Иванов В.А., Кузьмин С.В. и др. Сооружение подводных переходов магистральных трубопроводов Курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

Выбор и рациональное использование технических средств для раз-

работки подводных траншей на реках и водоемах зависят от грунтовых ус-

ловий по трассе перехода, глубины грунтозабора, объемов работ и возмож-

ностей доставки техники на строительный объект.

Подводные переходы магистральных нефтепроводов, строительство

которых осуществляется в различных геологических условиях, характе-

ризуются большим разнообразием грунтов, слагающих русла рек в зоне

заглубления трубопроводов. На переходах встречаются грунты смешанно-

го типа. В остальных случаях в пределах русла реки грунты однородного

состава представлены в основном песками различной крупности, песча-

но-гравелистыми и гравелисто-галечниковыми отложениями.

От вида и прочности грунтов зависит способ их рыхления и удале-

ния в процессе разработки подводной траншеи. Укрупненное разделение

грунтов по трудности их разработки рабочими органами землеройных ма-

шин представлено в табл. 3.2. Для количественной оценки трудности раз-

работки принят коэффициент прочности по М. М. Протодьяконову, а для

качественной используют классификацию грунтов при работе землесо-

сных снарядов.

Оборудование для подводной разработки грунта в зависимости от

принципа силового воздействия на грунтовой массив подразделяется на

три вида.

К механическому оборудованию относятся многочерпаковые, штан-

говые и грейферные земснаряды, канатно-скреперные установки, скалод-

робильные и скалоуборочные машины, экскаваторы и др.

Гидравлическое оборудование включает гидромониторные снаря-

ды, землесосные установки, гидроэжекторные и пневматические грунто-

сосы.

Наибольшая эффективность при разработке подводного грунта дос-

тигается при использовании комбинированного оборудования. При

этом грунт разрушают при помощи механических или гидравлических

разрыхлителей, а средствами гидромеханизации грунт отводят в сторону

от выемки. К такому оборудованию относятся скреперы-пульпометы и

скреперы-землесосы, землесосные, гидроэжекторные и пневматические

установки, оснащенные разрыхлителями, а также гидропневматические уста-

новки.

Плавучие грунторазрабатывающие снаряды выбирают с учетом про-

должительности навигационного периода и времени буксировки снаряда на

объект.

Таблица 3.2

Разделение грунтов

Характеристика

грунтов по труд-

ности их разработ-

ки

Коэффициент

прочности, по

М. М. Прото-

дьяконову

Группа

грунта при

разработке

землеройным

снарядом по

СНиП

IV-10-84

Способ

рыхления

Способ

извлечения

Легкие

Илы, пески, супе-

си, рыхлые и лег-

коразмывные,

связные грунты,

текучие и мягко-

пластичные грун-

ты, торф

0,05 – 0,6 I – III Гидравлический

Гидравли-

ческий

Средние

Пески и супеси

Плотные с вклю-

чением гравия

0,6 – 1,5

III - IV

Механический

(легкими фреза-

ми и черпака-

ми)

Гравий чистый,

связные грунты

тугопластичные,

липкие

1,5 – 2,0

IV - VI

Механический

(тяжелыми

фрезами и чер-

паками)

Гидравли-

ческий,

механиче-

ский

Тяжелые

Грунты твердые и

сцементирован-

ные,

очень липкие

2,0 – 3,0 IV - VI

Механический

(тяжелыми

фрезами и чер-

паками)

Гидравли-

ческий,

механиче-

ский

Твердые скальные

Грунты, раздроб-

ленные скалодро-

бильными

средствами или

взрывом

3,0 – 5,0

IV - VI

Механический

(тяжелыми

фрезами и доло-

тами)

Механиче-

ский

Скальные грунты

нераздробленные

5,0 - 14

IV - VI

Механический

(тяжелыми

фрезами и доло-

тами)

Механиче-

ский

Скальные грунты

нераздробленные

14 – 20 IV - VI Буровзрывной

Механиче-

ский

При разработке траншей через судоходные реки рекомендуется со-

вмещать работу высокопроизводительных снарядов, имеющих недостаточ-

ную глубину опускания рамы, с работой специальных земснарядов мень-

шей производительности, но с большей глубиной опускания рамы для разра-

ботки подводных траншей до проектных отметок.

Разработка траншей на прибрежных участках выполняется бульдозе-

рами и экскаваторами с учетом обводненности грунтов и правил техники

безопасности. Механический способ разработки тяжелых и скальных грун-

тов основан на применении различных плавучих и подводных технических

средств, обеспечивающих рыхление твердых грунтов и их извлечение. Рых-

ление твердых грунтов различной прочности может осуществляться путем

их механического дробления до заданных фракций или механического сре-

зания.

Извлечение взрыхленного скального или плотного грунта производит-

ся теми же ковшовыми плавучими механизмами.

Как правило, глубина разработки подводной траншеи возрастает с

увеличением ширины водной преграды. Ширина рек на переходах глубиной

до 5 м обычно не превышает 200 м, в редких случаях она достигает 300 м;

ширина рек на переходах глубиной до 10 м примерно составляет 500 м.

При разработке подводной траншеи необходимо контролировать

уровень воды в реке по водомерному посту, чтобы своевременно вносить

корректировку глубины траншеи, замеряемой обычно от поверхности во-

ды.

Качественное и рациональное выполнение подводных земляных

работ существенно зависит от параметров траншеи. Основные факторы,

обеспечивающие соблюдение заданных параметров траншей, подразделя-

ются на три группы:

− факторы, характеризующие гидрологические и геологические

условия сооружения перехода (ширина и глубина меженного

русла, водный режим, характеристика грунтов, слагающих дно,

интенсивность транспортировки наносов и др.);

− факторы, характеризующие конструкцию, технологию монтажа

и укладки подводного трубопровода (диаметр труб, требования

к их изготовлению и монтажу, способ укладки);

− факторы, определяющие технологию разработки подводных

траншей (способ разработки, конструктивные особенности зем-

снарядов, схема рабочих перемещений, способ ориентации и

др.).

В состав земляных работ входят:

− разработка русловых траншей;

− срезка, при необходимости, плодородного слоя грунта и рекуль-

тивация;

− разработка урезов и пойменных траншей;

− засыпка траншей;

− берегоукрепление.

Подводные земляные работы по разработке русловых траншей обыч-

но являются наиболее трудоемкими, длительными и дорогостоящими при

строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов.

Поэтому эффективность и сроки строительства подводных перехо-

дов зависят обычно от организации и технологии подводных земляных ра-

бот, предусматривающих использование рациональных организационных

схем и способов производства работ, а также наиболее эффективных

средств механизации.

Земляные работы проводятся в соответствии с проектом производст-

ва работ, в котором предусматриваются способы и последовательность

разработки грунта, типы и мощность механизмов, а также меры по соблю-

дению техники безопасности [15].

Разработка подводных траншей может производиться землесосными,

гидромониторно-эжекторными, черпаковыми и грейферными снарядами,

канатно-скреперными установками, гидромониторами, эжекторными и

пневматическими грунтососами с применением водолазного труда, а также

экскаваторами, установленными на плавучих средствах: понтонах или бар-

жах (рис. 3.4.).

Выбор технических средств и способов разработки подводного

грунта производится в зависимости от свойств и объема грунта, сроков

производства, наличия, землеройной техники, скорости течения, глубины

разработки и условий удаления грунта из траншеи. Выбор вида механизма

для разработки подводных траншей можно осуществить с помощью

табл. 3.3.

Технические средства для разработки подводных траншей принима-

ются также с учетом группы грунтов, глубины водной преграды и объемов

земляных работ согласно табл. 3.4.

Трубозаглубительные снаряды применяют при возможности предва-

рительной укладки трубопровода по естественному рельефу дна с допус-

тимыми радиусами изгиба и при отсутствии скальных грунтов. Наиболее

целесообразно трубозаглубительные снаряды применять при ширине пере-

ходов более 1 км и при глубинах свыше 20 м.

Рис. 3.4. Разработка прибрежного участка экскаватором на понтоне

Таблица 3.3

Выбор техники для разработки подводной траншеи

Используемая техника

Вид грунта

земснаряд грунтосос

ковшо-

вый сна-

ряд

канатно-

скреперная

установка

Песок:

гравелистый

средний

мелкий, пылевастый

Супесь

Суглинок:

илистый

мягкопластичный

тугопластичный

Глина:

твердая

пластичная

текучая

Гравийно-песчаный

Галька

Известняк рыхленный

Ил

Торф

–

Канатно-скреперные установки применяют:

− при малом объеме работ до 10 тыс. м

, когда другие земснаряды

применять нецелесообразно;

− при разработке траншеи в предварительно разрыхленных грун-

тах;

− при глубине подводной траншеи до 3 м;

− при скорости течения менее 0,7 м/с на реках, дно и берега кото-

рых сложены мелкозернистыми и среднезернистыми песками;

− при средней дальности разработки до 150 м.

Таблица 3.4

Выбор техники для различных условий строительства

Механизмы

Группа грун-

тов

Предельная

глубина во-

ды

до дна тран-

шеи, м

Минималь-

ный объем

разработки

траншеи,

тыс.м

Траншейные земснаряды Мин-

нефтегазстроя типов:

ТЗР 251

УПГЭУ

ДГС-150

Землесосные снаряды Минреч-

флота

Ковшовые земснаряды

Скреперные установки

Грунтососы и гидромониторы с

ручной работой водолаза

IV – VI

I – III

I- VI

I – III

IV – VI

не ограниче-

ны

I – VI

–

не ограниче-

ны

не ограниче-

ны

–

Целесообразность использования скреперных установок при разра-

ботке подводных траншей со средней дальностью скреперирования свыше

150 м обосновывается технико-экономическими расчетами в проекте орга-

низации строительства. Применение скреперных установок в илистых

грунтах и плывунах нецелесообразно из-за низкой производительности.

При строительстве подводных переходов через реки, сложенные

мелкозернистыми и среднезернистыми песками, со средними на вертика-

лях скоростями течения, более 0,7 м/с технические средства для разработ-

ки подводных траншей должны обеспечивать производительность по грун-

ту, не менее чем в 2 раза превышающую суммарный расход донных нано-

сов через створ перехода. В соответствии с этим требованием суточную

производительность технических средств ориентировочно определяют по

табл. 3.5.

Таблица 3.5

Минимальная суточная нормативная производительность технических

средств (м

грунта/сут)

Ширина зеркала воды по строительному уровню воды, м Средняя скорость

течения на стержне

реки,м/с

100 – 200

200 – 300

300 – 400

400 – 500

500 –

1000

0,7

0,9

1,0

100

400

700

150

500

800

–

600

1000

–

650

1050

–

900

1500

До начала разработки траншей на подводных переходах:

− проверяют и закрепляют проектные створы и реперы;

− измеряют глубины водной преграды и определяют соответствие

фактического профиля дна реки проектному;

− выполняют обследование участка реки или водоема на проект-

ную ширину подводной траншеи поверху для выявления случай-

ных препятствий.

Если контрольными промерами будет установлено, что фактические

отметки дна выше черных отметок, указанных в проекте, глубину подвод-

ной траншеи увеличивают для укладки трубопровода на проектные отмет-

ки. Если фактические отметки дна ниже черных отметок, указанных в про-

екте, и при этом разность между фактическими отметками дна и проектны-

ми отметками верха трубопровода будет меньше 1 м, проектные отметки,

на которые должен быть уложен трубопровод, должны быть пересчитаны.

Проектный профиль траншеи принимается в виде трапеции

(рис. 3.5). Наибольшую крутизну откосов обводненных береговых траншей

принимают согласно расчетных данных (приложение, табл. 17).

Длина подводной траншеи, для которой принимается крутизна отко-

сов по табл. 17, равна ширине русла водной преграды плюс длина разраба-

тываемых урезных участков водной преграды [15].

Расчетная ширина подводной траншеи по дну в мягких грунтах опре-

деляется по формуле 3.1;

ТРЗВКН

bbbbbDb +++++=

(3.1)

где D

– наружный диаметр трубопровода с защитным и балластным

покрытием; b

– расстояние от боковой поверхности трубопровода до кабе-

ля связи, укладываемого в одну с трубопроводом траншею (b

= 0,5 м);

– расстояние от подошвы откоса до боковой поверхности трубопровода,

учитывающее необходимость прохода водолаза при обследовании трубо-

провода после его укладки (b

= 0,7 м); b

– увеличение ширины подводной

траншеи с учетом ее заносимости донными наносами со стороны верхово-

го откоса; b

– увеличение ширины подводной траншеи, учитывающее до-

пустимые отклонения по ширине траншеи (с двух сторон) в процессе ее

разработки; b

– увеличение ширины подводной траншеи, учитывающее

отклонение оси трубопровода по его укладке от оси траншеи.

Запас b

, учитывающий отклонения продольной оси трубопровода

при его укладке способом протаскивания по дну через водные преграды

шириной менее 1000 м, принимают по формуле 3.2:

,005,0 Lb

(3.2)

где L – ширина водной преграды при среднем рабочем уровне

воды, м.

На переходах через водные преграды шириной более 1000 м запас b

принимают:

1. На участке траншеи длиной 1000 м – по 500 м от середины водной

преграды в сторону обоих берегов, согласно табл. 3.6.

Таблица 3.6

Ширина водной пре-

грады, м

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

, м 6 7 8 9 10 11 12 13

2. На участках траншеи длиной 1000 м по 500 м, примыкающих к

указанному ранее участку с двух его сторон при ширине водной преграды

более 2000 м, согласно табл. 3.7.

Таблица 3.7

Ширина водной

преграды, м

2250 2500 2750 3000

, м 6 7 8 9

3. На остальных участках траншеи, непосредственно примыкающих

к берегам, b

= 5 м.

Запас ширины траншеи на заносимость b

учитывают обычно только

для русловых участков перехода, где средние на вертикалях скорости тече-

ния равны 0,5 м/с и более. Величину b

определяют по формуле 3.3:

(3.3)

где h – проектная глубина траншеи, м; t – продолжительность занесе-

ния траншеи, сут; q – средняя интенсивность отложения донных наносов

на 1 м фронта траншеи при среднем рабочем уровне воды, определяемая

на основе материалов инженерных изысканий, по формуле 3.4:

,16

(3.4)

где ν, H – соответственно средняя скорость (м/с) и глубина (м) пото-

ка на расчетной вертикали в створе перехода по данным инженерных изы-

сканий.

Средние скорости на вертикалях определяют на основе точечных из-

мерений местных скоростей течения при уровнях воды, близких к средне-

му меженному уровню.

Измерения местных скоростей течения рекомендуется выполнять:

− при ширине реки до 150 м – на одной-двух вертикалях в двух

точках (0,2 H и 0,8 H) или в одной точке (0,6 H);

− при ширине реки от 150 до 300 м – на двух-трех вертикалях не

менее чем в трех точках (0,2 H; 0,6 H; 0,8 H);

− при ширине реки от 300 до 500 м – на пяти вертикалях в трех (0,2

H; 0,6 H, 0,8 H) или пяти точках (у поверхности, 0,2 H; 0.6 H; 0,8

H; у дна);

− при ширине реки более 500 м – не менее чем на пяти вертикалях,

на расстоянии 0,1 – 0,15 В (В – ширина русла) в пяти точках.

Вертикали располагают в границах поперечного сечения русла с глу-

бинами более 1/3 максимальной глубины в зоне наибольших скоростей те-

чения (наибольших глубин) и на переломах рельефа дна. При средних ско-

ростях течения на стержне реки менее 0,7 м/с число вертикалей для рек

шириной менее 500 м можно сократить до трех, а для рек шириной более

500 м ограничить пятью.

Рис. 3.5. Схемы к определению ширины траншеи по дну

а – поперечный профиль траншеи; б – план траншеи на переходах через водные

преграды шириной более 1000 м; 1 – проектный профиль траншеи с учетом

заносимости; 2 – конструктивный профиль траншеи; 3 – граница заносимости;

4 – трубопровод; 5 – кабель связи;

– расчетная ширина траншеи по дну на i-м отрезке