СПОСОБ ПРОКЛАДКИ ПОДЗЕМНОГО ТРУБОПРОВОДА

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при прокладке подземного трубопровода на обводненных и болотистых участках трассы.

Известен способ прокладки подземного трубопровода, включающий отрывку траншеи, укладку трубопровода, перекрытие его стенок и берм траншеи гибким полотнищем с образованием по обе стороны от трубопровода протяженных «карманов», обратную засыпку траншеи с созданием насыпного валика, при этом под «карманами» предварительно выполняют подсыпку грунта на высоту до середины уложенного трубопровода (см. авт. свид. СССР №1404737, МПК⁶ F16L 1/028, опубл. 23.06.1988).

Недостаток данного способа состоит в том, что не рационально используется балластирующая способность грунта, засыпаемого в карманы. В начальный период всплытия трубопровода, когда балластирующая нагрузка грунта, расположенного над трубопроводом, недостаточна для удержания его на дне траншеи в проектном положении, засыпка, расположенная в карманах, не сразу создает необходимое сопротивление подъему трубопровода, так как гибкие ковры обладают высокой эластичностью при растяжении, и только при значительном всплытии трубопровода проявляется балластирующий эффект грунта в карманах. Однако трубопровод к этому моменту уже теряет свое устойчивое положение, при этом возрастает эффект воздействия сжимающей нагрузки на искривленный участок трубопровода, ускоряющий его всплытие. Кроме того, грунт, засыпанный под карманы, вообще не создает балластирующей нагрузки.

Прототипом к заявляемому способу является способ прокладки подземного трубопровода, включающий отрывку траншеи, укладку трубопровода, навеску на него «карманов» путем перекрытия берм, стенок и дна траншеи гибким прокладочным материалом, совмещенную засыпку «карманов» и траншеи балластирующим материалом (см. авт. свид. СССР №1041789, МПК⁶ F16L 1/028, опубл. 15.09.1983).

Недостатки способа по прототипу связаны, как и в предыдущем способе, с запоздалым подключением грунта в «карманах» в качестве балласта. Кроме того, отсутствие операции перекрытия балласта продольными участками прокладочного материала снижает надежность балластировки.

Кроме недостатков, описанных выше, указанные способы имеют еще один существенный недостаток, а именно пониженный уровень продольного защемления протяженного трубопровода в грунте. Строительство трубопроводов на болотистых и обводненных территориях ведется в зимний сезон при низкой температуре воздуха, достигающей минус 40°С. После прокладки и засыпки трубопровода по мере повышения его температуры возрастает продольная сжимающая сила, вызывающая повышенные продольно-поперечные перемещения трубопровода, причем величина этих перемещений впрямую зависит от степени защемления трубопровода в грунте или, что то же самое, от сопротивления грунта этим перемещениям.

Недостаточное сопротивление грунта засыпки может существенно снизить уровень критического сжимающего усилия, например ниже уровня действующего эквивалентного усилия в трубопроводе, и тогда при оттаивании всего объема грунта участок трубопровода может потерять устойчивость до начала эксплуатации или в ее процессе.

Задачей изобретения является создание способа прокладки подземного трубопровода, обеспечивающего более высокий уровень его устойчивости путем увеличения сопротивления среды, окружающей трубопровод.

Техническим результатом при осуществлении способа, сущность которого основана на заявленном изобретении, является надежное закрепление трубопровода в условиях обводненного грунта без дополнительных затрат труда и материалов.

Поставленная задача в способе прокладки подземного трубопровода, заключающегося в раскопке траншеи, укладке в траншею трубопровода, перекрытии его, дна, боковых поверхностей и берм траншеи гибкими коврами с образованием боковых карманов, засыпке их и верха трубопровода грунтом, перекрытии грунта продольными участками ковров и окончательной засыпке траншеи с образованием наружного валика, решается тем, что один из двух боковых карманов каждого ковра выполняют с провисанием над дном траншеи, а у смежных развернутых ковров карманы с провисанием располагают в шахматном порядке относительно оси трубопровода, при этом каждый ковер со стороны провисающего кармана сначала фиксируют от сдвига на берме траншеи грунтовой насыпью, затем засыпают противоположный карман до верха трубопровода, препятствуя сдвигу ковра по его поверхности частичной засыпкой провисающего кармана, а затем продолжая его засыпку и засыпку траншеи в целом. При этом расчетную длину участка ковра, образующего провисающий карман, определяют в зависимости от модуля упругости и прочности при растяжении материала ковра. В качестве гибкого коврового материала используют геотекстильное полотно.

Способ поясняется с помощью фиг.1-4. На фиг.1 представлен вид сверху на траншею с трубопроводом, развернутыми коврами, зафиксированными грунтовой насыпью на берме траншеи со стороны кармана с провисающим гибким ковром, до засыпки траншеи. На фиг.2 изображено поперечное сечение траншеи с трубопроводом и развернутым и частично засыпанным ковром. На фиг.3 - то же после окончательной засыпки трубопровода. На фиг.4 представлена расчетная схема определения усилий воздействия засыпки на трубопровод.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

На дно подготовленной траншеи 1 укладывают трубопровод 2, перекрывают его, бермы 3, боковые стенки 4 и дно 5 (донные участки) траншей гибким ковром 6 с образованием боковых карманов 7, 8, причем с одной стороны трубопровода гибкий ковер 6 в кармане 7 прилегает к дну 5 траншеи, а с другой стороны трубопровода 2 гибкий ковер 6 в боковом кармане 8 расчетной длины провисает над дном 5 траншеи. Каждый последующий гибкий ковер 9, 10 укладывают аналогично, но с обратным расположением боковых карманов 7, 8 относительно трубопровода 2. Участки гибких ковров 6, 9, 10, расположенные на бермах траншей, фиксируют от сдвига грунтовыми насыпями 11 со стороны расположения карманов 8 с провисанием гибких ковров 6, 9, 10. Засыпают грунтом 12 из отвала (не показан) боковые карманы 7, одновременно компенсируя сдвиг ковра 6 частичной засыпкой 13 провисающего кармана 8, затем продолжают засыпку провисающих боковых карманов 8 и траншеи в целом до расчетного количества грунта 12, используя также грунт насыпей 11. После этого перекрывают засыпку (грунт 12) продольными участками 14 ковров и производят окончательную засыпку грунта из отвала с образованием наружного валика 15. Длину провисающего участка ковра 6 определяют исходя из модуля упругости и прочности при растяжении материала ковра после засыпки траншеи.

Преимущество изобретения по сравнению с прототипом проявляется в следующем. В процессе засыпки карманов с провисающими гибкими коврами падающий грунт натягивает ковры расчетными усилиями до момента прилегания ковров к дну траншеи. Усилия натяжения, воздействующие на трубопровод, прижимают его к дну траншеи совместно с весовой нагрузкой грунта, расположенного над трубопроводом в проекции на его диаметр. Кроме того, часть усилия натяжения, направленная горизонтально на боковую поверхность трубопровода, увеличивает защемление его грунтом, причем эти усилия воздействуют в шахматном порядке на трубопровод, не давая ему сдвинуться в горизонтальной плоскости к одной из стенок траншеи. Таким образом, за счет активного воздействия грунта на боковые карманы провисающих ковров реализуются дополнительные усилия прижатия трубопровода к дну траншеи и дополнительное защемление трубопровода в продольном направлении, что, в конечном счете, увеличивает устойчивость положения трубопровода, предотвращая его искривление и всплытие при воздействии архимедовой силы и продольного сжимающего усилия.

Пример.

Определить эффект изобретения по вертикальной балластирующей нагрузке и усилию защемления трубопровода диаметром 1420 мм в продольном направлении в условиях полного обводнения траншеи.

Материал ковра - геотекстильный материал (ГТМ) КМ-1 марки 450 производства ООО «Веротекс», г.Москва (СТО Газпром 2-2.2-076-2006 Методические указания по применению геотекстильных материалов с учетом их функционального назначения при проектировании и строительстве газопроводов. - Введ. 02.10.2006. - М.: ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ООО «ИРЦ Газпром», 2006. - 32 с.). Балластирующий материал - грунт, вынутый из траншеи, представляющий собой песок средней крупности.

Исходные данные: разрывная нагрузка полотна q_рн=19,6 кН/м; удлинение при разрыве ε_рн=90%, удлинение при нагрузке, составляющей 25% от разрывной, ε_доп=32%, толщина полотна δ_пол=4,5 мм; удельный вес песка во взвешенном состоянии (в воде) γ_взв=6 кН/м³; размеры траншеи прямоугольного сечения: глубина Н=2,42 м, ширина В=2,82 м.

Силы трения полотна по трубопроводу и боковым стенкам траншеи при засыпке грунта не учитывают в силу того, что трение компенсируется динамической нагрузкой падающего грунта засыпки, а расчет ведется для условий статических весовых нагрузок. Начальную длину провисающего участка ковра l₀=l_aced определяют расчетом исходя из того, чтобы после засыпки данного бокового кармана растянутый участок ковра конечной длиной l_k занял положение aa₁b₁ed:

где [σ] - допускаемые напряжения в ковре; Е_пол - модуль упругости материала ковра (полотна ГТМ).

Отношение ([σ]/Е_пол) равно допустимой деформации ε_доп ковра. Участок полотна l₀=l_aced принят закрепленным в точках a, d. До засыпки левого кармана полотно в нем свободно провисает до нижней точки с, касаясь боковой стенки траншеи и облегая поверхность трубы на четверти ее окружности (участок ed). Правый карман засыпан грунтом, который неподвижно защемляет полотно от точки d и далее вправо-вниз. При засыпке левого кармана блоком грунта массой m_к (условно для простоты принятым прямоугольного сечения abb₁a₁) сила веса блока G_к растягивает полотно ГТМ на величину допустимой деформации ε_доп=32% из положения aced в положение aa₁b₁ed. Подставляя значения ε_доп=0,32 и l_k=Н+a₁b₁+0,25πD_н при следующих исходных данных: Н=2,42 м, a₁b₁=0,7 м, D_н=1,42 м в формулу (1), получаем l₀=4,24/1,32=3,21 м.

После засыпки на участке ed поверхности трубы возникает распределенное усилие q, вызванное растягивающими усилиями N, равнодействующей которых является сила Q, направленная под углом 45° к вертикальной оси траншеи. Вертикальная составляющая силы Q, равная силе N, дополняет балластирующую нагрузку блока грунта debb₁e₁, расположенного на трубопроводе, а горизонтальная составляющая, также равная силе N, дополняет нагрузку защемления трубопровода в продольном направлении.

Расчеты усилий выполняем для единичной длины трубопровода L₀=1 м.

Определяем модуль упругости Е_пол полотна ГТМ по формуле:

Усилие, необходимое для растяжения полотна на величину ε_доп=0,32 (32%), определяют по формуле:

где F_пол=2δ_пол-L₀ - площадь поперечного сечения полотна, растягиваемого силой N.

Подставляя (3) в (2), получаем:

При заданных q_рн=19,6 кН/м, L₀=1 м получим N=9,8 кН.

Для того чтобы полотно заняло контур траншеи по линии aa₁b₁ed, должно быть выполнено условие:

где G_k=γ_взв·Н·r_н·L₀ - вес грунта, Н; r_н - ширина бокового кармана (радиус трубы).

Подставляя данные в (5), получим G_к=6·2,82·0,7·1=11,8 кН. Таким образом, условие (5) выполняется, поэтому часть веса G_к используется для натяжения полотна (9,8 кН), а оставшаяся часть (11,8-9,8=2 кН) уравновешивается реакцией дна траншеи (на фиг.4 не показана).

Определим балластирующую нагрузку q_ГТМ (удерживающую способность) грунта с ГТМ по общепринятой методике (ВСН 39-1.9-003-98. Конструкции и способы балластировки и закрепления подземных газопроводов. Введ. 01.01.99. - ИРЦ Газпром. - М.: 1998. - 52 с.) и данному изобретению. В соответствии с указанной методикой величина q₁ определяется с учетом с_гр=0 для песка и h_в=0 для полного обводнения по формуле:

где n_гр - коэффициент надежности по грунту, равный 1,2; γ_п - коэффициент надежности по назначению, равный 1,2; γ_гр - угол внутреннего трения грунта, равный 25°.

Подставляя данные в (6), получим q_1ГТМ=15,3 кН/м.

Из формулы (6) видно, что в расчет не принимается масса грунта, приходящаяся на карманы ковров.

Если использовать для балластировки заявляемый способ, то следует учесть вертикальную проекцию силы Q, равную N, тогда формула для балластирующей нагрузки q_2ГТМ будет иметь вид:

Подставляя в (7) q_1ГТМ=15,3 кН, N=9,8 кН, получим q_2ГТМ=25,1 кН.

Таким образом, балластирующий эффект возрос в 25,1/15,3=1,64 раза или на 64%.

Теперь рассмотрим защемляющий эффект грунта при использовании данного способа прокладки.

Величину предельного сопротивления грунта сдвигу t_пр1 в продольном направлении определяем по формуле из справочника (Айнбиндер А.Б., Камерштейн А.Г. Расчет магистральных трубопроводов на прочность и устойчивость. / Справочное пособие. - М.: Недра, 1982. - 344 с.) без учета сил сцепления (с_гр=0) для песка:

где q_тр - вес трубопровода; γ_гр=γ_взв - удельный вес грунта во взвешенном состоянии; с_h=0,4 - безразмерный коэффициент.

Значение q_тр=5900 Н/м для трубы сечением 1420×17,0 мм.

Подставляя данные в (8), получим t_пр1=16,9 кН/м.

При использовании изобретения к полученной нагрузке добавится горизонтальная проекция силы Q, равная N, т.е.

Подставляя данные в (9), получим t_пр2=26,7 Н/м.

Таким образом, значение сопротивления продольному перемещению увеличится в 1,58 раза или на 58%.

В результате использования данного изобретения при прокладке подземного трубопровода с использованием в качестве балластирующего средства геотекстильного материала резко возрастают эффективность балластировки и устойчивость газопровода, проложенного в обводненном грунте.