Экологические проблемы на сегодняшний день рассматриваются в качестве одних из главных для человека. Улучшение экологии позволяет обеспечить комфортные условия проживания в природной среде и удовлетворение жизненно важных потребностей в воде и пище [1]. Решая проблемы очистки сточных вод от загрязнений и сброса их в природные водоёмы, на повестку дня встают жёсткие соблюдения условий, при которых человек не должен навредить себе и последующим поколениям.

Материал настоящей статьи затрагивает актуальные экологические аспекты — безопасную транспортировку очищенных сточных вод и обеспечение возможностей самоочищения морской экосистемы при сбросе в них сточных вод [2]. Решение данного вопроса наиболее актуально для замкнутых акваторий (например, в Чёрном море) в целях предотвращения (уменьшения) негативного воздействия загрязнителей на морскую экосистему.

Одним из перспективных решений данной задачи является совершенствование конструкции выпусков сточных вод в водные объекты (моря) и применения современных бестраншейных технологий [3]. Практика показывает, что трубопроводы выпуска сточных вод в основном сооружаются наземным способом путём опускания плетей труб на морское дно с применением балластировки. Для выпусков в море обычно используют полимерные трубопроводы, устойчивые к агрессивным морским водам. Необходимо учитывать, что полиэтилен имеет низкую плотность (в среднем 0,95 г/см?), что ниже плотности воды (1 г/см?), поэтому полимерные трубы не удерживаются на морском дне. Для обеспечения проектного положения полимерных труб на подводных участках необходимо проводить балластировку трубопроводов, особенно для безнапорных труб большого диаметра [4]. Такие выпуски проектируют относительно короткими и неглубокими.

В итоге возникают ситуации, когда сбрасываемые сточные воды вымываются на берег, вызывая долгосрочное загрязнение экосистемы. Более того, трубопроводы, опущенные в море с помощью балласта, не выдерживают воздействие мощных потоков воды. Во время бури высокие волны провоцируют гидродинамическое воздействие на трубопровод, что часто приводит к его разрушению. Протяжённый выпуск в открытое море является предпочтительным решением с экологической точки зрения, однако традиционные методы строительства не могут реализовать данную задачу идеальным образом. Для реализации данного решения предлагается использование бестраншейных технологий прокладки трубопроводов. Одним из наиболее современных методов на сегодняшний день является микротоннелирование, использование которого позволяет прокладывать трубы далеко от берега и глубоко под водой на протяжении всей трассы, не нарушая водную экологию вблизи побережья.

Необходимо отметить, что метод бестраншейного строительства трубопроводов с использованием микротоннелирования нашёл широкое применение при прокладке различного рода трубопроводных коммуникаций под водными объектами, железнодорожными и автомобильными магистралями, в труднопроходимых условиях подземного строительства (например, в скальных грунтах), подводного и других областях строительства. Этот метод, при решении конкретных задач, имеет ряд преимуществ перед другими методами бестраншейного строительства, таких как прокола, продавливания и горизонтального направленного бурения, за счёт использования широкого диапазона диаметров (от 200 до 4000 мм), возможности бурения при любой категории грунтов и способности проходить путь длиной до 500 м за один проход.

Микротоннелирование основано на горизонтальном (наклонном) выбуривании в грунте тоннеля, в который домкратами проталкиваются трубы, образующие прочную железобетонную обделку определённой длины. Подземная прокладка осуществляется по заданной траектории при помощи микрощита, который движется от стартового колодца до приёмного [5]. В качестве прокладываемых труб могут использоваться бетонные, железобетонные, чугунные, керамические, пластмассовые и другие [6].

Преимущества данного метода: причинение значительно меньшего вреда окружающей среде, в сравнении с прокладкой труб в траншее; полное отсутствие влияния на существующую инфраструктуру, так как строительство ведётся под землёй; увеличенный срок службы трубопровода из-за отсутствия влияния на него климатических условий, а также проходящих морских судов; процесс прокладки трубопровода занимает значительно меньше времени [7]. Также при бестраншейной прокладке трубопровода количество углекислого газа, выделяемого в атмосферу, значительно меньше, чем при прокладке открытым методом, что является наиболее приемлемым решением с экологической точки зрения [8].

В качестве примера запечатлён негативный, с точки зрения загрязнения водотока, результат прокладки относительно короткого трубопровода, опущенного на морское дно и закреплённого балластом (рис. 1). В результате слабого течения в акватории морской бухты возможно скопление различного рода загрязнений.

Загрязнение акватории морской бухты

На сегодняшний день количество проектов по строительству тоннелей с выходом в море постоянно растёт в разных странах мира. Данная технология состоит в выносе трубопроводов под морское дно. Проложенные таким образом трубопроводы служат для забора или выпуска очищенной воды. В рамках таких проектов испытанные и проверенные технологии и методы тоннелестроения используются для эффективной и безопасной проходки под морским дном, обеспечивая при этом оптимальную защиту чувствительных экосистем.

В данной статье рассматривается опыт строительства протяжённого трубопровода для отвода сточных вод и их выпуска в открытое море, реализованной фирмой Herrenknecht AG. Очищенная сточная вода с канализационных очистных сооружений транспортируется в стартовый котлован, который должен располагаться в самом отдалённом от города участке бухты для создания приемлемой для региона в целом экологической обстановки (рис. 2). Отсоединение механизма для бурения после осуществления процесса микротоннелирования, согласно проекту, производится в приёмном котловане, расположенном в 1,5 км от стартового котлована на глубине 25 м.

Расположение очистных сооружений, стартового и приёмного котлованов

Рабочая площадка (рис. 3) для проведения процесса прокладки трубопровода состоит из:

  • стартового котлована, сконструированного с использованием шпунтовых свай; он составляет приблизительно 8 м в глубину с наклоном 8°;
  • сепарационной установки (отстойника), служащей для отстаивания отведённого грунта и отделения его от воды;
  • питательного насоса, подающего отделённую от грунта воду в отстойнике в голову проходческого щита;
  • главной домкратной станции, служащей для постепенного проталкивания трубопровода;
  • шламового насоса, который перекачивает смешанный грунт с водой из головы тоннелепроходческого щита в сепарационную установку (отстойник);
  • запаса рабочих трубопроводов;
  • тоннелепроходческого щита;
  • рабочего контейнера, из которого контролируется непосредственно процесс прокладки трубопровода тоннелепроходческим щитом.

Рабочая площадка для начала прокладки трубопровода

Проходческий щит и трубопровод непрерывно продвигаются с помощью главной и промежуточных домкратных станций. Подвижная режущая головка тоннелепроходческого щита управляема и позволяет прокладывать изогнутые трубопроводы, избегая столкновений со скалистыми грунтами (рис. 4). Данное вращающееся режущее кольцо проходческого щита разрушает материал (в том числе камни) с помощью вращающихся дисков, установленных на режущем колесе. Существуют различные виды режущих колец, которые устанавливаются в зависимости от того, с каким именно грунтом столкнётся микрощит непосредственно в процессе прокладки трубопровода. Состав грунта диктует выбор и расположение режущего инструмента на рабочем органе. Только в случае идеального соответствия инструмента геологическим условиям можно достигнуть высоких показателей проходки тоннеля [9].

Прокладка трубопровода в разрезе

После разрушения грунта режущим кольцом твёрдые остатки относительно большой фракции измельчаются в дробилке, которая расположена за режущим колесом. Разработанный грунт смешивается с водой и транспортируется в разделительную установку через линию нагнетания шлама (рис. 5). Эта линия проходит через механизм и трубы до разделительной установки (отстойник), где удалённый грунт отделяется от воды. Выпавший в осадок грунт вывозится с площадки, а вода перекачивается обратно к проходческому щиту для дальнейшей работы.

Образец проходческого щита

Современная бестраншейная прокладка труб позволяет осуществлять сооружение тоннелей длиной более 1000 м и без промежуточных шахт. Промежуточные домкратные станции (рис. 6), входящие в состав трубопровода, позволяют получить необходимые усилия для продавливания, не превышающие предельно допустимые значения для каждой секции [10].

Промежуточная домкратная станция

Приёмная шахта находится на 25 м ниже поверхности воды. Над точкой прибытия механизма располагается баржа, которая удерживается в этом положении швартовыми линиями и судном (рис. 7).

Взаимное месторасположение механизма, баржи и судна

В точке прибытия микрощита выкапывается приёмный котлован длиной около 20 м. После раскопок котлован засыпается материалом, который может быть легко удалён системой всасывания, как правило, песком, если морское дно имеет иной грунт. Эта обратная засыпка обеспечивает поддержку микрощита, когда он дойдёт до конечной точки [11].

Отсос оставшегося грунта дайвером в резервуар на барже

После того как основная часть покрывающего механизм грунта удаляется (с помощью крана), дайвер (водолаз) перекачивает системой всасывания оставшийся грунт с поверхности микрощита в резервуар, находящийся на барже (рис. 8). Далее устанавливается поперечная балка для подъёма установки. Микрощит герметично закрывается и удерживается под избыточным давлением, тем самым предотвращая попадание морской воды внутрь. В задней части микрощита устанавливаются четыре гидравлических цилиндра (рис. 9). Отделение микрощита от первой секции трубопровода производится с помощью выдвижения гидравлических цилиндров [12]. Микрощит поднимается краном и доставляется на баржу, которая возвращает его в гавань.

Отсоединение проходческого щита от секции трубы

Интенсивное перемешивание сбрасываемой в море сточной воды позволяет сохранять концентрации примесей в море на безопасном уровне [13]. Для обеспечения лучшего перемешивания сточной воды в водоёме принято решение использовать рассеивающие выпуски, которые являются наиболее эффективными по сравнению с сосредоточенными выпусками.

В приёмную шахту устанавливается диффузор, который состоит из сборных железобетонных блоков, подключаемых к трубопроводу (рис. 10). После чего шахта закапывается. Диффузор располагается на глубине 25 м, что является достаточным для быстрого смыва загрязняющих веществ течением вблизи морского дна и разбавления концентрации сточных вод до момента достижения их поверхности моря или выпадения на морское дно. Очевидно, что, если сточные воды будут сбрасываться на достаточном расстоянии от берега, используя протяжённые морские отводы с рассеивающим выпуском на конце, опасность серьёзного загрязнения акватории моря значительно снизится из-за лучшей диффузии.

Установленный диффузор из сборных железобетонных блоков

Стоит отметить, что технология строительства глубоководного и протяжённого выпуска сточных вод с использованием микротоннелирования на дальние расстояния впервые была применена в России при строительстве новых очистных сооружений города Адлер перед Олимпиадой в 2014 году. На сегодняшний день данный объект является единственным подобным уникальным сооружением в Российской Федерации [14]. Строительство выполнялось немецкой компанией Herrenknecht AG.

Глубоководный выпуск протяжённостью около 4 км расположен в районе устья реки Мзымта и состоит из двух частей: наземная часть — 400 м и морская часть — 3,26 км. Коллектор уходит в море на глубину до 25 м. При строительстве морской части выпуска используются трубы из полиэтилена, стойкие к чрезвычайно агрессивной среде Чёрного моря. Все инженерные решения прошли экологическую экспертизу и на сегодняшний день считаются одними из самых передовых в сфере строительства гидротехнических сооружений [15].

Выводы

1. Проектирование и строительство протяжённых выпусков под морским дном с помощью бестраншейной технологии микротоннелирования позволяет улучшить экологическое состояние городского побережья, прилегающего к морской акватории, способствовать устойчивому рыболовству и сохранению водных ресурсов более чистыми с вытекающими из этого выгодами для общественного здравоохранения.

2. Прокладка трубопровода в подземном пространстве гарантирует его безопасность независимо от климатических воздействий и возможных негативных факторов, а также не требует обслуживания в течении длительного времени по сравнению с прокладкой на дне водоёма с применением балластировки.