Способ сооружения подземного трубопровода при пересечении участка с прогнозируемыми сосредоточенными деформациями вмещающих пород

Способ сооружения подземного трубопровода при пересечении участка с прогнозируемыми сосредоточенными деформациями вмещающих пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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 l₀ 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 ƒ₁ из условия деформаций пород и допустимый прогиб ƒ₂ 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 ƒ₁ трубопровода над допустимым прогибом ƒ₂, трубопровод снабжают двумя компенсационными участками, каждый из которых в пределах своей заданной длины, соответственно l₁ и l₂, вмещает границу пересекаемого участка, а совместно они увеличивают длину прогибаемой части трубопровода от l₀ до расчетной величины l_р. Совместная работа компенсационных участков обеспечивает в средней части пересекаемого участка смещение трубопровода в направлении максимального прогиба, по меньшей мере, на величину a=ƒ₁-ƒ₂, причем с соблюдением условия прочности трубопровода на всей его прогибаемой расчетной длине l_р.

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.

Сначала по оси 9 трубопровода 1 определяют расстояние l₀ 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 ƒ₁ из условия деформаций пород и допустимый прогиб ƒ₂ 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.

Одновременно в случае превышения возможного прогиба ƒ₁ над допустимым прогибом ƒ₂, трубопровод 1 снабжают двумя компенсационными участками 14 и 15, каждый из которых в пределах своей заданной длины, соответственно l₁ и l₂, вмещает границу пересекаемого участка, соответственно 7 и 8, а совместно они увеличивают длину прогибаемой части трубопровода 1 от l₀ до расчетной величины l_р.

Ось 9 трубопровода 1 между границами 7 и 8 может иметь начальное положение прямое 9_п или выпуклое 9_в, а также два теоретических: 9₁ и 9₂. Конечное же расчетное положение 9_р ось трубопровода 1 может иметь на его прогибаемой расчетной части l_р (см. фиг.1).

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 a₇ или a₈. 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 a=ƒ₁-ƒ₂, причем с соблюдением условия прочности трубопровода 1 на всей его прогибаемой расчетной длине l_р. При этом толщина прокладки 16, по меньшей мере, на 20-30% превышает соответствующую ей величину смещения а ₇ или a ₈ 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.

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 a=ƒ₁-ƒ₂.

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).

Между компенсационными участками 14 и 15 трубопровода 1, т.е. на основном его участке l_осн=l_p-l₁-l₂, 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.

1. Компенсационные участки 14 и 15 обеспечивают увеличение длины прогибаемой части трубопровода до расчетной величины l_р 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=(a₇+a₈)/2=ƒ₁-ƒ₂. Эта величина смещения а необходима для предотвращения перенапряжения трубопровода 1 при его совместной работе с прокладкой 16 и грунтом засыпки 13 в условиях воздействия оползня 2.

Смещения трубопровода 1 a ₇ и а ₈ 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,

9_п - прямое первоначальное положение оси трубопровода,

9_в - выпуклое первоначальное положение оси трубопровода,

9₁ и 9₂ - теоретические конечные положения оси трубопровода,

9_р - 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.

1. Способ сооружения подземного трубопровода при пересечении участка с прогнозируемыми сосредоточенными деформациями вмещающих пород, характеризующийся тем, что сначала по оси трубопровода определяют расстояние l₀ 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 прогиб f₁ из условия деформаций пород и допустимый прогиб f₂ из условия прочности трубопровода, затем отрывают траншею, ось которой в плане соответствует оси трубопровода, укладывают в траншею трубопровод и засыпают траншею грунтом, причем в случае превышения возможного прогиба f₁ трубопровода над допустимым прогибом f₂, трубопровод снабжают двумя компенсационными участками, каждый из которых в пределах своей заданной длины, соответственно, l₁ и l₂ вмещает границу пересекаемого участка, а совместно они увеличивают длину прогибаемой части трубопровода от l₀ до расчетной величины l_р, при этом совместная работа компенсационных участков обеспечивает в средней части пересекаемого участка смещение трубопровода в направлении максимального прогиба, по меньшей мере, на величину a=f₁-f₂, причем с соблюдением условия прочности трубопровода на всей его прогибаемой расчетной длине l_р.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубопровод снабжают защитным покрытием с низкими показателями сопротивления на сдвиг.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубопровод между компенсационными участками снаружи снабжают слоем ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами и заданной толщины, преимущественно из пенополистирола или пенополиуретана.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что прокладку выполняют из ячеистой пластмассы с герметически закрытыми порами.

6. Способ по п.2, отличающийся тем, что прокладку выполняют из ячеистого минерального материала с герметически закрытыми порами.

7. Способ по п.2, отличающийся тем, что прокладку выполняют из эластичных замкнутых оболочек, заполненных сжатым воздухом.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что прокладку выполняют из половинок утилизированных автомобильных шин.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что защитное покрытие выполняют из полиэтилена преимущественно заводского нанесения.

10. Способ по любому пп.5 и 6, отличающийся тем, что прокладку выполняют по длине из секций, каждую из которых заключают в оболочку из водонепроницаемого материала.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что трубопровод дополнительно покрывают рулонным материалом с консистентной смазкой в основании.