4 |
ПРОКЛАДКА ТРУБОПРОВОДОВ |
ГЛАВА |
В ОСОБЫХ ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ |
|
|
К особым будем относить условия строительства, требующие внесения соответствующих корректив по сравнению с сухопутными равнинными участками. К ним относится прокладка трубопроводов в условиях сильно пересеченного рельефа местности (горные условия), через болота и обводненные участки, на многолетнемерзлых, пучинистых и просадочных (районы шахтных разработок) грунтах, в сейсмических районах, в барханных песках, на поливных землях и при пересечении соров, в тоннелях.
Рассмотрим эти особенности.
4.1.Прокладка трубопроводов на сильно пересеченной местности
Как показывает практика, строительство трубопроводов в условиях сильно пересеченной и горной местности – весьма сложная в инженерно-техническом и организационном отношениях задача
[11;13;91;114;123;125;140], осложняющие факторы при этом:
•значительное число горных рек и ручьев;
•продольные склоны местности, достигают αn = 30° и более на участках большой протяженности;
•косогорные участки с поперечными уклонами αк = 40° и более;
•наличие скальных пород;
•залесенность трассы на значительном протяжении;
•большое количество осадков в весенне-летний период;
•наличие селевых потоков и оползней.
Взависимости от перечисленных факторов прокладку трубопроводов осуществляют открытым или закрытым способом.
Закрытый способ (бестраншейная проходка) применяют обычно без ограничений инженерно-геологических и гидрологических условий, но необходимо учитывать его высокую стоимость. Этот способ широко распространен в мировой практике трубопроводного строительства, в России также все большее применение получают бестраншейные методы прокладки, такие как микротоннелирование и тоннельная проходка.
Микротоннелирование используется не только при прокладке трубопроводов в сильно пересеченнной и горной местности, но и при строительстве переходов через другие естественные и искусственные препятствия.
При строительстве коллекторов для подземных городских инженерных коммуникаций г.Москвы успешно применялся отечественный горнопроходческий комплекс «Топаз» (разработка Мосинжстроя).
При строительстве Стройтрансгазом газопровода «Голубой поток», в частности при сооружении двух тоннельных переходов через хребты Кобыла и Безымянный протяженностью 2082 и 988 м соответственно, субподрядная организация ООО «НПО Мостовик» применила тоннельный щитовой комплекс
«LOVAT».
Тоннельную проходку осуществляют с применением различных марок отечественных и зарубежных горнопроходческих комбайнов с возведением сборной или монолитной железобетонной обделки. Например, при строительстве газопровода «Голубой поток» было привлечено ОАО «Тоннельный отряд №44» для проходки 196-метрового тоннеля через отроги хребта «Безымянный».
Прокладку трубопровода внутри построенного тоннеля осуществляют методом постепенного наращивания и протаскивания. Трубопровод укладывают на роликоопоры или непосредственно на дно тоннеля, при этом для защиты изоляции применяются кольцевые поливинилхлоридные хомуты.
В случае строительства непроходного тоннеля пространство между трубопроводом и стенками обделки можно заполнять цементно-песчаным раствором.
4.1.1. Устойчивость насыпного откоса
При строительстве трубопроводов на косогорных участках с поперечными уклонами αк > 8° необходимо устраивать полки (рис.4.1) со съездами и въездами на нее.
Наиболее экономичными являются полки в виде полувыемов-полунасыпи (рис.4.1,а,б), при этом насыпной грунт полки используется для устройства проезда на период производства строительно-монтажных работ и последующей эксплуатации.
На рис.4.2 показана схема откоса грунта («полки») насыпанного на поперечном уклоне пересеченной местности. Отсыпанная призма АБВ удерживается на естественном откосе (поперечном уклоне) за счет сил трения грунта отсыпки и грунта естественного откоса.
Рис.4.1. Конструкция полок на косогорных участках трассы
Рис.4.2. Схема к расчету устойчивости откоса
Считая призму АБВ жесткой после установления угла естественного откоса ϕ, рассмотрим условие устойчивости призмы. При αк < ϕ призма будет иметь некоторый запас устойчивости на сдвиг по линии АВ, который можно найти из условия:
где T = (Q + ql)cosαк tgϕ– удерживающая сила; Н=(Q+ql)sinαк – сдвигающая сила.
Таким образом, коэффициент устойчивости
341
При αк = ϕ, т.е. при предельной устойчивости откоса, практически не удается насыпать призму при kу = 1. Значит, угол αк должен быть всегда меньше ϕ, по крайней мере, в полтора – два раза.
Кроме того, следует иметь в виду, что принятое допущение о неразрушимости самой призмы АБВ весьма условно, так как может произойти обрушение части призмы по какой-либо кривой.
При расчете устойчивости полки по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения (рис.4.3) также определяют коэффициент запаса устойчивости для всех возможных поверхностей и отыскивают точку, относительно которой коэффициент запаса устойчивости будет минимальным:
|
k у = |
Муд |
>1 |
, |
(4.3) |
|
Мсдв |
|
|
|
|
|
где Муд – момент всех удерживающих сил, который равен:
С |
С |
|
; |
(4.4) |
М уд = Ri ∑(Qi + qbi )cosαitgϕгр + ∑cгр∆Si |
A |
A |
|
|
|
Мсдв – момент всех сдвигающих сил, равный:
С |
С |
|
(4.5) |
Мсдв = Ri ∑Qi sinαi + ∑qbi sinαi . |
A |
A |
|
|
Если грунт в пределах массива АВС однороден, т.е. ϕгр и сгр постоянны,
то
|
kу = |
tgϕгр∑(Qi cosαi + qibi cosαi ) + cгрAC |
, |
(4.6) |
|
∑(Qi sinαi + qi sinαi ) |
|
|
|
|
где АС – длина дуги (см.рис. 4.3).
Рис.4.3. Схема к расчету устойчивости откоса по круглоцилиндрическим поверхностям
Рис.4.4. Схема к определению центра окружности поверхности скольжения
Для откосов без внешней нагрузки q можно пользоваться следующим способом, позволяющим довольно быстро найти центр окружности с
343
наименьшим kу. На глубине 2h от верхней бровки откоса (рис.4.4) проводят горизонтальный отрезок СД длиной 4,5h. Из точки В через точку А проводят прямую до пересечения ее с вертикалью, проходящей через середину откоса (точка В). Тока О и будет центром окружности, для которой kу будет близок к минимальному.
4.1.2. Расчет напряженного состояния трубопроводов на продольных склонах в период монтажа
При укладке на продольном уклоне в трубопроводе возникают продольные усилия, которые зависят от характеристики склона и способа монтажа [11].
Если фактический угол склона α больше или равен величине αпр, именуемой предельным углом (αп ≥αпр) и определяемой как
где f – коэффициент трения трубопровода о грунт, то продольные растягивающие усилия Рx в сечении х при монтаже «сверху-вниз» находятся по формуле (рис.4.5):
Рх = qтрx(sinαп − f cosαп) , |
(4.8) |
а соответствующие им продольные перемещения трубопровода, направленные вниз по склону, определяются по формуле:
q
ux =−2ЕтрF (l2 − x2 )(sinαп − f cosαп) . (4.9)
Знак (-) указывает на то, что перемещение направлено в противоположную сторону от принятого начала координат по оси x.
Максимальные усилия Рmax имеют место у вершины склона при x, равном длине смонтированного на склоне участка трубопровода
Рmax = qтрl(sinαп − f cosαп) , |
(4.10) |
а максимальные перемещения umax – в конце монтируемого участка при x=0
|
umax = |
q |
тр |
l2 |
(sinαп − f cosαп) . |
(4.11) |
|
2EF |
|
|
|
|
Рис.4.5. Расчетная схема трубопровода при монтаже ,,сверху вниз“
При углах продольного склона αn<αпр трубопровод не будет скользить по склону, но это не означает, что в нем не возникнут продольные усилия и соответствующие перемещения.
Продольные усилия и перемещения при этом будут рассчитываться по формулам:
Рх = |
qтр sinαп |
shβx |
; |
|
|
βchβl |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P = |
qтр sinαп |
thβl ; |
|
|
max |
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ux = − |
qтр sin |
αп |
|
chβx |
|
|
|
|
1 |
− |
; |
|
ku A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
chβl |
umax = − |
qтр sin |
αп |
|
1 |
|
|
|
1 |
− |
|
, |
(4.15) |
ku A |
|
|
|
|
|
|
chβl |
|
qтр – нагрузка от собственного веса единицы трубопровода без продукта; ku – коэффициент постели грунта при продольных перемещениях трубопровода, определяемый экспериментальным путем. Ориентировочно ku можно принять по табл. 2.15; А – часть длины окружности трубы, опирающейся на грунт; F – площадь поперечного сечения металла трубы; β - коэффициент, равный:
При монтаже «снизу-вверх» в зависимостях (4.8) – (4.15) меняется знак: усилия становятся отрицательными, а перемещения – положительными.
На практике могут встретиться расчетные схемы, когда монтаж трубопровода приходится на склон, включающий два или несколько участков с
различными уклонами, например, состоящий из участка длиной l1 с уклоном
αп1 и участка l2 с уклоном αп2. В этом случае параметры, оценивающие напряженно-деформированное состояние трубопровода, равны:
|
Рmax = qтрl1(sinαп1 − f cosαп1 )+ qтрl2 (sinαп2 − f cosαп2 ) ; |
(4.17) |
|
umax = − |
qтр |
[l12 (sinαп1 − f cosαп1 )+ l22 (sinαп2 − f cosαп2 )] . |
(4.18) |
|
2EF |
|
|
|
|
|
|
|
Найденные усилия пересчитываются в напряжения: |
|
|
|
|
σmax = |
Pmax |
. |
(4.19) |
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
4.1.3. Расчет напряженного состояния трубопроводов, подверженных воздействию оползающих грунтов
Как показывает практика эксплуатации, горные трубопроводы часто оказываются расположенными в оползневых массивах. Рассмотрим основные случаи силового воздействия оползающего грунта на трубопровод [11].
346
4.1.3.1. Оползневые подвижки грунта на продольных cклонах
Наиболее неблагоприятным является случай, когда подвижки грунта, перешедшего в предельное состояние, происходит
одновременно вдоль всего склона длиной l. Примыкающие горизонтальные участки жестко фиксируют положение начального и конечного сечений отрезка трубопровода на склоне, формируя защемление (рис. 4.6).
Рис.4.6. Расчетная схема при оползневых подвижках грунта на продольных склонах
Продольные усилия в верхней половине отрезка трубопровода длиной l будут растягивающими, а в нижней – сжимающими (см.рис. 4.6):
P = − |
τпрπDн |
(l− 2х) . |
(4.20) |
В начале и в конце отрезка l они становятся максимальными по абсолютной величине и равными:
• при х = 0 |
P |
= − |
τпрπDн |
|
l ; |
(4.21) |
|
|
|
|
max |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
• при х = l |
P |
= + |
τпрπDн |
l . |
(4.22) |
|
|
|
|
|
max |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продольные перемещения распределяются по длине в соответствии с зависимостью:
ux = − |
τпрπDн |
(lx − x2 ) |
; |
(4.23) |
|
|
2EF |
|
|
и максимальны по абсолютной величине в точке х = 2l :
|
τ |
пр |
πD l2 |
|
|
umax = − |
|
н |
. |
(4.24) |
|
|
EF |
|
|
|
|
|
Рассчитанные по формулам (4.20), (4.21) и (4.22) усилия переводятся в напряжения по формуле (4.19). Величина предельных касательных напряжений τпр определяется по формуле (2.64).
4.1.3.2. Поперечные оползневые подвижки грунта
Пусть трубопровод проложен в оползне на участке l (рис. 4.7). Силовое воздействие грунта
|
qоп = |
4πυопη |
, |
(4.25) |
|
2 |
− ln Re |
|
|
|
|
где υоп – скорость движения оползня, м/с; η - динамическая вязкость грунтовой массы, Па·с; Re – число Рейнольдса
где ν - кинематическая вязкость, м2/с, равная:
Скорость движения оползня
|
γ гр |
|
у2 |
|
(sinαк − cosαкtgϕгр )− |
сгр |
|
|
υоп = |
|
|
Ну − |
|
|
|
у , |
(4.28) |
|
|
|
η |
|
2 |
|
η |
|
|
|
|
|
|
|
где γгр – удельный вес грунта; сгр – сцепление; ϕгр – угол внутреннего трения; αк
– угол склона косогора; Н, у – геометрические параметры (рис. 4.8).
348
