1 Подготовительные работы при устройстве подводных траншей
Перед началом разработки подводных траншей выполняют следующие подготовительные операции:
— С помощью эхолота измеряют глубину и на основании полученных результатов составляют фактический профиль дна, который сверяют с проектным; если различия существенны, особенно если установлено, что дно ниже проектных отметок, то необходимо об этом сообщить проектную организацию и дирекцию строящегося трубопровода, которые должны внести соответствующие изменения в проект;
— Выполняют водолазное обследование по створе перехода в полосе шириной 10 м с целью обнаружения затонувших предметов, которые могут помешать работе земснаряда или протаскиванию трубопровода;
— В зависимости от глубины водоема, траншеи и имеющихся в наличии машин для разработки грунта до начала работ намечают наиболее целесообразную схему их размещения;
— Устанавливают створные знаки;
— Доводят до сведения заинтересованные организации (бассейновое управление пути, пароходство и т.д.) о начале подводно-технических работ.
2 Технология Проведение земляных работ
2.1 Организация земляных работ
В состав земляных работ входят: разработка русловых траншей срезания, при необходимости, плодородного слоя почвы и рекультивация, разработка врезок и пойменных траншей засыпка траншей берегозакрипления.
Углубление трубопроводов в дно водных преград осуществляют обычно путем устройства подводной траншеи к укладке трубопровода. или после его заключения с применением в последнем случае трубозаглибливача или иных специальных механизмов. В некоторых случаях углубление подводного трубопровода осуществляют направленным бурением.
Подводные земляные работы по разработке русловых траншей обычно являются наиболее трудоемкими, длительными и дорогими при строительстве подводных переходов магистральных трубопроводов. Поэтому эффективность и сроки строительства подводных переходов зависят обычно от организации и технологии подводных земляных работ, предусматривающих использование рациональных организационных схем и способов производства работ, а также эффективных средств механизации.
Земляные работы проводятся в соответствии с проектом производства работ, в котором предусматриваются способы и последовательность разработки грунта, типы и мощность механизмов, а также меры по соблюдению техники безопасности.
Разработка подводных траншей может осуществляться землесосных, гидромониторной-эжекторными, черпаковой и грейферными снарядами, канатно-скреперными установками, гидромониторами, эжекторными и пневматическими грунтососамы с применением водолазного труда, а также экскаваторами, установленными на плавучих средствах: понтонах или баржах. Подводные скальные грунты могут разрабатываться взрывным способом и, в исключительных случаях, при небольших объемах работ, водолазами с помощью отбойных молотков. Выбор технических средств и способов разработки подводного грунта производится в зависимости от свойств и объема почвы, сроков производства, наличия землеройной техники, скорости течения, глубины разработки и условий удаления грунта из траншеи.
Рабочий профиль траншеи составляют на основе проектного продольного профиля с учетом ступенчатой изменения глубин и минимального перебора грунта
2.2 Разработка подводных траншей земснарядами и гидромониторами
Любой способ разработки подводного грунта предусматривает рабочее перемещение земснарядов по прорези траншейным или папильйонажним способом. При использовании траншейного способа земснаряд движется вдоль проема, который разрабатывается, после продвижения на определенное расстояние вперед он возвращается в исходное положение, перемещается в сторону и разрабатывает следующую параллельную выемку. Этот способ применяют при наличии достаточных для перемещения земснаряда глубин. При папильйонажному способе земснаряд перемещается поперек траншеи с постепенными движениями вперед. Траншейный способ употребляют на песчаных почвах, легко осыпаются, при ширине траншеи по дну более 5 м и глубинах, достаточные для движения земснаряда. Папильйонажни способы на траншеи по дну превышает 5 м, а также в малообсыпаючих почвах.
Разработка подводной траншеи производится в следующем порядке:
— Передний становой якорь размещают в створе заключения становых якорей в буя, соответствующего карте, разрабатывается;
— Земснаряд устанавливают на линии нижнего дополнительного створа у правой или левой границы створа;
— Земснаряд с помощью папильйонажних тросов, передвигаясь от левой границы к правой и ориентируясь на буе соседней карты, проводит разработку карты подводной траншеи; достигнув предела карты земснаряд делает передвижение по сословному троса вперед и начинает разработку карты от правой границы к левой и т.д.
При выходе земснаряда линии верхнего дополнительного створа разработка карты заканчивается. Становой якорь заводится в следующую точку на створе заключения становых якорей, а земснаряд занимает исходное положение для разработки следующей карты.
Перед началом разработки подводной траншеи выполняются следующие работы:
— Установление знаков створов на розбивальних линиях со световыми излучателями для ориентирования по ним в темное время суток в условиях плохой видимости должны быть установлены на расстоянии друг от друга не более 50 м, плавучие вехи или буи, освещаемые в темное время суток;
— Инструментальная разработка боковых линий;
— Удаление найденных водолазами подводных препятствий;
— Устройство анкеров, используемых в качестве якорей;
— Установление сигналов в соответствии с действующими правилами судоходства.
В состав работ, выполняемых непосредственно при разработке подводного грунта, входят: установка земснаряда в створе траншеи с изложением якорей для рабочих тросов разработка подводного грунта в проеме с поддержкой оптимального режима работы; перекладка якорей, контроль глубины разработки траншеи; обеспечения нормальной эксплуатации оборудования и механизмов путем проведения технических обслуживании и ремонтов.
В процессе разработки подводного грунта особое внимание обращают на увеличение коэффициента использования земснаряда по времени, равного отношению времени работы по извлечению грунта к общему времени работы. Эта цель достигается сокращением времени на
— Установку средств механизации на месте работ;
— Закладка и перекладка якорей в процессе работы;
— Передвижение по проема в процессе разработки грунта;
— Запуск и остановку двигателей;
— Заправку двигателей горюче-смазочными материалами;
— Техническое обслуживание и ремонт механизмов;
— Удаление препятствий, найденных в процессе работы;
— Пропуск судов и плотов;
— Выполнение измерительных работ с целью контроля траншеи разрабатывается.
Сокращение времени на вышеперечисленные работы достигается вовлечением в них вспомогательных плавсредств, водолазной станции, полным обеспечением инструментом, производственным инвентарем, горюче-смазочными материалами и быстроизнашивающихся запасных частей.
Земляные работы обычно начинают на нижней по течению реки нити перехода, что позволяет при разработке верхней траншеи использовать часть грунта для засыпки нижней траншеи с вложенным в нее трубопроводом. При глубине водоемов более 2 м и ширине, превышающей 200 м, во всех случаях, когда русло сложено нескальными почвами, подводные траншеи должны разрабатываться земснарядами. В настоящее время для разработки речных траншей используют различные земснаряды, которые позволяют вести работы на глубине до 40 м. Производительность их составляет от 200 до 2000 м3 час. Зная объем земляных работ и имея сведения о производительности земснаряда, рассчитывают время, необходимое для их выполнения. Согласно согласовывают сроки работ по строительству, чтобы к моменту окончания разработки траншей трубопроводы были подготовлены к укладке.
Рассмотрим основные схемы работ земснарядов. Траншея разрабатывается одним земснарядом. Если река транспортирует большое количество наносов и траншея интенсивно заносится, то целесообразно вести разработку от одного берега к другому Пройдя всю русловую часть траншеи 3 с запасом (20-25 см), земснаряд 1 разворачивают и, очистив от наносов только что подготовленный участок траншеи, за короткий срок дорабатывают участок необработанной траншеи осталось. Во время работы земснаряда должен быть обеспечен беспрепятственный проход судов. Ориентирование земснаряда осуществляется по створных знаках 2. Траншея разрабатывается двумя земснарядами. Оба земснаряды 2, 3 устанавливают в русле реки так, чтобы между ними был возможен проход судов (минимум 80 м). Земснаряды разрабатывают траншею, продвигая к берегу, постепенно удаляясь, друг от друга и увеличивая ширину прохода для судов. Затем один из земснарядов (большой производительности) возвращается и дорабатывает перемычку, а другой переходит на верхнюю нить, при этом должны быть приняты меры, чтобы почва из верхней траншеи не попадал в нижнюю.
2.3 Разработка подводных траншей скреперным и ковшовым оборудованием
Канатно-скреперные установки, применяемые для устройства подводных траншей, состоящих из скреперного ковша, лебедки, приводной силовой станции (двигателя, дизель-генератора) и комплекта тросов и блоков. Для обеспечения работы канатно-скреперных установок в створе траншеи устанавливаются главная или хвостовая опоры и, если по условиям местности выгрузки ковша на берег невозможно, эстакада с бункером или без него.
Разработка подводных траншей канатно-скреперными установками возможна на судоходных и несудоходны реках как летом, так и зимой на разных глубинах и грунтах, включая скальные, заранее разрыхлены. Простота конструкции установок и сравнительная дешевизна оборудования в сочетании с широкими возможностями применения добавляют канатно-скреперным установкам известную универсальность. В практике подводно-технических работ канатно-скреперные установки применяются преимущественно при малом объеме работ, когда другие земснаряды использовать не представляется возможным или целесообразным.
Использование канатно-скреперных установок при разработке плотных глинистых грунтов малоэффективно, поскольку скреперный ковш скользит по дну траншеи, и производительность его резко снижается. Нецелесообразным является также использование канатно-скреперной установки на плавунах и илистых грунтах, особенно при отсутствии течения. Наибольшая производительность канатно-скреперных установок достигается на траншеях небольшой протяженности. Максимальная длина траншеи, разрабатываемой определяется канатоемностью рабочего барабана. Следует иметь в виду, что большая ширина траншеи по дну, что значительно превышает ширину скреперного ковша, сильно усложняет производство работ.
Если дно водоема составленное из различных почв, то при разработке траншеи канатно-скреперной установкой возможны большие переборы грунта. При наличии в грунте дна включений большого числа крупного камней и валунов использования канатно-скреперной установки без предварительного удаления или дробление взрывным способом невозможно. При разработке траншей в сложных условиях для проведения осмотров и удаления препятствий используют водолазная станция.
Технологический процесс разработки подводных траншей канатно-скреперным оборудованием следующие операции:
— Транспортировка ковша к месту забора грунта (холостой цикл);
— Забор грунта скреперным ковшом с транспортировкой его к месту выгрузки (рабочий цикл);
— Выгрузка грунта из ковша в отвал; перемещение грунта с отвала бульдозером по мере накопления почвы после 7 рабочих циклов.
Работа скреперной установки осуществляется при определенных режимах скоростей набор грунта и перемещение наполненного ковша — на первой скорости, равной 0,6-1,5 м / с; разгрузка и перемещение порожнего ковша — на второй скорости, равной 1,2-3 м / с.
При заборе грунта рабочий канат, закрепленный в передней части ковша, наматываясь на барабан, перемещает ковш с грунтом до лебедки. Для разгрузки ковша ему дают задний ход. При этом холостой канат, закрепленный в задней стенки ковша, проходя через блок, перемещает его. ковш, вращаясь на шарнире, открывается, освобождается от почвы и в раскрытом состоянии делает холостой ход. Во время рабочего хода ковш аналогично закрывается, и начинается рабочий цикл. В передней части ковша установлен упор для того, чтобы вал грунта при заполнении ковша давление на упор и поднимал ковш, выводя чем из сцепления с грунтом. Отвал разработанного грунта у лебедки перемещается бульдозером.
Для эффективного использования скреперного ковша при устройстве подводной траншеи работы выполняют ступенчатым способом по участкам длиной 20-25 м, начиная с берега, с таким расчетом, чтобы ковш при определенной толщине стружки и данной длине скреперування полностью заполнялся без потерь грунта.
2.4 Разработка подводных траншей взрывным способом
Взрывные работы при строительстве переходов применяются для разработки подводных траншей, а также для рыхления скальных грунтов с последующей их разработкой землеройными механизмами. Нельзя согласиться с распространенным мнением о целесообразности взрывных работ только на скальных и твердых породах. В практике строительства подводных трубопроводов взрывной способ часто применяют для разработки мягких грунтов на заболоченных и мелководных участках трассы, когда использование механизмов затруднено и нецелесообразно. Применение удлиненных пороховых зарядов и специальных детонирующих шнуров расширяет область взрывных работ. Преимуществом разработки траншей взрывным способом является то, что при этом не требуются специальные землеройные машины и работы могут быть выполнены в весьма короткие сроки. Основным препятствием в организации взрывных работ являются продолжительность их оформления, а также сложность транспортировки и хранения взрывчатых веществ (ВВ). Кроме того, следует учитывать, что производство взрывных работ на водных преградах неизбежно связано с ущербом для рыбного хозяйства. Поэтому проект взрывных работ должен быть согласован с соответствующими организациями.
Для разработки подводных траншей применяются накладные, шпуров и колонковые заряды взрывчатых веществ. Необходимо учитывать, что формулы, которые дают возможность точно определять величины зарядов не существует, и все известные расчеты позволяют только приблизительно определить количество ВР. Поэтому в процессе производства взрывных работ необходимо уточнять величины расчетных зарядов.
2.5 Разработка грунта накладными зарядами
Разработка грунта накладными зарядами наиболее проста в исполнении, потому требуется значительно большее количество взрывчатых веществ (ВВ) по сравнению с другими зарядами.
Практикой взрывных работ установлено, что при толщине слоя воды над зарядом более 3 м действие взрыва начинает снижаться. Поэтому во всех случаях следует рекомендовать производство опытных нарывов с целью установления наиболее оптимального веса заряда.
Для разработки подводных траншей часто накладные заряды заранее закрепляют на стальном тросе, что значительно упрощает работы по укладке зарядов на дно реки по оси траншей. Одновременность взрыва всех зарядов достигается использованием детонирующего шпура. Вес и расстояние между зарядами, укрепляемый на тросе, определяются в зависимости от характеристики грунта, необходимой глубины траншеи и глубины воды.
2.6 Разработка траншей шпуровыми зарядами
Метод зарядов для рыхления скальных пород рекомендуется при условии, если глубина рыхления превышает 0,5 м. Перед началом бурения шпуров перфораторами с поверхности скалы, подлежащего рыхлению, удаляют слой песка с помощью землесосов, гидромониторов или другими техническими средствами. Диаметр шпура обычно не превышает 75 мм, глубина шпура 3-5 м.
Заслуживает внимания организация работ по разработке подводных траншей шпуровым методом на строительстве подводного перехода через Суськехапа. Бурение шпуров производилось двумя сдвоенными пневмобур, смонтированными на специально оборудованной баржи с упорными сваями. Баржа смонтирована из двух понтонов, соединенных П-образными рамами. Каждый из этих понтонов 9 х 2,4 м в свою очередь состоит из двух понтонов меньших размеров. Недвижимость баржи достигалась упорными сваями-стойками в каждом из 4 углов баржи. Упор стоек в грунт осуществлялся ручными домкратами, при этом некоторый подъем понтонов уменьшал давление потока воды на баржу. Перемещение баржи в новое положение осуществлялось лебедками, на что уходило 30 мин.
Пневмобур подвешенные к 12-метровой двутавровой балки, подвешенной к П — образных рам, и перемещаются вдоль балки от одного шпура к другому. Расстояние между понтонами, равное 1,80 м, позволяет производить бурение шпуров.
На каждом понтоне был установлен компрессор производительностью 25 м.куб / мин, обслуживающий один из двух спаренных пневмобур. На понтонах, кроме бурового оборудования, размещены средства взрыва и ВР. Общий вес оборудования и груза около 40 м, образующий осадка баржи с поднятыми упорными стойками 0.6 м.
Длина подводного перехода составляла 1400 м. Средняя глубина воды 4,2 м. Минимальная глубина 1,5 м. Для укладки трубопровода диаметром 720 мм запроектирована траншея глубиной 2,4 м и шириной по дну 1,5 -3,0 м. Диаметр шнуров в верхней части 125 мм и в нижней 100 мм. Коническая форма шпуров облегчала заполнения взрывчатым материалом. Средняя глубина шпуров 3,0-3,3 м. Шпуры располагались в шахматном порядке для буровых работ под водой.
Длина обсадных труб в зависимости от глубины воды от 3 до 7 м. Толщина стенок труб 4,8 мм. Одновременно бурили четыре шпура. Верхний конец обсадных труб вставляли в пазы направляющей рамы находилась на уровне воды между понтонами. После заполнения шпуров динамитом обсадные трубы извлекали с помощью блока, подвешенного к верхней балки. В каждый шпур закладывали 14 патронов 80%-ного нитрожелатинового динамита общим весом 22,7 кг. Динамит мог оставаться в воде в течение 60 дней, не теряя своих качеств, и имел упаковку, разрывается при трамбовании. Таким образом, динамит наполнял весь объем шпура. Трамбовки шпура динамитом проводили в нижней части на высоте 60 см, чтобы усилить разрушения породы. Детонатором служил бикфордов шнур, армированный пластмассой. К концам бикфордова шнура, который вводится в шпуры, закрепляли небольшие деревянные поплавки. Эти поплавки свободно проходили через обсадные трубы при извлечении их после заполнения шпуров динамитом. Поплавки каждой из трех рядов шпуров имели разную окраску. Концы бикфордова шнура предохранялись от замыкания медными наконечниками.
Во время опытного взрыва на участке траншеи длиной 33 м было потрачено 12 кг ВВ на 1 м.куб почвы, что обеспечивало полное разрушение породы. За 34 дня было пробурено 3123 шпура. Все взрывные работы проводились в три очереди в течение одного дня. Зачистку подводной траншей после взрывных работ проводили грейферными снарядами, установленными на плавучих средствах.
Очень трудоемкая и сложная работа по бурению подводных шпуров и скважин для взрывных работ при наличии быстрого течения или волны. Суднобуры, из которых производится бурение, трудно удержать в одном положении на тросах. Это приводит к заклиниванию бурового инструмента и потери его. Проектным бюро подводных работ МРФ была сконструирована и изготовлена в 1959 г. плавучий площадка — опора для буровзрывных работ, лишенный этих недостатков. Четыре трубчатые сваи позволяют площадке с буровым оборудованием подняться над горизонтом воды и проводить буровые работы с такими же удобствами, как и на суше.Выдвижение и подъем свай, обеспеченных в нижней части шпурами и опорными площадками осуществляется ручными лебедками через специальный блочное устройство, установленное в верхней и нижней частях свай-опор.
2.7 Разработка траншей зарядами в скважинах
Метод зарядов скважин заключается во взрыве удлиненных зарядов в скважинах диаметром до 300 мм. Больший диаметр скважины по сравнению с диаметром шпура позволяет разместить большое количество ВР. Поэтому этот способ следует рекомендовать для рыхления прочных скальных пород на глубину 2 м и более при наличии бурового оборудования.
Расстояние между буровыми скважинами (зарядами) для плотных грунтов принимается по длине траншеи от 0,75 до 1,0 и между рядами скважин 0,8. Для трещиноватих почв соответственно от 1,0 до 1,25 и между рядами 1,0.
Конечно расстояние между скважинами принимается и пределах от 1,5 до 2,5 м.
Организация буровых работ достаточно сложна и требует значительных затрат, связанных с эксплуатацией буровых станков, плавучих и других технических средств.
3 РАЗРАБОТКА БЕРЕГОВЫХ ТРАНШ
Земляные работы на береговых участках подводных переходов могут включать: вспушування при необходимости тяжелого глинистого, скального или мерзлого грунта; срезки крутых береговых склонов с транспортировкой грунта в сторону от створа перехода, устройство канав водоотводов или глиняных перемычек, предотвращающие стока воды по траншее в русло; засыпку заключенного трубопровода на береговых участках. Конкретный набор работ зависит от категории грунтов, рельефа местности, сезона строительства, а также способов прокладки трубопровода.
Схема организации работ по комплексной разработке подводной, береговой траншеи с использованием двух бульдозеров, экскаваторов и земснаряда приведена на рисунке 3.1. При этом плодородный слой почвы должен срезаться бульдозером на ширину раскрытия траншеи и перемещаться в отдельный отвал. Расстояние от подошвы отвала плодородного слоя почвы до подошвы отвала минерального грунта должна быть не менее 3 м. Размеры отвалов должны определяться с учетом коэффициента вспушування почвы.
Достигнув установленной отметки бульдозер перебазируется на другой берег реки, устанавливается одноковшовый экскаватор, например марки НД1500, в комплексе с бульдозером меньшей мощности. При совместной работе бульдозера и экскаватора, бульдозер осуществляется перемещение разработанного грунта на расстояние до 60 м от экскаватора в отвалы на бровках траншеи.
Верхние слои почвы в береговой траншеи разрабатываются мощным бульдозером, например марки Д355А, на глубину до отметок, содержащих увлажненную почву. Разработка грунта осуществляется способом параллельных проходок с перемещением его в обе стороны на расстояние до 100 м. Грунт перемещается с подъемом до 10 в отвалы на бровках траншеи.
Экскаватором разрабатываются мокрые почвы выше и ниже среднего за рабочий горизонт воды в реке. Достигнув отметки дна траншеи, при которой разработка грунта из-под воды экскаватором становится по производительности практически нецелесообразным, дальнейшую разработку ведут земснарядом. Глубина разработки траншеи экскаватором из-под воды зависит от почвы и составляет обычно 2-3 метра.
С помощью земснаряда, например типа ТЗР151, разрабатывается траншея на прибрежных участках и в русле реки глубиной до 10 м. При разработке подводного грунта траншея, которая образуется, должен сначала крутые откосы, постепенно осыпаются на ее основание.
Механическое вспушувание может выполняться тракторным рыхлителем или экскаватором, оборудованным клинбабою.
4.1 Гидродомкратни установки большой мощности
Необходимость в переработке больших объемов подводного грунта, в снижении стоимости работ и сокращении сроков строительства привело к созданию мощных гидромониторных установок.
Первые подводные установки ГМ-220 и ГМ-400 были смонтированы с насосами производительностью 220м.куб/час и центробежным насосом марки 8НЗ производительностью 400м.куб/час. Основным недостатком этих гидромониторных установок (рисунок 4.1) была необходимость электросиловой береговой установки или передвижной электростанции мощностью до 120 кВт. Поэтому эксплуатация таких установок была ограничена крупными населенными с промышленными центрами. На строительстве переходов, удаленных от центров электроснабжения, они не нашли широкого применения.
Главная силовая установка состоит из судового двигателя ЗД12, центробежного четырехступенчатого насоса типа 38200х4 и генератора переменного тока, приводимый в движение от вала отбора мощности для привода лебедок.
Максимальная толщина слоя песчаной почвы за один проход, срезается около 1,8 м. Скорость перемещения снаряда 30 — 60 м / час. Для размыва траншеи на большую глубину грунт разрабатывают послойно и отодвигают его по течению реки.
Универсальность установки достигается сменными рабочими органами из нескольких гидромониторных насадок для размыва всех категорий (до слоистой скалы), гидроэлеватора струйной типа для отсоса грунта при глубине подводной траншем более 2 м для бестраншейного заглубления силовых кабелей и кабелей связи в дно водной преграды на глубину до 1,5-2,0 м.
При разработке варианта гидромониторной установки на понтонах преследовалась цель сделать агрегат легко транспортабельным к объектам, строящимся на несудоходной реках. Для производства работ при строительстве переходов через широкие водные преграды сборные понтоны не обладают достаточными мореходными качествами. Поэтому разработан новый вариант-конструкции гидромониторной установки типа, смонтированной на самоходной баржи.
В табл. 4.1 приводятс