Качественная и производительная прокладка полиэтиленовых напорных трубопроводов ГНБ сопряжена с выбором буровых установок [7, 8] и другого оборудования и оснастки, постоянным содержанием их в надлежащем виде [9], а также технологических процессов (табл. 1) с учетом доминирующих в конкретных условиях факторов [10]. Для протаскивания в образующуюся полость полиэтиленовых трубопроводов (при толщине стенки не менее 2 % от диаметра трубы) диаметром до 300 мм и длиной до 50 м возможно использование малых установок направленного бурения с тяговым усилием до 40 кН. Протаскивание полиэтиленовых трубопроводов диаметром до 500 мм на расстояние до 400 м производится средними установками с тяговым усилием до 300 кН, а трубопроводов диаметрами до 1400 мм и длиной до 2000 м — установками с большим тяговым усилием (свыше 50 кН). Для качественного и производительного производства горизонтально-направленного бурения в большинстве случаев требуется использовать комплекс устройств: ? буровую установку, состоящую из бурового лафета (верхняя и нижняя часть), вращающихся штанг, ударного механизма (только установки TractoTechnik, Германия), гидравлической станции, магазина со штангами, пульта управления, оборудования для обеспечения безопасности и т.д.; ? установку для смешивания буровой жидкости и технику промывки; ? буровую колонну, состоящую из бурового инструмента, буровой штанги и магазина для штанг; ? системы управления и локации, состоящей из локационного и регистрирующего оборудования; ? оборудования для транспортировки и обеспечения; ? установки по вторичной переработке (регенерации буровой смеси). Основная часть системы горизонтального бурения — это буровая установка, при помощи которой усилие и вращающий момент передаются буровой колонне. Буровые установки типа «мини», «миди» (и, иногда, «макси») конструируются как самоходные устройства, в том время как «мега» (иногда и «макси»), а также системы бурения из шахты не оборудуются транспортировочным механизмом, а устанавливаются непосредственно на грунт или крепятся на поверхности при помощи специальных анкеров. Буровой лафет, как правило, состоит из ходового механизма (чаще всего с гусеничным ходом) с двигателем для передвижения (для самоходных машин) и встроенного гидравлического механизма для подачи вперед (тяги) и бурового функционирования (аксиальное и радиальное движение штанг).Буровой процесс начинается с пилотного бурения. Буровая головка или вращающееся зубило с уже вставленным передатчиком надевается на штангу. Передатчик показывает глубину, угол наклона, отклонение и другие данные (в зависимости от системы), которые позволяют управлять продвижением буровой головки. На этом этапе реализуются одновременно три технологических процесса: штанги заводятся в землю, насос закачивает буровую жидкость через штанги в буровую головку, а расположенный за головкой датчик передает информацию (с помощью локационной системы) о положении (направление и уклоне) буровой головки. Буровая жидкость смешивается перед началом и в течение всего бурового процесса. Скошенная буровая головка прокладывает себе путь в грунте с помощью вымывания грунта струей бурового раствора, а также благодаря поступательному движению штанг и собственному вращению, причем струя шлама удаляет с пути проходки частицы грунта во все стороны (рис. 1) и образует прямолинейную скважину. Пилотное бурение следует продолжать до тех пор, пока буровая головка не появится в приемном котловане, при этом между стартовым и приемным котлованом образуется скважина диаметром несколько большим размеров буровой головки. Иногда пилотное отверстие немного расширяется уже в процессе пилотного бурения с помощью более широкой, вращающейся штанги. Для затягивания труб большего диаметра, чем диаметр пилотной скважины, требуется увеличивать ее поперечное сечение. Производится это дополнительным протаскиванием расширителей соответствующего размера. Для прокладки полиэтиленовых трубопроводов в городских условиях следует использовать, в первую очередь, минибуровые установки, многие из которых располагаются на резиновом гусеничном ходовом механизме и развивают максимальную тяговую силу приблизительно до 100 кН, максимальный вращающий момент — 10–15 кН?м (табл. 2).«Мини»буровые установки Grundopit (рис. и табл. 2–3)в стандартном, усиленном, шахтовом или компактном вариантах предназначаются для применения при устройстве водопроводных вводов, канализационных выпусков, пересечений улиц и небольших водоемов. Тяговой силой от 100 до 400 кН располагают «миди»буровые установки, которые являются самоходными и, в большинстве своем, делаются на гусеничном ходу, а от 400 до 2500 кН — «макси»буровые установки. «Макси»буровые установки рекомендуется применять, как правило, для прокладки трубопроводов больших диаметров и значительной протяженности, в т.ч. под крупными водоемами или другими сложными препятствиями. При прокладке полиэтиленовых трубопроводов больших диаметров на длинных переходах целесообразно применять именно «мега»буровые установки (максимальная тяговая сила около 2500 кН, при крутящем моменте свыше 100 кН?м и массе свыше 60 т).Для качественной и производительной бестраншейной прокладки полиэтиленовых трубопроводов необходимо иметь свободное пространство и разрабатывать входной и приемный котлованы, соответствующие используемым полиэтиленовым трубным плетям, сварочным машинам, бурильным установкам (табл. 2–3) и другому оборудованию и оснастке, входящих в комплекс ГНБ. Скорость проходки при заданном составе грунта определяется затраченным усилием и временем соприкосновения с грунтом (проходимые грунты могут быть мягкими, имеющими небольшое сопротивление, позволяющее проходить большие расстояния, а также такими, которые требуют большого давления, создаваемого в непосредственной близости от сопла).Прилагаемые усилия определяются давлением смеси (0–10 МПа) и размером регулируемого сопла (больший размер сопла дает более сильную струю, т.е. большее количество бентонита при более низком давлении, при заданной длине бурения более сильная струя в состоянии передать и дать большее усилие: скорость потока бентонита в скважине должна составлять около 0,5 м/с). Сила давления струи, естественно, теряет свою энергию, удаляясь от сопла. Время соприкосновения с грунтом напрямую зависит от скорости подачи/тяги. Чем дольше струя будет воздействовать на определенную площадь, тем больше энергии поступит на эту площадь. Для образования скважины высокого качества (рис. 2а) для каждого типа грунта необходимо строго поддерживать сочетание технологических параметров бурения — давления, размера сопел (дюз), количества и вязкости бентонита, скорости прямого и обратного хода путем своевременного регулирования давления смеси, размеров сопел, скорости подачи и тяги. Смесь называется «буровой массой». В идеальном случае такое должно происходить при максимальной скорости подачи/тяги для поддержания высокой продуктивности. При этом должен быть соответствующим и размер сопла, чтобы подавать нужное количество суспензии с целью удержания вымытого грунта во взвешенном состоянии и его отвода из туннеля. Неправильное использование данных параметров происходит изза неверного выбора давления суспензии, размера сопла и скорости подачи/тяги, что и вызывает сужение (рис. 2б) или расширение (рис. 2в) туннеля и связанные с этим проблемы. Неправильный выбор величины давления суспензии, размера сопла и скорости подачи/тяги при определенных условиях грунта приводит к расширению туннеля и при этом сильно увеличивается буровая масса. Слишком большое расширение скважины приводит к тому, что буровая головка полностью перестает слушать команды, потому что управляемая поверхность буровой головки никогда не соприкасается со стенками (лобовой поверхностью) туннеля (рис. 3а). Вес бурового инструмента и буровых штанг вызывает еще и силу, которая направлена вниз и увлекает туда и буровую головку. Увеличение скважины в процессе расширения превышает возможности установки держать буровую массу во взвешенном состоянии и выводить ее из туннеля. В то время как сила тяги на протягиваемую трубу изза блокады туннеля возрастает, а суспензии для достаточной смазки не хватает, снижается скорость подачи трубы. Ситуацию усугубляет также длительное время соприкосновения с грунтом, которое еще больше увеличивает площадь проходимого сечения, тем самым удваивая объем выводимого грунта. А это вскоре может привести к превышению допустимых значений прочности протягиваемой полиэтиленовой трубы или силы тяги. Особенно крупное расширение в длинной скважине является причиной обвалов, которые, в свою очередь, приводят к оседанию поверхности земли над ней. Это особенно опасно при работе под проезжей частью дорог. Расширение при протягивании труб происходит потому, что скорость тяги не снижают настолько, чтобы имеющееся усилие было направлено на проходку скважины перед расширяющей головкой. Особенно мощное расширение происходит в том случае, когда рабочая поверхность расширительной головки в плотных грунтах полностью соприкасается со стенками туннеля. При этом слишком малые параметры проходки приводят к тому, что расширяющая головка уплотняет поверхность туннеля вместо того, чтобы выводить грунт из туннеля. При этом возникают и другие проблемы. Уплотненный грунт обваливается и практически запирает канал. Давление буровых масс усиливается, и они начинают выходить на поверхность и вспучивать жесткие покрытия. Сопла расширительной головки вкачивают суспензию в грунт вместо того, чтобы уплотнять стенки туннеля. Несмазанные стенки туннеля, которые прокладывает расширительная головка, обваливаются на протягиваемую трубу. Несмотря на то, что имеется достаточно времени, чтобы замедлить движение расширяющей головки и скорректировать условия расширения туннеля, спасти работу практически невозможно. Несмазанная, обвалившаяся порода стопорит продвижение полиэтиленовой трубной плети. Дальнейшие попытки приводят лишь к повышению допустимых нагрузок. Слишком малое расширение скважины (рис. 3б) приводит к соприкосновению поверхности расширительной насадки со стенками скважины и сцеплению с ними. Поступательное движение головки вдавливает грунт в прокладываемый туннель, а не выводит его вокруг расширительной головки из туннеля. Расширительная головка работает как скребок. Она соскребает смазку со стен туннеля, в результате чего повышается сила тяги полиэтиленовой трубы. Выбуренная масса грунта быстро распределяется вдоль стенок туннеля, создавая при этом давление в сторону стенок. Если при этом предел прочности растяжения трубы еще не достигнут, то работу в таком режиме можно будет продолжить, откорректировав параметры проходки и снизив давление на стенки с помощью промывания канала. При чрезмерной интенсивности работы в режиме расширения и протяжки полиэтиленовой трубной плети возникает резьбовая срезка поверхности стенок туннеля. Сопла вращающейся расширительной головки оставляют на стенках туннеля резьбовые следы, которые возникают в результате слишком короткого времени соприкосновения головки со стенками или же чрезмерно большого расстояния проходки для одного/нескольких сопел. Резьбовые следы на стенках скважины ослабляют прочность стенок, увеличивают зоны рыхлости и обвалов. Вероятная причина: радиальное смещение сопел на буровой и расширительной головках. Для предотвращения недопустимых расширения и сужения пробуриваемых скважин следует постоянно следить и своевременно корректировать параметры проходки (давление суспензии, размеры сопла, скорость подачи и тяги) с учетом грунтовых условий и перепада давления. Перепад давлений является самым точным и постоянным признаком хода процессов бурения под землей. Под перепадом давления понимаются сравнительные показания манометра для силы подачи и тяги. Разница в показаниях давления отражает рабочую мощность мотора или масляного насоса. Например, если продвижение прекращается из-за появившихся камней или других препятствий в грунте (чужие трубопроводы), то сила толкающего давления увеличивается, его максимальные значения можно получить на шкале манометра для силы подачи и тяги (максимальный перепад давления, т.к. масляный насос работает на полную мощность). Вращение головки вызывает лишь незначительные перепады давления, т.к. при вращении прорезается целиком все сечение туннеля. Перепады давления, вызываемые сменой команд управления на рассматриваемом оборудовании для ГНБ, не должны повышать разницу давлений при вращении более чем на 40 бар. Перепад давления при вращении головки менее 40 бар является идеальной предпосылкой для прокладки туннеля нужного диаметра. Очень малый перепад давления или его полное отсутствие однозначно указывает на опасность расширения туннеля. Если процесс расширения продолжается более чем несколько метров, то этот отрезок туннеля может обвалиться. Если отрезок туннеля, подверженного расширению или сужению, составляет более одной/двух буровых штанг, то налицо аварийная ситуация. Корректировка параметров проходки в данном случае не даст существенных результатов для удовлетворительной прокладки туннеля. Тенденция к сужению туннеля в процессе расширения канала учитывается конструкцией рабочих инструментов. Усилие, требующееся для обратного хода, соотносится к буровому усилию как 2:1 и создает перегрузку для всех элементов, втянутых в канал туннеля. Такого соотношения усилий трудно ожидать, если пилотный канал будет расширен расширительной головкой, а сужение происходит оттого, что обратное движение инструмента идет быстрее, чем вывод породы. В этой связи к производству работ по горизонтальному направленному бурению могут быть допущены рабочие трубоукладчики, только прошедшие специальное обучение на право обращения с установками ГНБ. Они должны следить за качеством скважины, создаваемой при пилотном бурении, прилагаемыми усилиями, временем соприкосновения расширителя с грунтом при расширении, своевременно и правильно реагировать на недопустимые отклонения от установленных норм, обеспечивая тем самым приемлемую скоростью проходки. Только при своевременном учете всех факторов горизонтального направленного бурения можно достигнуть правильного формирования туннеля. Существует множество признаков правильной и неправильной проходки туннеля, которые позволяют изменять параметры прокладки канала для получения хороших результатов. Хорошо исследованный грунт в месте, где будет прокладываться туннель, позволяет выбрать нужные параметры проходки. При затяжных командах управления происходит увеличение давления срезанного грунта в туннеле, что вызывает возникновение пузырей сужения или расширения канала туннеля. Ошибки в системе управления возникают тогда, когда в результате расширения канала буровая головка начинает двигаться вниз по наклонной. Слишком малый поток выходящей из канала туннеля породы в стартовом или конечном котлованах информирует о возможном обвале стенки туннеля в результате сужения или расширения канала. Постоянный поток бентонита вперед или назад дает гарантию хорошего бурения. Для ввода в грунт буровых штанг и протягивания труб в хорошо смазанный и сформированный туннель требуется незначительное усилие. Действующие на трубу силы тяги могут измеряться и протоколироваться. Измерение происходит с помощью прибора для измерения тяговой силы Grondolog, который монтируется внутри трубы. Надежное и нечувствительное к температурным изменениям устройство TractoTechnik Grondolog имеет модульную структуру и состоит из распорного ниппеля (необходимого в любом случае), к которому крепятся вся система измерения тяговой силы и измеряющий цилиндр, переводящий механическую тяговую силу в гидравлическое давление (гидравлическое давление измеряется специальным устройством с высокой чувствительностью). Запоминающее устройство сохраняет все полученные данные. Между сохраняющим устройством и измеряющим цилиндром находятся защитные компоненты — клапан ограничения давления, клапан обратного хода и специальный шланг. Запоминающее устройство сохраняет 32 тыс. данных (до 400 бар) в течение 8 ч. Результаты измерения сохраняются в цифровом виде и могут быть обработаны на компьютере и распечатаны прямо на стройке. Устройство TractoTechnik Grondolog монтируется внутри трубопровода, что является его преимуществом по сравнению с другими системами, где измеряющие устройства монтируются между расширителями и распорными ниппелями как дополнительное звено. Из-за этого невозможно движение трубы в обратном направлении, а использование еще одного звена между расширителем и распорным ниппелем может отрицательно сказаться на всем соединении. На основании проведенного анализа применения в стране на современном этапе метода ГНБ при прокладке трубопроводов из ПЭ-труб можно сделать следующие выводы. Для прокладки трубопроводов используются, в основном, полиэтиленовые трубы отечественного производства (ГОСТ 18599–2001) и зарубежное оборудование для горизонтального направленного бурения. Прокладка полиэтиленовых трубопроводов с использованием ГНБ производится силами отечественных специалистов. Имеются достаточные основания для увеличения объемов прокладки ПЭ-трубопроводов с использованием ГНБ — нужно срочно подготовить нормативы на проектирование, монтаж, эксплуатацию и ремонт таких трубопроводов не только для отдельных предприятий, но и на федеральном уровне. ? 1. Webсайт ООО «Подземспецстрой»: www.gnbstroy.ru. 2. Webпортал «Википедия»: www. wikipedia.org. 3. Webсайт ОАО «ИнжеСтрой»: www.ingestroy.ru. 4. Webcайт ООО «ПодземстройРесурс»: www.podzem.ru. 5. Webпортал: www.gnbproekt.ru. 6. Webсайт «ИнжеСтрой»: www.ingestroy.ru. 7. Webсайт ЗАО «Финвал Строймаш»: www.finvalstrojmash.ru. 8. Webпортал: www.vermeer.su. 9. Webпортал: www.gnbbroker.ru. 10. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). — М.: ПрессБюро, 2005.