенала технических средств.
0
1
2
1
2
1
2
0
р
1
2
р
a
Технический результат достигается тем, что способ сооружения подземного трубопровода при пересечении участка с прогнозируемыми сосредоточенными деформациями вмещающих пород (то же: неустойчивых пород) осуществляют следующим образом. Сначала по оси трубопровода определяют расстояние l между границами пересекаемого участка сосредоточенных деформаций вмещающих пород и максимальные прогибы от заданного положения трубопровода на этом участке в направлении максимального воздействия вмещающих пород: возможный прогибу ƒ из условия деформаций пород и допустимый прогиб ƒ из условия прочности трубопровода. Затем роют траншею, ось которой в плане соответствует оси трубопровода, укладывают в траншею трубопровод и засыпают траншею грунтом. В случае превышения возможного прогиба ƒ трубопровода над допустимым прогибом ƒ, трубопровод снабжают двумя компенсационными участками, каждый из которых в пределах своей заданной длины, соответственно l и l, вмещает границу пересекаемого участка, а совместно они увеличивают длину прогибаемой части трубопровода от l до расчетной величины l. Совместная работа компенсационных участков обеспечивает в средней части пересекаемого участка смещение трубопровода в направлении максимального прогиба, по меньшей мере, на величину =ƒ-ƒ, причем с соблюдением условия прочности трубопровода на всей его прогибаемой расчетной длине l.
Дополнительно:
- трубопровод в пределах компенсационного участка снабжают деформируемой прокладкой, которая примыкает к трубопроводу, по меньшей мере, со стороны, противоположной максимальному воздействию вмещающих пород, имеет по длине переменную толщину и в любом своем поперечном сечении обеспечивает смещение прогибаемого в направлении максимального воздействия вмещающих пород трубопровода на заданную величину;
- трубопровод снабжают защитным покрытием с низкими показателями сопротивления на сдвиг, преимущественно из полиэтилена заводского нанесения, при этом дополнительно трубопровод покрывают рулонным материалом с консистентной смазкой в основании;
- трубопровод между компенсационными участками снаружи снабжают слоем ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами и заданной толщины, преимущественно из пенополистирола или пенополиуретана;
- прокладку выполняют из ячеистой пластмассы или ячеистого минерального материала с герметически закрытыми порами, при этом прокладку выполняют по длине из секций, каждую из которых заключают в оболочку из водонепроницаемого материала;
- прокладку выполняют из эластичных замкнутых оболочек, заполненных сжатым воздухом;
- прокладку выполняют из половинок утилизированных автомобильных шин;
Именно снабжение трубопровода двумя компенсационными участками по вышеуказанным правилам обеспечивает увеличение длины прогибаемой части трубопровода и смещение этой части трубопровода в направлении максимального прогиба на величину, предотвращающую перенапряжение трубопровода.
Конструкция компенсирующего участка может иметь различное выполнение, предпочтительным же, по мнению заявителя, является компенсирующий участок с деформируемой прокладкой, выполненной из упругодеформируемой ячеистой пластмассы. Известно использование ячеистой пластмассы, например пенополиуретана, для теплоизоляции трубопроводов при их подземной прокладке (см. пат. РФ 2327923, 2189521 и др.). В предложенном способе ячеистая пластмасса используется для придания прокладке высокой деформируемости за счет газов, заполняющих поры в пластмассе. Поэтому в этом способе не требуется постоянный контроль пневматического состоянием прокладки и подкачки в нее воздуха, что упрощает эксплуатацию трубопровода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображено расположение трубопровода относительно оползневого тела, схематичный план;
на фиг.2 - продольный профиль трубопровода, степень уменьшения горизонтальных размеров, примерно в 2-3 раза, превышает уменьшение вертикальных размеров;
на фиг.3 - разрез А-А на фиг 2, вариант 1, прокладка из ячеистой пластмассы;
на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг 2;
на фиг.5 - разрез А-А, вариант 2, прокладка из эластичных замкнутых оболочек 2;
на фиг.6 - разрез А-А, вариант 3, прокладка из половинок утилизированных автомобильных шин.
Пример. Трасса трубопровода 1 в сейсмоактивной местности пересекает установленное изысканиями оползневое тело 2, которое сформировано осадочными отложениями и движется в зависимости от сейсмической активности со скоростью 1-5 см/год в направлении русла реки 3, подрабатывающей склон 4. Оползневое тело 2 ограничено снизу поверхностью скольжения 5 (фиг.2), а с боков устойчивыми породами 6, которые образуют границы 7 и 8 оползневого тела 2.
0
1
2
Сначала по оси 9 трубопровода 1 определяют расстояние l между границами 7 и 8 пересекаемого участка сосредоточенных деформаций вмещающих пород и максимальные прогибы от заданного положения трубопровода 1 на этом участке в направлении максимального воздействия 10 вмещающих пород: возможный прогиб ƒ из условия деформаций пород и допустимый прогиб ƒ из условия прочности трубопровода 1. Затем отрывают траншею 11, ось 12 которой в плане соответствует оси 9 трубопровода 1, укладывают в траншею 11 трубопровод 1 и засыпают траншею грунтом засыпки 13.
1
2
1
2
0
р
Одновременно в случае превышения возможного прогиба ƒ над допустимым прогибом ƒ, трубопровод 1 снабжают двумя компенсационными участками 14 и 15, каждый из которых в пределах своей заданной длины, соответственно l и l, вмещает границу пересекаемого участка, соответственно 7 и 8, а совместно они увеличивают длину прогибаемой части трубопровода 1 от l до расчетной величины l.
п
в
1
2
р
р
Ось 9 трубопровода 1 между границами 7 и 8 может иметь начальное положение прямое 9 или выпуклое 9, а также два теоретических: 9 и 9. Конечное же расчетное положение 9 ось трубопровода 1 может иметь на его прогибаемой расчетной части l (см. фиг.1).
7
8
1
2
р
7
8
a
а
a
Основным конструктивным элементом каждого компенсационного участка 14 и 15 является деформируемая прокладка 16. Эта прокладка 16 примыкает к трубопроводу 1, по меньшей мере, со стороны, противоположной максимальному воздействию 10 вмещающих пород, имеет по длине переменную толщину и на границе 7 или 8 обеспечивает смещение прогибаемого в направлении максимального воздействия 10 вмещающих пород трубопровода 1 на заданную величину, соответственно a или a. Совместная же работа компенсационных участков 14 и 15 обеспечивает в средней части пересекаемого участка смещение трубопровода 1 в направлении 10 максимального прогиба, по меньшей мере, на величину =ƒ-ƒ, причем с соблюдением условия прочности трубопровода 1 на всей его прогибаемой расчетной длине l. При этом толщина прокладки 16, по меньшей мере, на 20-30% превышает соответствующую ей величину смещения  или  трубопровода 1.
Деформируемая прокладка 16 (фиг.4) по длине состоит из секций 17. Каждую секцию 17 выполняют из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами, и ее целесообразно заключить в оболочку 18 из водонепроницаемого материала.
Вспененные ячеистые пластмассы, по сути, являются композиционными материалами и обычно на 96% и более своего объема состоят из защемленного в порах газа. При сжатии толщина прокладки уменьшается, при этом возрастает сопротивление сжатию со стороны газа, заключенному в порах, а ячеистая пластмасса в существенной мере работает как заполненная газом оболочка. При этом отпадает необходимость постоянного контроля состояния такой пневматической оболочки и подкачки в нее воздуха, что упрощает эксплуатацию трубопровода 1.
a
1
2
Прокладка 16 может быть выполнена из ячеистого минерального материала с герметически закрытыми порами, такого как керамзит, шлак, искусственный песок в виде вспученного вермикулита и перлита или других материалов. Такая прокладка 16 менее сжимаемая, поэтому ее толщина в 3-4 раза превышает необходимую величину смещения трубопровода 1 =ƒ-ƒ.
Эффективность способа повысится, если прокладку 16 выполнить из ячеистого полимера, а нижнюю часть грунтовой засыпки 13 - из ячеистого минерального материала.
Трубопровод 1 (фиг.4) снабжают защитным покрытием 19 с низкими показателями сопротивления на сдвиг. Покрытие 19 может быть комбинированным и состоять, например, из полиэтилена заводского нанесения и рулонного материалом с консистентной смазкой в основании (эти элементы на чертежах не выделены).
осн
p
1
2
Между компенсационными участками 14 и 15 трубопровода 1, т.е. на основном его участке l=l-l-l, включающем среднюю часть пересекаемого участка, снаружи снабжают слоем 20 из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами и заданной толщины, преимущественно из пенополистирола или пенополиуретана (фиг.4).
Прокладка 16 может быть выполнена из эластичных замкнутых оболочек 21, заполненных сжатым воздухом (фиг.5) или из половинок утилизированных автомобильных шин нижних 22 и верхних 23 (фиг.6). В зависимости от местных условий нижние половинки шин 22 могут быть на 20-30 градусов повернуты против часовой стрелки (фиг.6), а верхние половинки 23 шин заменены слоем 20 ячеистой пластмассы.
Особенность работы подземного трубопровода, сооруженного в соответствии с настоящим изобретением и применительно к описанному примеру осуществления, заключается в следующем.
р
7
8
1
2
a
а
1. Компенсационные участки 14 и 15 обеспечивают увеличение длины прогибаемой части трубопровода до расчетной величины l и смещение трубопровода 1 в средней части пересекаемого участка в направлении 10 максимального воздействия оползневого тела 2 за счет сжатия прокладок 16, по меньшей мере, на величину =(a+a)/2=ƒ-ƒ. Эта величина смещения  необходима для предотвращения перенапряжения трубопровода 1 при его совместной работе с прокладкой 16 и грунтом засыпки 13 в условиях воздействия оползня 2.
a
а
7
8
Смещения трубопровода 1  и  по величине могут быть как равными, так и существенно отличными и, как частный случай, одно из смещений может равняться нулю, но с обязательным фиксированием соответствующей границы 7 или 8.
2. Ячеистая пластмасса используется для придания как прокладкам 16, так и слою 20 высокой деформируемости за счет газов, заполняющих поры в пластмассе. Поэтому не требуется постоянный контроль пневматического состоянием прокладок 16 и слоя 20 и подкачки в них воздуха, что упрощает эксплуатацию трубопровода 1.
3. Защитное покрытие 17, содержащее смазку, и легкодеформируемый слой 20 ячеистой пластмассы в существенной мере уменьшают силовое воздействие на трубопровод 1, особенно сейсмических сил, как в продольном направлении трубопровода, так и в поперечном.
В настоящем изобретении в независимом первом пункте формулы дано решение задачи на общем уровне сложности, а в последующих зависимых пунктах это решение развито и уточнено.
В зависимости от местных условий в конструкции, прежде всего компенсационных участков, могут быть внесены различные модификации и изменения без отхода от объема изобретения, т.е. от первого пункта формулы изобретения.
При составлении формулы изобретения у заявителя возникло затруднение при выборе прототипа из известных аналогов, поэтому формула составлена без разделения на ограничительную и отличительную части.
Обозначения
1 - трубопровод,
3 - русло реки,
4 - склон,
5 - поверхность скольжения,
6 - устойчивые породы,
7 и 8 - границы оползневого тела в плане,
9 - ось трубопровода,
п
9 - прямое первоначальное положение оси трубопровода,
в
9 - выпуклое первоначальное положение оси трубопровода,
1
2
9 и 9 - теоретические конечные положения оси трубопровода,
р
9 - конечное расчетное положение трубопровода,
10 - направление максимального воздействия,
11 - траншея 12-ось траншеи,
13 - грунт засыпки,
14 и 15 - компенсирующие участки,
16 - деформируемая прокладка,
17 - секция прокладки,
18 - оболочка, заполненная ячеистой пластмассой,
19 - защитное покрытие,
20 - слой ячеистой пластмассы,
21 - оболочка, заполненная сжатым воздухом,
22 - нижняя половинка автомобильной шины,
23 - верхняя половинка автомобильной шины,
24 - естественная поверхность склона.