Султанов Д.А., Нагманова А.Н. Реновация структурной целостности и рабочих характеристик канализационных коллекторов на основе применения технологии полиэтиленовых модулей. Sciences of Europe # 62, (2021)
Практичность и актуальность метода бестраншейного восстановления (капитального ремонта) канализационных и водоотводящих коллекторов различных диаметров, делают данный метод одним из наиболее востребованных. Ремонт канализационных коммуникаций из года в год не только остается актуальной, но и все более важной проблемой для многих российских городов.
Необходимость увеличения объемов ремонта самотечных трубопроводов диаметром 500–3500 мм стремительно возрастает. Тенденция объясняется крайне ветхим состоянием коллекторов, выполненных в основном из железобетонных элементов. Повреждения и аварии на этих сооружениях приводят к негативным последствиям для социальной и производственной инфраструктуры, наносят ущерб окружающей среде. Изношенность железобетонных коллекторов объясняется многими причинами, среди которых основное место занимают физико-химическое воздействие агрессивных веществ, с образованием на своде коллектора кислотного конденсата, газовая коррозия. «Мокрая» часть коллектора подвержена абразивному износу, выщелачиванию и биообрастанию.
Существенным преимуществом бестраншейных методов ремонта являются:
- относительно небольшие затраты времени на разработку грунта, разборку и восстановление дорожного полотна;
- отсутствие необходимости согласования работ с техническими службами (чем меньше вмешательство в подземную инфраструктуру городской территории, тем меньше количество согласований);
- вероятность повреждения существующих коммуникаций, проходящих под землей в непосредственной близости от ремонтируемого трубопровода, сводится к нулю.
Существующая практика ремонта данным методов в России показывает, что трудовые и финансовые затраты на ремонт трубопроводов в большинстве случаев меньше или равны издержкам при использовании обычных методов. Тем не менее, существует разница между более дорогими и более дешевыми вариантами бестраншейного ремонта.
Стоимость работ пропорциональна сложности работ и технике, применяемой на строительной площадке. Для одних методов требуется более дорогостоящее оборудование, для других необходимо меньшее количество техники и инструментов. Следовательно, существуют различия в стоимости работ. Таким образом, бестраншейные способы ремонта являются наиболее предпочтительными и более целесообразными, по сравнению с остальными. Проводя анализ современных методов бестраншейного ремонта, можно сделать вывод, что целесообразные способы восстановления должны основываться на необходимом применении отделки (внешних стен) с высокой химической стойкостью и необходимой несущей способностью.
Последний пункт является достаточно важным, так как в России остаточный ресурс коллекторов большого диаметра не более 30%. Обеспечение только герметичности коллекторов («рукавные» технологии, нанесение цементно-песчаных или полимерных покрытий, использование тонкостенных полиэтиленовых труб-оболочек или эластичных лент) может оказаться недостаточно эффективным. Выбор неподходящего метода восстановления не ликвидирует начавшуюся коррозию и структурные разрушения, и, соответственно, не обеспечит расчетного срока эксплуатации трубопровода.
Целесообразным и эффективным способом является реновация структурной целостности и рабочих характеристик трубопроводов с использованием полиэтиленовых модулей.
Главными преимуществами данной технологии являются:
- высокая химическая стойкость и несущая способность элементов;
- относительно невысокая стоимость;
- удобство и простота монтажа;
- отсутствие необходимости в сложном технологическом оборудовании;
- возможность осуществления работ без вывода трубопровода из эксплуатации (в потоке рабочей жидкости).
К минусам относятся значительные затраты на доставку крупногабаритных модулей к участку ремонта трубопровода.
Монтажные работы производятся в несколько этапов.
На первом этапе производится обследование трубопровода для определения его фактического технического состояния. К этому процессу относится диагностика колодцев, камер, трассы прохождения трубопровода, видеоинспекция внутренней поверхности, ультразвуковая диагностика, определение планово-высотного положения участков трубопровода. По результатам обследования подводятся итоги, выполняется оценка обнаруженных изъянов, готовится заключение, разрабатываются технические решения.
Производится выбор резьбовых элементов необходимого размера, длины и кольцевой жесткости, отмечаются участки разработки технологических котлованов, подготавливается план производства работ (ППР).
На следующем этапе производятся подготовительные работы – согласования и получение разрешений, вскрытие колодцев и камер, раскопка дополнительных технологических котлованов, при необходимости, доставка и складирование материалов, расстановка техники. Осуществляется прочистка и повторная инспекция трубопровода.
На третьем этапе резьбовые элементы по одному подаются в трубопровод через камеру или небольшой стартовый котлован, свинчиваются и, при помощи лебедки, протягиваются в потоке рабочей жидкости (обычно по направлению потока). На рисунке 1 показана подача нарезных элементов трубопроводов.
При этом стоки выполняют роль лубриканта, защищая наружную поверхность трубы от повреждений, а выталкивающая сила потока снижает усилия, необходимые для протяжки. По завершении процесса протяжки труба фиксируется, пространство между трубой и старым коллектором заполняется специальным забутовочным раствором, образуя прочную трехслойную конструкцию. Осуществляется проверка качества выполненных работ, восстановление камер, благоустройство и сдача трубопровода в эксплуатацию.
Рассмотрим бестраншейное восстановление участка канализационной сети методом вставок с использованием коротких полиэтиленовых труб на примере ремонта и восстановления канализационного коллектора диаметром 1500 мм по ул. Южной в Белгороде.
На рисунке 2 показано:
- опускание модулей в существующий коллектор через стартовые котлованы. Модули соединены между собой с помощью резьбы;
- введение трубы в разрушенный трубопровод;
- сварка коротких труб между собой.
С помощью крана и петлевого соединения осуществляется проворачивание нового трубопровода для сварки стыков. Операция проворачивания нового трубопровода не вызывает сложности ввиду наличия в существующем коллекторе воды.
Протягивание выполняется от стартовой шахты в целевую, на которой предварительно установлено используемое для вовлечения оборудование. После окончания протягивания и сварки модулей осуществляется инъецирование межтрубного пространства цементно-песчаным раствором. На последнем этапе выполняется демонтаж стальных и деревянных креплений в котлованах, обратная засыпка и благоустройство территории.
В декабре 2018 г. произошло обрушение канализационного тоннеля вблизи восстановленного участка сети (рис. 3). На поверхности, в районе прохождения коллектора, была обнаружена просадка грунта глубиной до 11 м на расстоянии 6-8 м от восстановленного участка сети.
Тоннель построен методом щитовой проходки в 1969 году. Глубина его залегания около 14 м. В ходе анализа проектной документации сделан вывод, что основным конструктивом туннеля являются сборные железобетонные тюбинги размером 1370 × 770 × 200 мм и 1210 × 770 × 200 мм. Армированные тюбинги изготовлены в заводских условиях из бетона марки 300. Внутренняя поверхность туннеля имеет внутреннюю бетонную обработку толщиной 160 мм из бетона марки 200. Предоставленная проектная документация не дает возможности установить, какая в проекте была заложена водонепроницаемость конструкций тоннеля. Объем блока составляет около 0,183 м3 при весе 455 кг.
На рисунке 4 представлен узел стыковки тюбингов с устройством внутренней армированной обработки. При введении в эксплуатацию внутренний диаметр тоннеля составлял 1840 мм, внешний 2520 мм. Отверстия в тюбингах служат для инъектирования заблочного пространства цементно-песчаным раствором.
Как показало обследование конструкций тоннеля, в результате действия коррозионных процессов обработка туннеля вблизи шахтного ствола полностью пришла в негодность. В результате коррозии был разрушен один из блоков, который обрушился внутрь коллектора. Его крупные обломки оказались на дне туннеля напротив места обрушения. Кроме этих обломков на дне туннеля обнаружены грунтовые отложения, которые попали туда с надколекторного пространства после падения блока. В месте обрушения образовались отложения, препятствующие транспортировке сточных вод.
Принимая во внимание общую протяженность туннеля между шахтами, равной 440 м, было рассмотрено несколько вариантов его восстановления с учетом степени разрушения конструкций как обработки, так и основных несущих блоков крепления. В таблице 1 представлены варианты восстановления тоннеля.
При использовании метода вставок рассматриваются два варианта труб. Один из них полиэтиленовые трубы ПЭ 100 типа SPIRO длиной 3 м.
Согласно разработанной технологии (рис. 5), полиэтиленовые трубы длиной 3 м соединяются в шахте, или в туннеле под временным креплением (рис. 6-7). Лебедка для протягивания устанавливается над стартовой шахтой. После устройства вертикального крепления (рис. 7) конструкция удаляется и дополнительно демонтируются несколько тюбингов, что позволяет обеспечить доступ в тоннель.
Необходимо отметить, что при использовании данного метода, растягивающих усилий между новыми трубами не возникает. Тяговый канат, находящийся внутри нового трубопровода, крепят к опорной траверсе, а ее к торцу каждой новой трубы, устанавливаемой для наращивания. Поскольку трубы работают только на сжатие, испытывать их на растяжение нет необходимости. Протягивание осуществляется с помощью лебедки.
Недостатком метода является то, что в процессе протягивания может произойти перекос труб, ее смещение, образование трещин. Такая вероятность возрастает, если внешняя поверхность возобновляемой трубы неровная. В таких случаях проводят дополнительные мероприятия: на внутренней трубе устанавливают специальные фиксаторы или передвижные транспортные зажимы с легкими полозьями или роликами.
При незначительном разрушении отделки коллектора эффективным является метод восстановления путем нанесения покрытий с использованием различных материалов. При выборе тех или иных методов нанесения покрытий в каждом конкретном случае необходим тщательный анализ состояния коллектора, в том числе наличие на конструкциях влаги вследствие проникновения грунтовых вод, химический состав грунтовых вод, возможность тщательной очистки стен от продуктов коррозии.
Методы нанесения используются для нанесения покрытий на внутренние стены для восстановления или повышения сопротивления физическим, биологическим, химическим и биохимическим воздействиям изнутри, для устранения новых образований инкрустаций, для восстановления и / или повышения статистической несущей способности и водонепроницаемости коллекторов.
На рисунке 8 представлены варианты нанесения покрытий коллекторов. Нанесение покрытия может осуществляться как по всей поверхности, так и частично, в лотковой или сводчатой части коллектора.
Принимая во внимание тот факт, что в рассматриваемом коллекторе разрушения произошло в сводчатой части, то был выбран вариант нанесения покрытия с частичной облицовкой свода, представленный на рисунке 8 б).
Восстановление сводчатой части коллектора предусматривается из бетона класса С25 / 30 (марка М400). Рабочая кольцевая арматура – композитная стеклопластиковая периодического профиля диаметром 8 мм, с временным сопротивлением на разрыв σс = 520 Мпа.
Расчетное сопротивление стеклопластиковой арматуры Rs = 520 / 1,4 = 370 Мпа, что эквивалентно по прочности класса стальной арматуры А400С. Защитный слой, а = 3 см. Шаг арматуры 100 мм. Расчет произведен на 1 м длины коллектора. Рассчитана эпюра изгибающих моментов и по ней принята схема армирования, приведена на рисунке 9.
На рисунках 10-11 показано крепление арматурной сетки к поверхности коллектора после ее очистки от продуктов коррозии. После оценки стоимостных показателей вариантов ремонта сделан вывод, что вариант с фибробетонированием дешевле по сравнению с другими вариантами.
Вывод
Технология полиэтиленовых модулей является эффективным методом реновации канализационных коллекторов благодаря высокой химической стойкости и несущей способности элементов; относительно невысокой стоимости; удобству и простоте монтажа; отсутствию необходимости в сложном технологическом оборудовании; возможности осуществления работ без вывода трубопровода из эксплуатации (в потоке рабочей жидкости).
Литература
- Орлов В.А. Разработка стратегии восстановления городских водоотводящих сетей: [текст] / В.А. Орлов, В.А. Харькин // РОСТ. – 2001. – Вып. 3. – С. 20–27.
2. Продоус О.А. Совершенствование методов использования бестраншейных технологий для ремонта городских канализационных сетей: Автореф. дисс. … д-ра техн. наук / О.А. Продоус. – М.: МАИ, 1999. – 41 с.
3. Раганович А. Кристическое техническое состояние бетонных коллекторов: [текст] / А. Раганович, Е. Неверова-Дзиопак // Вода и экология: проблемы и решения. – СПб.: ЗПО «ВодопроектГипрооммунводоканал Санкт-Петербург», 2014. – Вып. 4 (60). – С. 49-58.