Stroj za dizanje cijevi: kako radi, kada ga koristiti i na što treba obratiti pozornost

Što stroj za dizanje cijevi zapravo radi

Stroj za dizanje cijevi građevinski je sustav bez rova koji postavlja podzemne cjevovode istodobnim bušenjem kroz tlo i guranjem predfabriciranih dijelova cijevi u iskopani tunel iz površinske jame za lansiranje. Stroj reže na prednjoj strani bušotine dok hidraulične dizalice postavljene na stražnjoj strani niza cijevi primjenjuju potisak prema naprijed koji je potreban za pomicanje i glave za rezanje i rastućeg niza cijevi kroz tlo. Rezultat je potpuno obložen cjevovod instaliran na dubini, bez potrebe za iskopavanjem kontinuiranog otvorenog rova ​​duž trase cjevovoda.

Ova metoda — također se naziva podizanjem cijevi, nabijanjem cijevi u nekim kontekstima ili mikrotuneliranjem kada se primjenjuje na bušotine manjeg promjera s daljinskim upravljanjem — postala je jedna od najvažnijih tehnika u izgradnji podzemnih komunalnih objekata. Koristi se za postavljanje gravitacijskih kanalizacijskih cjevovoda, cjevovoda za prijenos vode, vodova za distribuciju plina, telekomunikacijskih kanala i propusta ispod cesta, željeznica, rijeka, pista i izgrađenih urbanih područja gdje bi otvoreni iskopi bili nepraktični, štetni ili zabranjeni od strane infrastrukturnih operatera i tijela za planiranje.

Sam stroj za dizanje cijevi je sustav za rezanje i navođenje na početku operacije — komponenta koja određuje promjer bušotine, kompatibilnost tla, točnost linije i nagiba i sposobnost potpore za lice. Sve ostalo u operaciji podizanja cijevi — okvir dizalice, potisni prsten, međustanice dizalice, sustav podmazivanja i uređaj za uklanjanje otpada — konfigurirano je u skladu sa zahtjevima stroja i specifičnim uvjetima tla na projektu.

Osnovne komponente sustava za podizanje cijevi

Potpuni sustav za podizanje cijevi više je od stroja za rezanje. To je integrirani sklop mehaničkih, hidrauličkih i sustava za navođenje koji svi zajedno moraju pouzdano raditi kako bi operacija napredovala sigurno i na liniji. Razumijevanje uloge svake komponente pomaže izvođačima i projektnim inženjerima u donošenju boljih odluka o odabiru opreme i predviđanju gdje će se problemi najvjerojatnije pojaviti.

Rezna glava i štit

Rezna glava je krajnji prednji element stroj za podizanje cijevi , dizajniran za iskopavanje tla i predstavljanje za uklanjanje kroz provrt cjevovoda. Dizajn glave za rezanje značajno varira ovisno o uvjetima tla. U mekom tlu - glina, mulj, pijesak i šljunak - obično se koristi glava s rotirajućim diskom ili žbicama s otvorima za kondicioniranje tla, često u kombinaciji s bentonitom ili ubrizgavanjem polimera za stabilizaciju površine i smanjenje trenja. U mješovitom tlu ili stijenama potrebne su robusnije glave rezača opremljene diskastim rezačima, nastavcima za povlačenje ili dugmastim rezačima od volfram karbida za razbijanje materijala za uklanjanje. Glava rezača smještena je unutar čeličnog štita koji pruža potporu tlu na licu tunela i čini strukturno tijelo stroja.

Okvir dizalice i potisni cilindri

Glavni okvir dizalice ugrađen je u lansirnu jamu iza niza cijevi i osigurava primarnu potisnu silu koja pomiče stroj i cijevi kroz tlo. Sastoji se od teškog čeličnog reakcijskog okvira usidrenog na stražnju stijenku jame, opremljenog hidrauličkim cilindrima — obično dva do četiri cilindra velikog promjera — koji se oslanjaju na potisni prsten ili potisni prsten koji se nalazi na stražnjoj strani posljednje cijevi u nizu. Sile dizanja u operacijama dizanja cijevi su znatne: pogoni mikrotuneliranja malog promjera mogu zahtijevati 50-200 tona potiska, dok pogoni velikog promjera u teškom tlu s dugim nizovima cijevi mogu zahtijevati sile potiska veće od 1000 do 3000 tona. Okvir dizalice mora biti ocijenjen za sigurno prenošenje ovih sila i mora biti odgovarajuće veličine za promjer cijevi i predviđeni otpor tla određenog pogona.

Sustav za uklanjanje otpada

Iskopani materijal mora se kontinuirano uklanjati s čela tunela kroz provrt cjevovoda tijekom podizanja. Metoda uklanjanja otpada jedna je od ključnih varijabli koja razlikuje tipove strojeva za podizanje cijevi. Strojevi za zaštitu od gnojnice koriste krug gnojnice od bentonita pod tlakom za suspenziju i hidraulički transport krhotina kroz cijev za gnojnicu do postrojenja za površinsku separaciju, gdje se krutine ekstrahiraju, a očišćena gnojnica ponovno cirkulira. Strojevi za ravnotežu tlačnog pritiska miješaju iskopano tlo sa sredstvima za kondicioniranje kako bi stvorili plastificiranu masu koja se zatim izvlači Arhimedovim pužnim transporterom kroz provrt cjevovoda do lansirne jame. Ručno iskopavanje ručnim alatima i uklanjanjem skipa još uvijek se koristi u pogonima većeg promjera gdje je ulazak radnika praktičan, a uvjeti tla dovoljno stabilni da to dopuste.

Sustav za navođenje i upravljanje

Održavanje točnosti vodova i nagiba tijekom cijelog pogona je kritično — cjevovodi postavljeni izvan trase uzrokuju probleme s hidrauličkim nagibom u gravitacijskim kanalima, naprezanje spojeva u tlačnim cjevovodima i potencijalne sukobe s postojećim uslugama. Strojevi za podizanje cijevi upravljaju se podešavanjem produžetka hidrauličkih upravljačkih cilindara postavljenih oko periferije štita, koji zglobno povezuju glavu stroja u odnosu na sljedeći niz cijevi. Praćenje položaja postiže se pomoću laserskog teodolita postavljenog u lansirnu jamu koji projicira zraku na metu unutar stroja — operater očitava odstupanje stroja od zrake i ispravlja ga kroz upravljačke cilindre. Sofisticiraniji sustavi navođenja koji koriste žiroskopske totalne stanice ili prstenaste laserske žiroskope koriste se na dužim vožnjama ili zavojima gdje jednostavna laserska linija nije dovoljna.

Vrste strojeva za dizanje cijevi i kada se svaki koristi

Strojevi za dizanje cijevi nisu jedan proizvod — postoje u nekoliko različitih konfiguracija, od kojih je svaka optimizirana za različit raspon promjera provrta, uvjete tla i zahtjeve projekta. Odabir pravog tipa stroja najvažnija je odluka o opremi za bilo koji projekt postavljanja cijevi.

Strojevi za mikrotuneliranje (MTBM)

Strojevi za mikrotuneliranje daljinski su upravljani sustavi za dizanje cijevi dizajnirani za promjere provrta koji se obično kreću od 150 mm do 1200 mm, iako je granica s većim sustavima s ljudskom posadom specifična za projekt. Definirajuća karakteristika stroja za mikrotuneliranje je da operater ne ulazi u tunel tijekom vožnje — svim upravljanjem, nadzorom i kontrolom stroja upravlja se iz kabine za površinsku kontrolu preko pupčane veze. Ova mogućnost daljinskog rada čini mikrotuneliranje prikladnim za bušotine malog promjera gdje je ulazak radnika fizički nemoguć i za sve uvjete tla gdje pristup licem predstavlja neprihvatljiv sigurnosni rizik. Strojevi za mikrotuneliranje najčešće su sustavi gnojnice, s hidrauličkim rezanjem i transportom gnojnice koji pružaju kontinuiranu čeonu potporu i učinkovito uklanjanje otpada u mekom i mješovitom tlu.

Strojevi za podizanje cijevi za balansiranje tlaka u zemlji

Strojevi za dizanje cijevi za ravnotežu tlaka zemlje (EPB) koriste samo iskopano tlo — kondicionirano vodom, pjenom ili polimerom kako bi se postigla obradiva plastičnost — kao primarni medij za čeonu potporu. Tlačna pregrada iza glave rezača održava kontrolirani pritisak tla na čelo tunela, s brzinom izvlačenja pužnog transportera u ravnoteži s brzinom napredovanja kako bi se čeoni pritisak zadržao unutar ciljnog raspona. EPB strojevi posebno su učinkoviti u kohezivnim i mješovitim tlima, pijesku natopljenom vodom i urbanim sredinama gdje slijeganje tla mora biti minimalizirano. Rade sa širokim rasponom promjera od oko 600 mm do nekoliko metara i dostupni su u konfiguracijama s daljinskim upravljanjem i konfiguracijama s ljudskom posadom, ovisno o veličini provrta.

Strojevi za podizanje cijevi sa štitom od gnojnice

Strojevi za zaštitu od gnojnice podupiru lice tunela pomoću bentonitnog gnoja pod tlakom i hidraulički uklanjaju krhotine kroz zatvoreni krug gnojovke. Oni su izvrsni u zasićenim granuliranim tlima - tekućim pijescima, šljuncima i propusnim aluvijalnim naslagama - gdje je EPB kondicioniranje teško i gdje je održavanje čeonog pritiska ključno za sprječavanje ispuhivanja ili slijeganja. Postrojenje za odvajanje gnojovke koje je potrebno na površini značajan je logistički element na projektima tipa gnojnice: ono zauzima znatnu površinu gradilišta, zahtijeva pažljivo upravljanje svojstvima mješavine gnojnice i stvara tok za odlaganje filterski prešane gnojovke s kojom se mora upravljati kao s otpadnim materijalom. Unatoč ovoj složenosti, strojevi za zaštitu od gnojnice često su jedina održiva tehnologija za vodonosno zrnato tlo na značajnoj dubini.

Strojevi za dizanje cijevi za rezanje stijena

U formacijama stijena standardne glave za rezanje tla su neučinkovite i potrebni su specijalizirani strojevi za rezanje stijena. Ovi strojevi opremljeni su nizovima diskova za rezanje pune površine — načelno sličnim TBM-u (stroj za bušenje tunela) — koji primjenjuju velika točkasta opterećenja na površinu stijene kako bi je razbili u komadiće. Strugotina se zatim ispire ili prenosi iz provrta. Strojevi za dizanje stijena moraju biti usklađeni s tlačnom čvrstoćom, abrazivnošću i karakteristikama loma specifične formacije stijena: meke sedimentne stijene poput krede ili blata mogu se obrađivati ​​ojačanim glavama za povlačenje, dok tvrde magmatske ili metamorfne stijene s UCS vrijednostima iznad 100 MPa zahtijevaju rezače s diskovima s punom površinom u tvrđim vrstama čelika. Stope trošenja rezača u abrazivnom kamenu glavni su pokretač troškova i moraju se uračunati u proračune projekta od samog početka.

Uvjeti tla i njihov utjecaj na odabir stroja

Nijedan pojedinačni tip stroja za podizanje cijevi ne radi dobro u svim uvjetima tla. Geotehnička istraživanja — bušotine, probne jame, laboratorijsko ispitivanje uzoraka tla i praćenje razine podzemne vode — osnovni su temelj na kojem se mora temeljiti svaka odluka o odabiru stroja. Specificiranje pogrešnog stroja za uvjete tla na koje se nailazi jedan je od najčešćih uzroka neuspjeha projekta postavljanja cijevi, što dovodi do zaglavljivanja strojeva, ispuhivanja, prekomjernog slijeganja ili potpunog napuštanja pogona.

Donja tablica sažima opći odnos između uvjeta tla i odgovarajućih tipova strojeva za podizanje cijevi:

Upravljanje silama dizalice i korištenje međustanica dizalice

Kako se niz cijevi produljuje tijekom pogona, trenje koje djeluje na vanjskoj površini cijevi se nakuplja i ukupna sila dizanja potrebna za napredovanje sustava progresivno raste. Na kratkim vožnjama po povoljnom tlu, ovo nakupljanje se može kontrolirati unutar kapaciteta samo glavnog okvira dizalice. Na dužim vožnjama - osobito onima koje prelaze 100-150 metara, ili kraćim vožnjama u abrazivnom tlu ili tlu s visokim trenjem - akumulirano trenje po površini može premašiti kapacitet potiska glavnog okvira i kapacitet konstrukcijskog opterećenja spojeva cijevi. Ovdje međustanice za dizalice postaju bitne.

Međustanica za dizalicu (IJS) kratki je čelični cilindar opremljen vlastitim setom hidrauličkih cilindra, ugrađenih unutar niza cijevi u unaprijed određenim intervalima tijekom vožnje. Kada se sila dizanja približi granici, IJS klipovi se aktiviraju kako bi neovisno gurnuli prednji dio niza cijevi dok se glavne dizalice poništavaju. Dijeljenjem niza cijevi u segmente i uzastopnim aktiviranjem IJS jedinica, maksimalna sila primijenjena na bilo koji pojedinačni spoj cijevi održava se unutar sigurnih strukturnih granica, a pogon se može nastaviti i dalje od onoga što bi mogao postići sam glavni okvir dizalice. Dobro osmišljeni projekti podizanja cijevi na dugim pogonima određuju položaje IJS-a unaprijed na temelju izračunatih opterećenja trenjem, s dodatnim položajima unaprijed planiranim u slučaju da su uvjeti tla lošiji od očekivanih.

Podmazivanje sučelja cijev-zemlja korištenjem bentonitnog mulja ili polimernog gela ubrizganog kroz otvore u stijenci cijevi druga je primarna strategija za upravljanje silama podizanja. Učinkovit program podmazivanja može smanjiti trenje stjenke cijevi za 50–80% u usporedbi s nepodmazanim pogonima, dramatično produžujući ostvarivu duljinu pogona i smanjujući broj potrebnih IJS jedinica. Podmazivanje se mora kontinuirano održavati tijekom cijelog pogona — dopuštanje da se pokvari ili da ga okolno tlo apsorbira brzo povećava trenje i može rezultirati zaglavljivanjem niza cijevi.

Materijali cijevi koji se koriste u operacijama podizanja cijevi

Dijelovi cijevi gurnuti kroz tlo pomoću stroja za podizanje cijevi moraju izdržati i potisna opterećenja dizanja koja se prenose duž njihove osi i vanjske pritiske tla i podzemne vode koji djeluju na njihove stijenke tijekom cijelog radnog vijeka. Nisu svi materijali cijevi prikladni za dizalicu, a izbor vrste cijevi ima izravne implikacije na promjer provrta, duljinu pogona, dopušteni otklon na spojevima i dugoročne performanse cjevovoda.

• Armiranobetonska cijev za dizanje: Najrašireniji materijal za dizanje kanalizacije u srednjim do velikim promjerima (300 mm do 3000 mm i više). Betonske cijevi za dizanje proizvedene su u skladu sa specifičnim standardima dizanja — EN 1916 u Europi, ASTM C76 u Sjevernoj Americi — s kaljenim čeličnim završnim prstenovima na svakoj površini spoja kako bi se ravnomjerno rasporedila opterećenja dizanja i smanjila koncentracija naprezanja u spoju. Nude izvrsnu dugoročnu izdržljivost, kemijsku otpornost na kanalizacijske plinove i konkurentnu cijenu pri većim promjerima.
• Cijev od vitrificirane gline: Koristi se u manjim promjerima kanalizacije, obično od 150 mm do 600 mm. Vitrificirana glina pruža izuzetnu otpornost na kemijski napad agresivne kanalizacije i industrijskih otpadnih voda, što je čini preferiranim izborom za kemijski zahtjevna kanalizacijska okruženja. Njegova lomljivost u usporedbi s betonom zahtijeva pažljivo rukovanje i ograničava sile dizanja koje se mogu primijeniti.
• Čelična cijev za dizanje: Koristi se za vodovodne i plinske vodove, naftovode i zaštitne cijevi većih promjera. Čelik pruža vrlo visoku tlačnu i vlačnu čvrstoću, dopuštajući primjenu velikih sila dizalice i čineći ga prikladnim za duge vožnje i teške uvjete tla. Vanjska zaštita od korozije — fuzijski epoksid, poliuretanski premaz ili katodna zaštita — ključna je za dug radni vijek.
• GRP (polimer ojačan staklenim vlaknima) cijev za uvlačenje: Kombinira visoku čvrstoću s malom težinom i izvrsnom otpornošću na koroziju. GRP cijevi za dizanje sve se više specificiraju za kemijski agresivna okruženja i za pogone gdje smanjena težina cijevi pojednostavljuje rukovanje u zatvorenim lansirnim jamama. Oni zahtijevaju pažljivo projektiranje zglobova kako bi se osigurao odgovarajući prijenos opterećenja pod silama dizanja.
• Polimerbeton i HOBAS cijev: Centrifugalno lijevane cijevi od polimerne žbuke ojačane staklenim vlaknima (CCFRPM) kombiniraju kemijsku otpornost polimera s tlačnom čvrstoćom potrebnom za primjene dizalica. Široko se koristi u agresivnim aplikacijama za kanalizaciju i industrijsku odvodnju diljem Europe i sve više na drugim tržištima.

Ključna razmatranja planiranja projekta prije mobilizacije stroja za podizanje cijevi

Projekti dizanja cijevi koji nailaze na ozbiljne probleme na terenu rijetko su nesretni — oni su gotovo uvijek rezultat neadekvatnog planiranja, nedovoljnog istraživanja terena ili nerealnih pretpostavki napravljenih tijekom projektiranja. Sljedeći elementi planiranja zaslužuju posebnu pažnju prije nego što se bilo koji stroj za podizanje cijevi mobilizira na gradilište.

• Obim i kvaliteta geotehničkih istraživanja: Bušotine bi trebale biti raspoređene u intervalima koji odgovaraju varijabilnosti tla na lokaciji - obično ne više od 50 metara duž trase za urbane projekte - i trebale bi se protezati do najmanje 3 promjera cijevi ispod invertne razine predložene bušotine. Laboratorijska ispitivanja trebaju uključivati ​​raspodjelu veličine čestica, indeks plastičnosti, nedreniranu čvrstoću na smicanje, neograničenu tlačnu čvrstoću za stijenu i kemiju podzemne vode gdje je korozija cijevi ili komponenti stroja zabrinjavajuća.
• Pregled postojećih usluga: Prije dovršetka usklađivanja pogona mora se dovršiti potpuni pregled komunalnih usluga pomoću radara koji prodire u zemlju, elektromagnetske lokacije i pregled svih dostupnih zapisa komunalnih usluga. Neotkrivena instalacija koja prelazi aktivnu bušotinu ima potencijal za katastrofalne posljedice — udari na plinovod, visokonaponske kabele ili vodovod u blizini pogona pod naponom su među najozbiljnijim rizicima u urbanoj gradnji bez iskopa.
• Projekt lansirne i prihvatne jame: Lansirna jama mora biti dovoljno velika za smještaj okvira dizalice, opreme za rukovanje cijevima, sustava za uklanjanje otpada i osigurati siguran radni pristup za posadu. Minimalne dimenzije jame određene su promjerom cijevi, duljinom stroja i hodom dizalice. Jama mora biti odgovarajuće poduprta i odvodnjena, a stražnja potisna stijenka mora biti strukturno sposobna izdržati maksimalnu predviđenu silu dizalice bez pomicanja ili kvara.
• Duljina pogona i zakrivljenost: Svaki tip stroja i kombinacija materijala cijevi ima najveću moguću duljinu pogona, iznad koje sile podizanja ili naprezanja spojeva cijevi postaju neupravljivi. Slično tome, zakrivljena poravnanja su moguća, ali uvode dodatnu složenost u vođenje i povećavaju opterećenja savijanja spojeva cijevi. Pogone koji prelaze otprilike 150 metara ili uključuju vodoravne ili okomite krivulje trebao bi ocijeniti specijalizirani inženjer za beskonačne radove prije dovršetka odabira stroja.
• Praćenje naselja i procjena rizika: Za vožnje ispod osjetljivih struktura — željezničkih tračnica, povijesnih zgrada, upornjaka mostova ili operativnih industrijskih objekata — prije početka vožnje treba uspostaviti program praćenja naselja koristeći površinske preglede spomenika, precizno niveliranje i nagibomjere na osjetljivim strukturama. Razine okidača i radnje za prilagodbu parametara stroja ili suspenziju pogona trebaju se unaprijed dogovoriti s pogođenim vlasnicima infrastrukture.

Uobičajeni problemi tijekom podizanja cijevi i kako ih iskusni izvođači rješavaju

Čak i dobro isplanirana dizanja cijevi nailaze na probleme. Uvjeti tla rijetko se točno podudaraju s podacima iz bušotine, istrošenost ili neispravnost dijelova stroja i neočekivane prepreke stvarnost su urbane podzemne izgradnje. Razlika između projekta koji se oporavlja od ovih događaja i onoga koji rezultira zaglavljivanjem stroja ili prekidom pogona obično se svodi na iskustvo posade i mjere za nepredviđene situacije ugrađene u projektni plan.

Prepreke na licu tunela

Kamene gromade, kaldrma, stari zidani temelji, drvene gomile i povučeni komunalije među najčešćim su neočekivanim preprekama na koje nailazimo tijekom podizanja cijevi u urbanim područjima. U pogonima promjera s ulazom s posadom, radnici ponekad mogu srušiti prepreke ručnim alatima ili pneumatskim razbijačima pod zaštitom oklopa. U manjim promjerima mikrotuneliranja gdje ulazak nije moguć, opcije za nepredviđene situacije uključuju interventni pristup iz iskopa iznad pogona, površinski izbušenog mlaznog injektiranja ili ubrizgavanja smole za stabilizaciju tla oko prepreke, ili u ekstremnim slučajevima, napuštanje pogona i izvlačenje stroja iz nove jame ispred blokade.

Prekomjerno nakupljanje sile podizanja

Kada sile podizanja rastu brže od predviđenog, prvi odgovor bi uvijek trebao biti procjena i optimizacija programa podmazivanja — povećanje volumena i učestalosti ubrizgavanja, provjera da otvori za podmazivanje nisu blokirani i provjera je li prstenasta praznina oko cijevi odgovarajuće ispunjena. Ako optimizacija podmazivanja ne zaustavi povećanje sile, sljedeći korak je aktiviranje međustanica dizalica ranije nego što je planirano. Forsiranje zaglavljenog pogona primjenom maksimalnog potiska rijetko je produktivno i riskira oštećenje spoja cijevi, kvar komponente stroja ili podizanje površine. Pauziranjem vožnje i dopuštanjem da se tlo malo opusti oko niza cijevi — u kombinaciji s pojačanim podmazivanjem — često se postiže veći napredak nego kontinuiranim forsiranjem.

Off-line odstupanje

Odstupanja u navođenju koja se rano uhvate mogu se kontrolirati — upravljački cilindri mogu postupno ispravljati smjer stroja tijekom sljedećih nekoliko duljina cijevi bez stvaranja neprihvatljivih kutova spojeva. Puno se teže oporaviti od odstupanja koja ostanu neotkrivena dok ne postanu velika i mogu dovesti do naprezanja spojeva cijevi, slijeganja površine na nepredviđenom mjestu ili potencijalnog sukoba s postojećim uslugama. Najbolja obrana od problema s odstupanjem je rigorozan režim nadzora — očitavanje i bilježenje ciljne pozicije navođenja nakon svake instalacije cijevi, a ne samo na početku svake smjene — i jasan akcijski protokol za koje se korekcije upravljanja primjenjuju pri kojoj veličini odstupanja.