Mașină de ridicare țevi: cum funcționează, când să o utilizați și ce să căutați

Ce face de fapt o mașină de ridicare a țevilor

O mașină de ridicare a țevilor este un sistem de construcție fără șanțuri care instalează conducte subterane prin perforarea simultană a solului și împingerea secțiunilor de țevi prefabricate în tunelul excavat dintr-o groapă de lansare la nivel de suprafață. Mașina taie la fața găurii, în timp ce cricurile hidraulice poziționate în spatele șirului de țevi aplică forța înainte necesară pentru a avansa atât capul de tăiere, cât și trenul de țevi în creștere prin sol. Rezultatul este o conductă complet căptușită instalată la adâncime, fără a fi necesară excavarea unui șanț deschis continuu de-a lungul traseului conductei.

Această metodă - denumită și ridicarea țevilor, lovirea țevilor în unele contexte sau microtunel atunci când este aplicată la găuri de diametru mai mic cu ghidare de la distanță - a devenit una dintre cele mai importante tehnici în construcția de utilități subterane. Este utilizat pentru a instala conducte de canalizare gravitațională, conducte de transport de apă, linii de distribuție a gazelor, conducte de telecomunicații și canale sub drumuri, căi ferate, râuri, piste și zone urbane construite unde excavarea deschisă ar fi nepractică, dăunătoare sau interzisă de operatorii de infrastructură și autoritățile de planificare.

Mașina de ridicare a țevilor în sine este sistemul de tăiere și ghidare din partea din față a operațiunii - componenta care determină diametrul alezajului, compatibilitatea cu solul, precizia liniei și nivelului și capacitatea de susținere a feței. Orice altceva într-o operațiune de ridicare a țevilor - cadrul de cric, inelul de împingere, stațiile intermediare de cric, sistemul de lubrifiere și aranjamentul de îndepărtare a resturilor - este configurat în funcție de cerințele mașinii și de condițiile specifice ale solului întâlnite în proiect.

Componentele de bază ale unui sistem de ridicare a conductelor

Un sistem complet de ridicare a țevilor este mai mult decât o simplă mașină de tăiat. Este un ansamblu integrat de sisteme mecanice, hidraulice și de ghidare care trebuie să lucreze împreună în mod fiabil pentru ca operațiunea să avanseze în siguranță și în linie. Înțelegerea rolului fiecărei componente îi ajută pe antreprenori și inginerii de proiect să ia decizii mai bune de selecție a echipamentelor și să anticipeze unde este cel mai probabil să apară problemele.

Capul de tăiere și scutul

Capul de tăiere este elementul cel mai în față al mașină de ridicare țevi , conceput pentru a excava solul și a-l prezenta spre îndepărtare prin gaura conductei. Designul capului de tăiere variază semnificativ în funcție de condițiile solului. În teren moale - argile, nămol, nisip și pietriș - un disc rotativ sau un cap de tăiere cu model de spițe cu porturi de condiționare a solului este de obicei utilizat, adesea în combinație cu bentonită sau injecție de polimer pentru a stabiliza suprafața și a reduce frecarea. În teren mixt sau stâncă, sunt necesare capete de tăiere mai robuste, echipate cu freze cu discuri, biți de glisare sau freze pentru butoane din carbură de tungsten pentru a descompune materialul pentru îndepărtare. Capul de tăiere este găzduit într-un scut de oțel care oferă suport la sol pe fața tunelului și formează corpul structural al mașinii.

Cadrul de cric și cilindrii de tracțiune

Cadrul principal de cric este instalat în groapa de lansare în spatele șirului de țevi și oferă forța de împingere primară care avansează mașina și țevile prin sol. Este alcătuit dintr-un cadru greu de reacție din oțel, ancorat de peretele din spate al gropii, echipat cu cilindri hidraulici - de obicei doi până la patru berbeci cu diametru mare - care se sprijină pe un inel de împingere sau un guler de împingere așezat pe fața din spate a ultimei țevi din șir. Forțele de cric în operațiunile de ridicare a țevilor sunt substanțiale: antrenările de microtunel cu diametru mic pot necesita 50-200 de tone de tracțiune, în timp ce antrenările cu diametru mare pe teren dificil cu șiruri lungi de țevi pot solicita forțe de tracțiune care depășesc 1.000 până la 3.000 de tone. Cadrul de cric trebuie să fie evaluat pentru a furniza aceste forțe în siguranță și să fie dimensionat corect pentru diametrul țevii și rezistența anticipată la pământ a unității specifice.

Sistem de îndepărtare a stricăcurilor

Materialul excavat trebuie îndepărtat continuu de pe fața tunelului prin orificiul conductei în timpul ridicării cu cric. Metoda de îndepărtare a resturilor este una dintre variabilele cheie care diferențiază tipurile de mașini de ridicare a țevilor. Mașinile de scut de șlam utilizează un circuit de șlam de bentonită sub presiune pentru a suspenda și transporta butașii hidraulic printr-o țeavă de șlam la o instalație de separare a suprafeței, unde solidele sunt extrase și suspensia curățată este recirculată. Mașinile de echilibrare a presiunii pământului amestecă solul excavat cu agenți de condiționare pentru a crea o masă plastifiată care este apoi extrasă de un transportor cu șurub arhimedian prin orificiul conductei până la groapa de lansare. Excavarea manuală cu unelte de mână și îndepărtarea skipului este încă folosită în transmisiile cu diametru mai mare, unde intrarea lucrătorilor este practică și condițiile de sol sunt suficient de stabile pentru a permite acest lucru.

Sistem de ghidare și direcție

Menținerea preciziei liniilor și a nivelului în întreaga unitate de transmisie este critică - conductele instalate în afara aliniamentului cauzează probleme de gradient hidraulic în canalizările gravitaționale, stres în comun în rețelele sub presiune și potențiale ciocniri cu serviciile existente. Mașinile de ridicare a țevilor sunt direcționate prin reglarea extensiei cilindrilor hidraulici de direcție poziționați în jurul periferiei scutului, care articulează capul mașinii în raport cu următorul șir de țevi. Monitorizarea poziției se realizează printr-un teodolit laser montat în groapa de lansare care proiectează un fascicul pe o țintă din interiorul mașinii — abaterea mașinii de la fascicul este citită de operator și corectată prin cilindrii de direcție. Sistemele de ghidare mai sofisticate care folosesc stații totale giroscopice sau giroscoape cu laser inelar sunt utilizate pe trasee sau curbe mai lungi unde o linie laser simplă este insuficientă.

Tipuri de mașini de ridicare a țevilor și când fiecare este utilizat

Mașinile de ridicare a țevilor nu sunt un singur produs - ele există în mai multe configurații distincte, fiecare optimizată pentru o gamă diferită de diametre ale alezajului, condiții de sol și cerințe ale proiectului. Selectarea tipului potrivit de mașină este cea mai importantă decizie de echipare pentru orice proiect de ridicare a conductelor.

Mașini de microtunel (MTBM)

Mașinile de microtunel sunt sisteme de ridicare a țevilor operate de la distanță proiectate pentru diametre ale alezajului care variază de obicei între 150 mm și 1.200 mm, deși limita cu sistemele de intrare cu echipaj mai mari este specifică proiectului. Caracteristica definitorie a unei mașini de microtunel este că operatorul nu intră în tunel în timpul conducerii - toate direcția, monitorizarea și controlul mașinii sunt gestionate dintr-o cabină de control de suprafață printr-o conexiune ombilicală. Această capacitate de operare de la distanță face ca microtunelul să fie adecvat pentru găuri de diametru mic în care intrarea lucrătorilor este imposibilă din punct de vedere fizic și pentru orice condiție de sol în care accesul frontal prezintă un risc inacceptabil de siguranță. Mașinile de microtunel sunt cel mai frecvent sisteme de tip nămol, cu tăiere hidraulică și transportul nămolului, oferind suport continuu al feței și îndepărtarea eficientă a resturilor pe sol moale și mixt.

Mașini de ridicare a țevilor de echilibrare a presiunii la pământ

Mașinile de ridicare a țevilor de echilibrare a presiunii pământului (EPB) folosesc solul excavat în sine - condiționat cu apă, spumă sau polimer pentru a obține o plasticitate funcțională - ca mediu de suport principal al feței. Un perete de presiune din spatele capului de tăiere menține o presiune controlată a solului pe fața tunelului, cu rata de extracție a transportorului cu șurub echilibrată față de rata de avans pentru a menține presiunea frontală într-un interval țintă. Mașinile EPB sunt deosebit de eficiente în soluri coezive și mixte, nisipuri pline de apă și medii urbane în care așezarea solului trebuie redusă la minimum. Acestea se ocupă de o gamă largă de diametre, de la aproximativ 600 mm până la câțiva metri și sunt disponibile atât în ​​configurații operate de la distanță, cât și cu intrare cu echipaj, în funcție de dimensiunea alezajului.

Mașini de ridicare a țevilor pentru scut de șlam

Mașinile de scut pentru nămol susțin fața tunelului folosind nămol de bentonită sub presiune și îndepărtează butașii hidraulic printr-un circuit închis de nămol. Ele excelează în soluri granulare saturate - nisipuri curgătoare, pietrișuri și depozite aluviale permeabile - unde condiționarea EPB este dificilă și unde menținerea presiunii faciale este esențială pentru prevenirea erupțiilor sau așezării. Instalația de separare a nămolului necesară la suprafață este un element logistic semnificativ pentru proiectele de tip nămol: ocupă o suprafață considerabilă de șantier, necesită o gestionare atentă a proprietăților amestecului de nămol și generează un flux de eliminare a deșeurilor de turtă de șlam presată prin filtrare care trebuie gestionat ca deșeu. În ciuda acestei complexități, mașinile de scut de șlam sunt adesea singura tehnologie viabilă pentru pământ granular purtător de apă la adâncime semnificativă.

Mașini de ridicare a țevilor de tăiat roci

În formațiunile de stâncă, capete standard de tăiere a solului sunt ineficiente și sunt necesare mașini specializate de tăiat roca. Aceste mașini sunt echipate cu matrice de tăiere cu discuri cu suprafață completă - similare în principiu cu un TBM (mașină de forat tunel) - care aplică sarcini punctiforme mari pe suprafața de rocă pentru a o fractura în așchii. Așchiile sunt apoi spălate sau transportate din gaură. Mașinile de ridicare a rocii trebuie să fie potrivite cu caracteristicile de rezistență la compresiune, abrazivitate și fractură ale formațiunii specifice de rocă: rocile sedimentare moi, cum ar fi creta sau piatra de noroi pot fi manipulate cu capete armate, în timp ce rocile ignee dure sau metamorfice cu valori UCS de peste 100 MPa necesită freze cu disc cu suprafață totală din oțel mai dur. Ratele de uzură a frezei în roca abrazivă reprezintă un factor major de cost și trebuie luate în considerare în bugetele proiectului încă de la început.

Condițiile solului și impactul lor asupra selecției mașinii

Nici un singur tip de mașină de ridicare a țevilor nu funcționează bine pe toate condițiile de sol. Investigația geotehnică - foraje, gropi de încercare, testarea în laborator a probelor de sol și monitorizarea nivelului apei subterane - este fundamentul esențial pe care trebuie să se bazeze fiecare decizie de selecție a mașinii. Specificarea mașinii greșite pentru condițiile de sol întâlnite este una dintre cele mai frecvente cauze ale eșecului proiectului de ridicare a conductelor, ceea ce duce la blocarea mașinilor, exploziile, tasarea excesivă sau abandonarea completă a conducerii.

Tabelul de mai jos rezumă relația generală dintre condițiile solului și tipurile adecvate de mașini de ridicare a țevilor:

Gestionarea forțelor de ridicare și utilizarea stațiilor intermediare de ridicare

Pe măsură ce șirul de țevi se prelungește în timpul antrenării, frecarea care acționează pe suprafața exterioară a țevilor se acumulează și forța totală de ridicare necesară pentru a avansa sistemul crește progresiv. Pe drumuri scurte pe teren favorabil, această acumulare este gestionabilă numai în limita capacității cadrului principal de cric. La transmisiile mai lungi – în special cele care depășesc 100–150 de metri sau cele mai scurte în teren abraziv sau cu frecare mare – frecarea acumulată a pielii poate depăși capacitatea de tracțiune a cadrului principal și capacitatea de încărcare structurală a îmbinărilor țevilor. Aici devin esențiale stațiile intermediare de cric.

O stație intermediară de cric (IJS) este un cilindru scurt de oțel prevăzut cu propriul set de berbeci hidraulici, instalați în șirul de țevi la intervale prestabilite în timpul conducerii. Când forța de ridicare se apropie de limita sa, berbecii IJS sunt activați pentru a împinge independent porțiunea înainte a șirului de țevi în timp ce cricurile principale se resetează. Prin împărțirea șirului de țevi în segmente și activarea secvențială a unităților IJS, forța maximă aplicată oricărei îmbinări individuale a țevii este menținută în limitele structurale sigure, iar antrenarea poate continua cu mult peste ceea ce ar putea realiza singur cadrul principal de cric. Proiectele bine concepute de ridicare a țevilor pe transmisii lungi specifică pozițiile IJS în avans pe baza sarcinilor de frecare calculate, cu poziții suplimentare planificate în prealabil în cazul în care condițiile solului sunt mai proaste decât se anticipase.

Ungerea interfeței țeavă-pământ folosind nămol de bentonită sau gel polimeric injectat prin orificiile din peretele țevii este cealaltă strategie principală pentru gestionarea forțelor de ridicare. Un program eficient de lubrifiere poate reduce frecarea peretelui conductei cu 50–80% în comparație cu acționările nelubrifiate, extinzând dramatic lungimea de antrenare realizabilă și reducând numărul de unități IJS necesare. Ungerea trebuie menținută în mod continuu pe tot parcursul unității - permițându-i să se descompună sau să fie absorbit de solul înconjurător crește rapid frecarea și poate duce la blocarea șirului de țevi.

Materiale pentru țevi utilizate în operațiunile de ridicare a țevilor

Secțiunile de țeavă împinse prin pământ de o mașină de ridicare a țevilor trebuie să reziste atât la forțele de tracțiune ale cricului transmise de-a lungul axei lor, cât și la presiunile exterioare ale apei subterane și subterane care acționează asupra pereților lor pe toată durata de viață. Nu toate materialele de țeavă sunt potrivite pentru cric, iar alegerea tipului de țeavă are implicații directe pentru diametrul alezajului, lungimea de antrenare, deviația admisă la îmbinări și performanța conductei pe termen lung.

• Conducta de cric din beton armat: Cel mai utilizat material pentru cric de canalizare în diametre medii până la mari (300 mm până la 3.000 mm și mai mult). Țevile de cric din beton sunt fabricate conform standardelor specifice de cric - EN 1916 în Europa, ASTM C76 în America de Nord - cu inele de capăt din oțel călit la fiecare față a îmbinării pentru a distribui uniform sarcinile de cric și pentru a minimiza concentrația de tensiuni în îmbinare. Ele oferă durabilitate excelentă pe termen lung, rezistență chimică la gazele de canalizare și costuri competitive la diametre mai mari.
• Conducta de ridicare din lut vitrificat: Folosit la diametre mai mici de canalizare, de obicei 150 mm până la 600 mm. Argila vitrificată oferă o rezistență excepțională la atacul chimic din partea apelor uzate agresive și a efluenților industriali, ceea ce o face alegerea preferată pentru mediile de canalizare cu pretenții chimice. fragilitatea acestuia în comparație cu betonul necesită o manipulare atentă și limitează forțele de ridicare care pot fi aplicate.
• Conductă de cric de oțel: Folosit pentru rețelele de transport de apă și gaz, conducte de petrol și conducte de carcasă cu diametre mai mari. Oțelul oferă o rezistență foarte mare la compresiune și tracțiune, permițând aplicarea unor forțe mari de ridicare și făcându-l potrivit pentru deplasări lungi și condiții de teren dur. Protecția externă împotriva coroziunii - epoxidic prin fuziune, acoperire cu poliuretan sau protecție catodică - este esențială pentru o durată lungă de viață.
• Conductă de cric GRP (polimer armat cu fibră de sticlă): Combină rezistența ridicată cu greutatea redusă și rezistența excelentă la coroziune. Țevile de cric GRP sunt din ce în ce mai specificate pentru medii agresive din punct de vedere chimic și pentru transmisii în care greutatea redusă a țevii simplifică manipularea în gropi de lansare închise. Acestea necesită o proiectare atentă a îmbinărilor pentru a asigura un transfer adecvat al sarcinii sub forțele de ridicare.
• Beton polimeric și conductă HOBAS: Conductele de mortar polimeric armat cu fibră de sticlă turnate centrifug (CCFRPM) combină rezistența chimică a polimerului cu rezistența la compresiune necesară pentru aplicațiile de cric. Utilizat pe scară largă în aplicații agresive de canalizare și drenaj industrial în toată Europa și din ce în ce mai mult pe alte piețe.

Considerații cheie de planificare a proiectului înainte de mobilizarea unei mașini de ridicare a țevilor

Proiectele de ridicare a conductelor care întâmpină probleme serioase în domeniu au rareori ghinion – sunt aproape întotdeauna rezultatul unei planificări inadecvate, al unei investigații insuficiente a terenului sau al ipotezelor nerealiste făcute în timpul proiectării. Următoarele elemente de planificare merită o atenție deosebită înainte ca orice mașină de ridicare a țevilor să fie mobilizată la șantier.

• Domeniul și calitatea investigației geotehnice: Forajele ar trebui să fie distanțate la intervale adecvate variabilității terenului a amplasamentului - de obicei nu mai mult de 50 de metri de-a lungul aliniamentului de antrenare pentru proiectele urbane - și ar trebui să se extindă la cel puțin 3 diametre ale conductei sub nivelul inversat al forajului propus. Testele de laborator ar trebui să includă distribuția dimensiunii particulelor, indicele de plasticitate, rezistența la forfecare nedrenată, rezistența la compresiune nelimitată pentru rocă și chimia apelor subterane în cazul în care coroziunea țevilor sau a componentelor mașinii este o problemă.
• Sondaj privind serviciile existente: Înainte de finalizarea alinierii unității, trebuie să se efectueze un sondaj complet al utilităților folosind radar de pătrundere la sol, locație electromagnetică și o revizuire a tuturor înregistrărilor de utilități disponibile. O utilitate nedetectată care traversează o gaură activă are potențialul de consecințe catastrofale - grevele de serviciu pe rețelele de gaz, cablurile de înaltă tensiune sau rețeaua de apă în vecinătatea unei unități sub tensiune sunt printre cele mai grave riscuri în construcțiile urbane fără șanțuri.
• Proiectarea gropii de lansare și recepție: Groapa de lansare trebuie să fie suficient de mare pentru a găzdui cadrul de cric, echipamentul de manipulare a țevilor, sistemul de îndepărtare a resturilor și să ofere acces de lucru sigur pentru echipaj. Dimensiunile minime ale gropii sunt determinate de diametrul conductei, lungimea mașinii și cursa cricului. Groapa trebuie să fie acoperită și deshidratată în mod adecvat, iar peretele de împingere din spate trebuie să fie capabil din punct de vedere structural să reziste forței maxime anticipate de ridicare fără mișcare sau defecțiune.
• Lungimea și curbura conducerii: Fiecare tip de mașină și combinație de material de țeavă are o lungime maximă de antrenare realizabilă, dincolo de care forțele de cric sau tensiunile la îmbinarea țevii devin imposibil de gestionat. În mod similar, aliniamentele curbe sunt posibile, dar introduc o complexitate suplimentară în ghidare și măresc sarcinile de îndoire a îmbinărilor țevilor. Unitățile care depășesc aproximativ 150 de metri sau care încorporează curbe orizontale sau verticale trebuie evaluate de un inginer specializat fără șanțuri înainte de finalizarea selecției mașinii.
• Monitorizarea așezărilor și evaluarea riscurilor: Pentru vehiculele de sub structuri sensibile - șine de cale ferată, clădiri istorice, cule de pod sau instalații industriale operaționale - un program de monitorizare a așezărilor folosind monumente de suprafață, nivelare precisă și înclinare pe structurile sensibile ar trebui stabilit înainte de începerea conducerii. Nivelurile de declanșare și de acțiune pentru ajustarea parametrilor mașinii sau suspendarea acționării trebuie convenite în prealabil cu proprietarii de infrastructură afectați.

Probleme frecvente în timpul ridicării țevilor și modul în care le gestionează antreprenorii cu experiență

Chiar și unitățile de cric bine planificate întâmpină probleme. Condițiile de la sol rareori se potrivesc exact cu datele forajului, componentele mașinii se uzează sau funcționează defectuos, iar obstacolele neașteptate sunt o realitate a construcțiilor urbane subterane. Diferența dintre un proiect care își revine după aceste evenimente și unul care are ca rezultat o mașină blocată sau o unitate întreruptă se rezumă, de obicei, la experiența echipajului și la măsurile de urgență incluse în planul proiectului.

Obstacole la fața tunelului

Bouldele, pietrișurile, fundațiile vechi de zidărie, grămezi de lemn și utilitățile dezafectate sunt printre cele mai frecvente obstacole neașteptate întâlnite în timpul conducerii țevilor în zonele urbane. În acționările cu diametrul de intrare cu echipaj, lucrătorii pot uneori să spargă obstacolele cu unelte de mână sau întrerupătoare pneumatice sub protecția scutului. În diametrele mai mici de microtunel, în care intrarea nu este posibilă, opțiunile de urgență includ accesul intervențional dintr-o excavație de deasupra motorului, grouting cu jet forat la suprafață sau injecție de rășină pentru a stabiliza pământul în jurul obstacolului sau, în cazuri extreme, abandonarea antrenamentului și recuperarea mașinii dintr-o nouă groapă înaintea blocajului.

Acumularea excesivă a forței de ridicare

Când forțele de ridicare cresc mai repede decât era anticipat, primul răspuns ar trebui să fie întotdeauna evaluarea și optimizarea programului de lubrifiere - creșterea volumului și frecvenței injectării, verificând dacă orificiile de lubrifiere nu sunt blocate și verificând dacă golul inelar din jurul țevilor este umplut corespunzător. Dacă optimizarea lubrifierii nu oprește creșterea forței, activarea stațiilor intermediare de cric mai devreme decât era planificat este următorul pas. Forțarea unui antrenament blocat prin aplicarea unei forțe maxime este rareori productivă și riscă deteriorarea îmbinărilor țevii, defectarea componentelor mașinii sau ridicarea suprafeței. Întreruperea acționării și lăsarea solului să se relaxeze ușor în jurul șirului de țevi - combinată cu o lubrifiere intensă - realizează adesea mai multe progrese decât forțarea continuă.

Abatere off-line

Abaterile de ghidare care sunt detectate devreme sunt gestionabile - cilindrii de direcție pot corecta progresiv direcția mașinii pe următoarele lungimi de țeavă, fără a crea unghiuri de îmbinare inacceptabile. Abaterile care nu sunt detectate până când sunt mari sunt mult mai dificil de recuperat și pot avea ca rezultat stresul îmbinării conductelor, așezarea suprafeței într-o locație neintenționată sau un potențial conflict cu serviciile existente. Cea mai bună apărare împotriva problemelor de abatere este un regim de monitorizare riguros - citirea și înregistrarea poziției țintei de ghidare după fiecare instalare a conductei, nu doar la începutul fiecărei ture - și un protocol clar de acțiune pentru corecțiile de direcție aplicate la ce magnitudine a abaterii.