Общие положения

Динамичное развитие техники и технологий, бурный рот городов и промышленных предприятий требует интенсивного строительства подземных коммуникаций различного назначения в экстремальных условиях, как на территории городов, так и за их пределами. Решить эти проблемы позволяет внедрение современных бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций, позволяющих производить работы по прокладке и ремонту подземных коммуникаций различного назначения без внешних экскаваций с использованием техники и технологии горизонтального направленного бурения (ГНБ). Особенно это актуально при строительстве ВОЛП на участках с большим количеством пересечений с газопроводами, нефтепроводами, водными преградами и т.д.

Применение ГНБ позволяет:

• существенно сократить, сроки выполнения работ и затраты на их проведение;
• сохраняются все объекты благоустройства, озеленения и малые архитектурные формы по трассе бурения;
• обеспечивается бесперебойная работа всех видов транспортных средств по магистралям, пересекающим трассу бурения, и объектов, на территории которых производятся работы.

Работы по пересечению подземных коммуникаций осуществляются с использованием мобильного комплекса горизонтального направленного бурения. Используемая техника позволяет прокладывать трубопроводы как пластмассовые, так и металлические.

Применение современной локационной системы обнаружения позволяет постоянно отслеживать положение буровой головки и на основе многопараметрических данных локации управлять процессом бурения.

Бестраншейные технологии применяются не только в тех случаях, когда строительство коммуникаций традиционным методами с внешней экскавацией грунта затруднено или невозможно. Существует и ряд других причин. Так, в ближайшее время предстоит работать в условиях жестких экологических ограничений. При этом пересекать малые реки мощной техникой уже не получится. Кроме того, транспортные артерии большинства городов построены на безальтернативной основе, когда при перекрытии движения транспорта по одной из них парализуется движение в целом районе.

Согласно данным в США и Европе бестраншейные технологии, основанные на горизонтальном направленном бурении – это хорошо сформировавшаяся отрасль строительного комплекса. Только в Америке есть более 30 ассоциаций, объединяющих специалистов в этой области – это союзы производителей, строителей, подрядчиков, использующих данную технику. В настоящее время метод ГНБ нашел широкое применение и у нас в России. Так, в Татарстане успешно работает компания «Эс-Ай-Ви Интертрэйд», которая специализируется на бестраншейном строительстве, ремонте и реконструкции подземных коммуникаций, используя технику и технологии горизонтального направленного бурения. При этом компания эксплуатирует буровые комплексы на базе установок горизонтального направленного бурения высокой и средней мощности производства американских компаний «Straightline» и «Robbins HDD». Установки ГНБ применяются специализированными предприятиями, занимающимися строительством ВОЛП в г. Самаре (ЗАО «ПМК-402»), в г. Саранске (ОАО «Связьстрой-4»), г. Ульяновске и ряде других городов различных регионов России.

В России на сегодняшний день сформировалось устойчивое сообщество профессионалов в области ГНБ. Их усилиями решаются существующие проблемы. Это обеспечит еще более стремительное внедрение бестраншейных технологий в повседневную практику строительства подземных коммуникаций.

Технология бестраншейного строительства методом ГНБ

Перед началом работ тщательно изучаются проектная документация (рис. 6.24), свойства и состав грунта, дислокация существующих подземных коммуникаций, оформляются соответствующие разрешения и согласования на производство подземных работ. Осуществляется выборочное зондирование грунтов и, при необходимости, шурфление особо сложных пересечений трассы бурения с существующими коммуникациями. Результаты этих работ имеют определяющее значение для выбора траектории и тактики строительства скважины. Особое внимание следует уделить оптимальному расположению обеспечению безопасных условий труда буровой бригады и окружающих людей.

Строительство подземных коммуникаций по технологии ГНБ осуществляется в три этапа: бурение пилотной скважины, последовательное расширение скважины и протягивание трубопровода.

Рис. 6.24. Изучение проектной документации по ГНБ.

Принцип работы ГНБ. Перед началом бурения, готовится вводно-бентонитная суспензия (буровая жидкость) с внесением в нее полимера. Относительное количество полимера, бентонита и расход суспензии определяются составом грунта. Примерный состав суспензии: для глинистых и мягких грунтов используется суспензия, в состав которой входит 1900л воды, 25кг бентонита и 1 литр полимера; для глинисто-песчаных грунтов используется суспензия, в состав которой входит 1900л воды, 50кг бентонита и 1,5 литра полимера. Расход суспензии на 100м бурения, расширения отверстия до 100мм и укладке трубы будет не более 1900 литров. Стоимость расходных материалов не превышает 5% стоимости бурильных работ.

Установка ГНБ закрепляется на исходной точке вертикальными стойками-упорами (анкерами) и бурильная лопатка с преобразователем, прикрепленная к первой штанге, вращательно-поступательным движением вводится в грунт под углом примерно 13⁰.

На рис. 6.25 показан общий вид установки горизонтального направленного бурения «Robbins HDD», модель 1510TMSC.

В зону бурения под большим давлением, по внутреннему каналу буровой штанги и специальным отверстиям в бурильной лопатке (соплам), подается буровая жидкость, разжижающая грунт, формирующая в нем скважину. Буровая жидкость одновременно является смазкой между грунтом, буровыми штангами и коммуникационным средством при последующем его затягивании в скважину.

По мере вхождения бурильной лопатки в грунт, штанги автоматически подаются из кассеты и соединяются между собой при помощи конической резьбы. Оператор установки ГНБ при помощи рычагов управления может изменять вталкивающее усилие и частоту вращения бурильной лопатки. Важным условием долговечности работы буровых штанг является смазка из резьбы специальными смазочными материалами при свинчивании штанг в плеть. Форма бурильной лопатки позволяет изменять «угол атаки» при бурении, т.е. производить «руление» бурильной лопатки. При этом останавливается вращение лопатки в определенном положении, отслеживаемом на локаторе и производится только ее вдавливание. В зависимости от того, как расположена лопатка в данный момент времени, она может изменять направление движения под землей. За счет упругой деформации штанг на 90-метровом участке бурения возможно изменение направления бурения на 90⁰.

Рис. 6.25. Общий вид установки ГНБ «Robbins HDD».

Оператор локационной системы во время процесса бурения постоянно отслеживает положение бурильной лопатки по трем координатам: пройденному расстоянию, глубине залегания бурильной лопатки и «углу атаки». Кроме того, эти данные оперативно передаются на информационный пульт оператора установки ГНБ, с которым оператор локационной системы также поддерживает радиосвязь. Это позволяет вводить плеть буровых штанг в грунт и выводить ее из грунта в расчетном месте с высокой точностью позиционирования. Возникшие под землей по маршруту бурения препятствия (крупные камни, металлические предметы и т.п.), можно обойти изменяя «угол атаки» бурильной лопатки. Для этого, необходимо вытащить плеть на одну – две штанги, выставить бурильную лопатку под определенным углом и вновь произвести вдавливание плети. За счет изменения «угла атаки» бурильная лопатка с плетью штанг изменит направление движения и обойдет препятствие. Для обхода крупногабаритных препятствий вышеуказанную операцию, при необходимости, проводят в несколько проходов. Если обойти препятствие вышеуказанным способом не представляется возможным, вместо бурильной лопатки используют шарошечный бур, которым в препятствии высверливается отверстие. После выхода плети штанг на поверхность земли, бурильная лопатка заменяется расширителем (риммером), который предназначен для расширения отверстия в грунте при обратном ходе плети – втягивании. При этом, буровая жидкость формирует скважину и наличие в вводно-бентонитовой смеси полимера, позволяет ей сохранять форму после прохождения риммера.

Планирование и расчет траектории бурения. Траектория бурения должна быть спланирована и рассчитана до начала проведения работ. Основные моменты планирования включают в себя определение длины и глубины пути, учет подземных препятствий, получение информации о существующих подземных структурах (наличие карт подземных коммуникаций), получение разрешений на проведение работ, уведомление служб единого вызова, аварийных служб и служб дорожного движения, инспектирование места работы, определение источников риска.

Траектория бурения может быть размечена прямо на поверхности, или на чертеже места производства работ (плане бурения). Расчет траектории бурения выполняется с помощью специальных диаграмм. Это позволит рассчитать минимальные радиусы кривизны плети штанг и укладываемого материала, углы входа и выхода бура по отношению к поверхности земли, дистанции возврата (расстояния от начала или конца пути бурения до точки горизонтального участка бурения). При расчетах траектории бурения должны быть учтены мощностные характеристики установки ГНБ при расширении скважин и затягивании коммуникационных средств, т.к. в этом режиме установка ГНБ работает на максимальных мощностных режимах.

На это этапе также должна быть произведена оценка условий почвы (уплотняемость, содержание влаги, пористость, липкость, наличие камней и подземных вод). Оценка условий почвы влияет на выбор инструмента и состав буровой жидкости. Комплектность инструмента и подбор состава суспензии также проводится на этапе планирования траектории. При планировании траектории бурения составляется контрольный перечень пунктов по планированию бурения, являющийся руководством для проведения работ.

Организация места работ. Проводится непосредственно перед началом бурения. Она включает в себя доставку комплекса ГНБ к месту проведения бурения, выгрузку установки ГНБ с трейлера, позиционирование установки на местности с учетом уклонов земной поверхности, выбор угла наклона буровой рамы установки.

Организация места работы предусматривает также настройку сигнализации предупреждения подземного столкновения с электрическими сетями, находящимися под напряжением, размещение защитных «зануляющих» матов, а также соединение матов, корпуса установки ГНБ, миксера (смесителя) и системы сигнализации кабелями, тестирование всей системы перед началом проведения работ.

Следующим этапом организации является анкерная фиксация установки ГНБ. После анкерной фиксации установки ГНБ производится запуск двигателей установки ГНБ, миксера для приготовления суспензии, приготовления вводно-бентонитовой суспензии и добавка в нее требуемого количества полимера, а также соединение шлангов гидросистемы. На протяжении всего этапа организации работы необходимо обязательно руководствоваться контрольным перечнем действий по организации места работ.

Выполнение пилотного бурения. Пилотное бурение (первичная проходка лопатки по заданной траектории) состоит из тех этапов: начала пилотного бурения, непосредственного выполнения пилотной скважин и заключительного этапа бурения, когда бурильная лопатка выходит на поверхность земли.

На первом этапе пилотного бурении необходимо загрузить первую штангу в направляющую раму и произвести ее сборку с буровой головкой, состоящей из бурильной лопатки, фильтра подачи суспензии и передатчика локационной системы. Перед свинчиванием буровой штанги и буровой головки необходимо тщательно смазать резьбовые соединения, так как от этого зависит долговечность службы штанг и бура. После выполнения операции сборки буровой штанги с буровой головкой необходимо с помощью переключателя управления подачи с насосно-нагнетательной станции буровой жидкости, пропустить жидкость через шланги в буровую штангу, ствол буровой головки, фильтр и сопла, убедившись в правильном функционировании гидросистемы и создании необходимого для выполнения бурения давления буровой жидкости. Для создания оптимальных условий вхождения бурильной лопатки в грунт и компенсации, возникающих при этом радиальных усилий, целесообразно прокопать входное отверстие, обеспечив перпендикулярность поверхности грунта к продольной оси буровой головки.

На втором этапе пилотного бурения оператор установки ГНБ производит непосредственное бурение, контролируя рычагами управления (джойстиком) поступательное и вращательное движение бура, наращивает плеть буровых штанг, с помощью загрузчика и специальных зажимов, отключая при этом давление буровой жидкости в гидросистеме. Кроме этого, находясь в постоянной радиосвязи с оператором локационной системы, оператор установки ГНБ обеспечивает направление движения буровой головки по заданной траектории, путем комбинации прямых проходов бура (при его вращении) с дугообразными (рулевыми). «Руление» происходит за счет поворота бурильной лопатки до нужной ориентации бурового скоса и последующего проталкивания бура без вращения, что приводит к нужному изменению направления движения. Первый этап «руления» выполняется для горизонтального выравнивания бура, когда буровая головка достигла необходимой глубины, определяемой локационной системой. Оператор локационной системы постоянно отмечает новую позицию, глубину и «угол атаки» бурильной головки, сверяет ее местонахождение с спланированной траекторией, определяет, требуется ли дополнительное переориентирование и наносит фактическую траекторию продвижения бура на план бурения.

Оператор установки ГНБ во время бурения не только контролирует величины осевого усилия и крутящего момента, но и регулирует объем подачи бурильной жидкости в зону бурения. При правильно установленном потоке буровой жидкости, обеспечивается охлаждение бурового вала, укрепление стенок туннеля и минимизация трения буровой головки о стенки скважины.

Пилотное бурение завершается, как только бурильная головка выходит на поверхность почвы, обычно в запланированной точке выхода. Поворот траектории горизонтального бурения к запланированной точке выхода. Поворот траектории горизонтального бурения к запланированной точке выхода не должен превышать ограничений радиуса изгиба, так как последний изгиб при пилотном бурении является первым изгибом при прокладке и/или расширении.

Когда оператор локационной системы видит, что бурильная головка сориентирована вверх, необходимо обезопасить зону вокруг точки выхода, и как только головка выйдет на поверхность, оператор установки ГНБ должен отключить подачу бурильной жидкости, продвинуть плеть вперед, чтобы освободить бурильную головку от земли и выключить двигатель. А затем отсоединить бурильную головку и извлечь передатчик.

При пилотном бурении формируется скважина диаметром 75-100мм, которая, как правило, может быть достаточной для прокладки кабелей связи. Однако, если нужно, то можно расширить скважину путем протягивания «риммера - расширителя» в обратном направлении.

Протягивание трубопровода. На противоположной от буровой установки стороне скважины располагается готовая к протягиванию плеть трубопровода. К переднему концу плети крепится оголовок с воспринимающим тяговое усилие вертлюгом и риммером. Вертлюг позволяет вращаться буровой нити и риммеру, и в то же время не передает вращательное движение на трубопровод. Таким образом, буровая установка затягивает в скважину плеть протягиваемого трубопровода по проектной траектории. Следует отметить, что диаметр сформированной скважины, как правило, должен быть на 30-50% больше диаметра затягиваемой в нее пластмассовой или металлической трубы без изоляции и в 2 раза больше, при затягивании в скважину трубы в изоляции. При затягивании трубы бентонит заполняет пустоты, затвердевает и предотвращает проседание грунта. Проверку целостности изоляции после прокладки трубы производят методом неразрушающего контроля. Затем в трубопровод (пластмассовая или металлическая труба) затягивают волоконно-оптический кабель. На рис. 6.26 показаны этапы горизонтального направленного бурения скрытых переходов для прокладки ОК.

Рис. 6.26. Этапы ГНБ скрытых переходов для прокладки ОК.

На заключительном этапе работ необходимо заровнять все проделанные экскавации грунта, убрать ограждения и восстановить озеленение. Регламентные работы комплекса горизонтального направленного бурения проводятся в соответствии со специальной инструкцией.