Строительство и реконструкция трубопроводных систем в городах и посёлках нашей страны и за рубежом методами бестраншейной прокладки труб становятся наиболее приемлемыми и распространяемыми по сравнению с традиционными методами укладки труб в траншеях и коллекторах. В перечень этих методов входит и технология протаскивания новых труб в износившиеся трубопроводы. В основном при восстановлении изношенных трубопроводов применяются полиэтиленовые, полипропиленовые и стеклопластиковые трубы. Эти трубы обладают коррозионной стойкостью, но уступают стальным и чугунным трубам в прочности и жёсткости. Если полимерные трубы укладываются без учёта данной специфики, то они деформируются и выходят из строя в процессе эксплуатации, а нередко и на этапе сдачи трубопровода в эксплуатацию. Трубы деформируются не только из-за традиционных избыточных статических или динамических нагрузок воздействия, но и в случае, когда в зазоры между внутренней поверхностью существующего трубопровода и наружной поверхностью протаскиваемой трубы нагнетается цементный раствор. При недостаточном контроле за нагнетанием цементного раствора в межтрубное пространство и несоблюдении условий размещения новых труб в реконструируемом трубопроводе повреждаются не только полимерные, но и стальные трубы с толщиной стенки более 5 мм. Подобные случаи фиксировались неоднократно, но обоснованных рекомендаций по их недопущению при строительстве и реконструкции трубопроводов в нормативных документах и научной литературе до настоящего времени не приведены, поскольку такого вида повреждения труб не афишировались. Мало того, в новых изданиях нормативных документов регламентируется при бестраншейной прокладке трубопроводов систем водоотведения выполнять забутовку (цементацию) межтрубных зазоров (СП 32.13330.2018, п. 6.7.6 [1]) без ссылок на методические документы по выполнению таких работ. Отметим, подобных методических указаний для строительства трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения не существует и, возможно, не будет.
Рис. 1. Укладка труб методом бестраншейной прокладки
Требованиями п. 6.7.6 [1] указывается, что «…после протаскивания труб пространство между ними и футляром следует заполнять специальными растворами». При этом не отмечается, как и зачем заполнять межтрубное пространство, какой пластичности, текучести должен быть раствор, какой должна быть длина участка трубопровода для «забутовки». Обычно связующим в тампонажном растворе используется цементная смесь (рис. 1 и 2).
Рис. 2. Узел канализационного коллектора, реконструируемого методом бестраншейной прокладки труб
Подобные требования рекомендовались п. 3.4 Приложения Б [2] в следующем виде: «…при диаметре рабочих труб меньше диаметра обсадных строительный зазор (пространство), образовавшийся между рабочим трубопроводом и внутренней поверхностью выработки, подлежит заполнению тампонажным раствором. Рецептура раствора и порядок заполнения выбираются в проекте в зависимости от условия прокладки». А также требованиями п. 1.2 [3]: «…нагнетание раствора за обделку тоннелей производится с целью заполнения оставшихся за ней пустот и зазоров твердеющими растворами, обеспечивающими совместную работу обделки с окружающим грунтом».
Нагнетание растворов улучшает статическую работу, уменьшает деформации обделки, предупреждает осадки земной поверхности, обеспечивает герметизацию конструкций и, как следствие, уменьшает их коррозию, повышает долговечность сооружений. Растворы должны вводиться снизу вверх через пробки бетонной или чугунной обделки по всему периметру ствола. После первого этапа делается повторное нагнетание раствора за тоннельную обделку через предварительно просверленные в них отверстия.
Для полимерной или стеклопластиковой трубы деформация с изменением формы её стенки обуславливает нарушение прочности и герметичности изделия. Чтобы избежать деформации трубы, необходимо либо увеличить текучесть и снизить плотность тампонажного раствора, либо предусмотреть дополнительные мероприятия, которые бы обеспечили минимальное воздействие на её прочность.
Сотрудники кафедры строительных материалов Московского государственного строительного университета (МГСУ) проводили испытания различных растворов при тампонировании трубопроводов. Они экспериментально доказали, что качественное заполнение межтрубных зазоров можно обеспечить только раствором с полыми стеклянными и керамическими микросхемами, со средней плотностью до 1400 кг/м³ и растекаемостью 16–20 см.
Пластичность раствора позволяет за один этап заполнить межтрубное пространство длиной более 50 м без образования воздушных мешков. Причём пластичность раствора необходимо обеспечивать не за счёт влажности, а рационального набора его составляющих: пластификаторов, минеральных заполнителей.
Без сомнения, правила по нагнетанию растворов между грунтом и наружной поверхностью тоннелей, обсадных труб буровых скважин должны выполняться безукоризненно. Для вертикальных буровых скважин тампонаж необходим для предотвращения попадания загрязнённых вод из межтрубного пространства в водоносные пласты артезианских или грунтовых вод. При цементации тоннелей обеспечивается герметичность и монолитность его конструкции. Но трубопровод системы водоснабжения или водоотведения — не тоннель и не телескопическая скважина большой протяжённости (по вертикали или горизонтали). Для трубопровода, транспортирующего капельную жидкость, попадание грунтовых вод в межтрубные зазоры подземной конструкции опасны не только по условиям загрязнения почвы или транспортируемой жидкости, но и из-за возможного увеличения статического или динамического давления на стенки труб. Протаскиваемые в футлярах (в реконструируемых трубопроводах) трубы, как правило, обладают стойкостью к коррозии, герметичны, имеют достаточную несущую способность (с гарантийным сроком более 50 лет). Возникает очевидный вопрос: для чего нормируются рекомендации по забутовке межтрубных зазоров при бестраншейной прокладке трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения?
На это в качестве ответа в печати можно встретить довод: «…забутовка межтрубных зазоров необходима для защемления труб, в целях предотвращения перемещения трубопровода при температурных воздействиях» [4].
Цементация зазоров между полиэтиленовым трубопроводом и стальным футляром впервые вынужденно применялась (автором) в городе Москве при выполнении перехода под автомобильной дорогой для подключения системы внутриплощадочной канализации общежития Российского экономического университета (РЭУ) имени Г. В. Плеханова к наружной канализационной сети в районе Павелецкого вокзала. В начале 1990-х годов в Москве было запрещено применять полимерные трубы для наружных трубопроводных систем водоснабжения и водоотведения. Применение цементации межтрубного пространства конструкции канализационного трубопровода в футляре позволило убедить сотрудников Мосводоканала о надёжности сдаваемого сооружения, а в дальнейшем обосновать укладку для наружных систем водоотведения полимерных труб с условием выполнения цементации межтрубных зазоров. Так сложилась практика цементации межтрубного пространства при бестраншейной прокладке полимерных и стеклопластиковых труб в футлярах или реконструируемых трубопроводах. В качестве тампонажного раствора использовались обычные строительные цементно-песчаные растворы М100 или М200. За счёт разности объёмных весов (плотности) составляющих нагнетаемой массы при закачке цементно-песчаного раствора в межтрубный зазор происходило расслоение раствора на песок и водоцементную массу.
В целях снижения скорости расслоения раствора при его точечной подаче увеличивали давление, а тампонируемая труба при этом деформировалась. Строители, чтобы избежать материальных потерь и избыточных работ, не выполняли проектные решения по тампонажу межтрубных зазоров. При бестраншейной укладке труб ВЧШГ Липецкого завода в проектах систем водоснабжения и водоотведения уже не предусматриваются работы по забутовке межтрубных зазоров.
Для строителей, которые выполняли подобные работы с гарантией качества трубопроводов, смонтированных бестраншейным методом, вопрос о необходимости применения забутовки трубных зазоров вызывал недоумение. Зачем тратить материальные и трудовые ресурсы, если нет такой необходимости? Ответ получить трудно.
Возможно, справедливо такое обоснование: «для… предотвращения перемещения трубопровода при температурных воздействиях» [4]. Но ещё в 1960-х годах Г. К. Клейн дал пояснения о проведении необходимых мероприятий для снятия осевых усилий и напряжения в трубопроводах [5]. Перемещения труб от температурных воздействий неизбежны. Если этому препятствовать, то трубопроводы будут деформироваться и в конечном итоге повреждаться.
Рис. 3. Модель трубопровода с защемлением
Рассмотрим трубопровод (рис. 3) длиной L → ∞, диаметром Dу = 1200 мм, материал — ПЭ-80. Продольные усилия Nt, возникающие в трубопроводе при температурных воздействиях, определяются по формуле (п. 1, гл. VII [5]):
Nt = α∆t°EoF, (1)
где Ео — модуль упругости материала трубы, МПа или кг/см²; F — площадь поперечного сечения стенки трубы, м² или см²; α — коэффициент теплового линейного расширения материала трубы, 1/°C; ∆t° — разность между максимальной и минимальной температурами трубопровода.
По условию
где То = πDτпр = 3,14×120×0,5 = 188,4 кг/см³; τпр — контактные касательные напряжения, которые могут быть приняты для забутовки наиболее плотных грунтов 0,5 кг/см² = 0,049 МПа, срыв трубопровода от осевых перемещений при температурном воздействии на t° [5] происходит на участке от места защемления:
k — коэффициент касательного сопротивления. Если принять Ео = 8160 кг/см² (для полиэтилена), ∆t° = 14°C (разность между средней температурой сточных вод и нулевой температурой в колодце в зимний период при опорожнении трубопровода), α = 2×10–41/°C, F = 3,14×120×4,59 = 1729,51 см², то
Nt = 2×10–4×14×8160×1729,51 = 39515,84 кг.
При оценке Lo можно допустить, что сцепление трубы и раствора по всей длине трубопровода не однородно, а разрыв трубопровода произойдёт на расстоянии от наиболее защемлённого его места.
Оценивая осевое перемещение uо трубопровода при температурных воздействиях, например, забутованного полиэтиленового трубопровода Dу = 1200 мм при ∆t° = 14°C (разность между средней температурой сточных вод и нулевой температурой в колодце в зимний период при опорожнении трубопровода), получим следующие величины:
Из расчётов следует, что разрушение трубопровода произойдёт неминуемо, поскольку 14°C > 1,1°C. Причём, если бы трубопровод не защемлялся, то его удлинение при ∆t° = 14°C могло составить:
∆L = α∆t°L = 2×10–4×14×150 = 0,42 м,
где 150 — расстояние между смотровыми колодцами, которое допускается для трубопровода Dу = 1200 мм (п. 6.3.1 [1]).
На практике при реконструкции канализационных сетей сплошная забутовка межтрубного зазора и защемление труб не соблюдаются по вышеперечисленным причинам. Расслоение цементного раствора и неполное заполнение межтрубных зазоров по длине трубопровода, по сути, спасает трубы от повреждения. Если подавать раствор под высоким давлением в целях снижения времени заполнения межтрубных зазоров и предотвращения образования воздушных мешков, то возникает опасность деформации трубопровода по поперечному сечению (что наблюдалось и на заводах, и на строительных площадках при цементации межтрубных зазоров).
При заполнении межтрубного пространства цементным раствором трубопровод подвергается взвешивающему давлению жидкой среды, избыточному давлению нагнетаемого раствора и весу трубы (рис. 4). Для обеспечения равномерной цементации трубопровода в коллекторе (футляре) рекомендуется устанавливать опоры под трубы — спенсеры. Из-за сравнительно высокой стоимости последние экономятся и устанавливаются произвольно, по усмотрению монтажников.
Рис. 4. Схема взвешивающего воздействия цементного раствора на поперечное сечение трубы (а — неравномерное давление, вызывающее изгиб поперечного сечения трубы; б — равномерное давление, вызывающее только постоянное окружное усилие)
Допустим, трубопровод из стеклопластиковых труб Dу = 1400 мм (параметры Dнар = 1433,5 мм, вес 194 кг/м) с толщиной стенки d = 23,7 мм, жёсткостью SN = 5000 Па = 0,051 кг/см² укладывается внутри трубопровода Dу = 1600 мм с последующей цементацией межтрубного пространства.
Длина трубы L = 12 м. Перед цементацией межтрубные зазоры на концах трубы герметизируются. Труба имеет две точки опоры с пролётом 12 м между ними. Раствор подаётся в межтрубное пространство, заполняет его и, находясь в статическом состоянии, производит воздействие на протаскиваемый трубопровод (рис. 4а). Желательно, чтобы раствор равномерно растекался по длине трубопровода, тогда и гидростатическая нагрузка будет распределяться равномерно, оказывая только постоянное окружное усилие (рис. 4б). К сожалению, это условие выполнить на практике при цементации межтрубных зазоров горизонтально расположенного трубопровода невозможно.
При заполнении межтрубного пространства жидким цементным раствором на трубу по закону Архимеда действует гидростатическое давление:
G = πγвзвR2 = 3,14×1400×0,71622 = 2254,89 кг/м ≈ 22,55 т/м ≈ 22,55 кг/см, (5)
здесь R — радиус внешней поверхности трубы, м; γвзв — эффективное давление взвешенного скелета раствора [кг/м³]:
где γч — удельный вес частиц раствора, равный 2,75 т/м³ = 2750 кг/м³; γв — удельный вес воды, т/м³; ε — коэффициент пористости, представляющий отношение объёма воды и воздуха в растворе к объёму его твёрдых частиц.
Предельная сила сжатия, на которую рассчитана труба, определиться с учётом зависимости (стандартным данным AWWA или ASTM):
SN = F/∆y, (6)
где F — сила, действующая на кольцо единичной длины, Н/мм; ∆y — поперечный прогиб трубы, составляющий 5% наружного диаметр трубы, мм.
В этой связи сила, которая может восприниматься кольцом трубы L = 1200 см, составляет
F = 5000×1,02×10–5×0,05×143,35×1200 = 438,65 кг, где
k = 1,02×10–5 — переводной коэффициент [Па] в [кг/см²].
Если концы трубопровода защемлены (для герметизации межтрубного пространства), то трубопровод, оказывается, лежать на двух опорах. Таким образом, нагрузка на трубопровод от воздействия раствора составляет Q = 22,53 кг/см. Допустим, что ширина опоры составляет 12 см (половину кирпича).
Наибольший кольцевой изгибающий момент на всю толщину опоры составит (п. 5, гл. VII [5]):
Mmax = −0,064QRl = −0,064×22,55×71,62×1200 = −124034,38 кгс·см. (7)
Примем длину участка стенки трубы над опорой:
где δ — толщина стенки трубы, принимается δ = 2,37 см.
Момент сопротивления расчётного продольного сечения стенки:
W = bδ2/6 = 33,67×2,372/6 = 31,52 см³. (9)
Наибольшие кольцевые нормальные напряжения σ = M/W = 124034,38/31,52 = 3935,1 кг/см², что больше 438,65 кг/см², то есть упомянутое выше условие допустимости напряжений не выполняется.
Допустимое напряжение сжатия от действия расчётного давления рекомендуется [6] определять по формуле:
σдоп = PR/δ, (10)
где Р — распределённая поверхностная нагрузка (от раствора), Па; R и δ — средний радиус и толщина стенки оболочки, соответственно, м; R = 0,7162 — радиус внешней поверхности трубы, м.
Рассматривая линейную нагрузку, распределённую по длине трубы (стержня), как удельную поверхностную нагрузку, то есть приводя F = πD/(fL) = Рk, измеренных в [кг/см²], допустимое напряжение σдоп, которое воспринимается трубой с гарантией от деформаций, можно оценить по формуле:
σдоп = 3935,1×0,7162/(2,37×1,1) = 1081,05 кс/см²,
где f = 1,1 — коэффициент надёжности по нормативной нагрузке при расчёте на всплытие [6].
На практике, чтобы избежать повреждения труб при их цементации, у трубопровода в футляре (или ремонтируемого трубопровода) уменьшают длину пролёта между опорами (ставят спенсеры).
Чтобы выполнялось условие равенства воздействия нагрузок и прочности трубы, количество пролётов под трубой l = 12 м должно быть не меньше n = σ/σдоп = 3935,1/1081,05 = 3,64 ≈ 4 шт.
В этом случае расстояние между опорами составит ∆l = 12/4 = 3 м.
Когда расчёты на прочность трубопроводов не выполняют, но опасаются повреждения труб при заполнении межтрубного пространства цементным раствором, раствор заливают в зазор между трубами в три этапа: первый, второй и третий, то есть заливают раствор на высоту Dф/3,33 за каждый этап, где Dф — диаметр футляра.
При большой протяжённости цементируемого трубопровода выставить требуемое количество опор в межтрубном пространстве не всегда возможно. Применение спенсеров увеличивает стоимость строительства (реконструкции) трубопровода. В целях сокращения материальных расходов и предотвращения деформаций трубопровода цементацию межтрубного пространства выполняют частично: цементируют трубопровод по его концам. При всём желании зацементировать трубопровод по всей длине обычным цементным раствором не удаётся ещё и по той причине, что раствор не обладает достаточной текучестью и пластичностью.
Заключение
В существующей нормативной и научной литературе отсутствуют обоснования необходимости цементации межтрубного пространства при бесканальной прокладке трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения.
При цементации пространства между стенками труб и футляра необходимо учитывать гравитационное воздействие раствора на трубопровод. Для цементирования межтрубного пространства надо использовать тампонажные растворы с полыми стеклянными и керамическими микросхемами, имеющие среднюю плотность до 1400 кг/м³ и растекаемость 16–20 см. Тампонировать цементным раствором межтрубное пространство при бесканальной прокладке герметичного трубопровода, не обладающего пластичностью, нецелесообразно.
