Балластировка трубопроводов железобетонными утяжелителями

При прокладке трубопроводов на заболоченных или обводненных грунтах выполняется балластировка трубопроводов, т.е. закрепление их (трубопроводов) с помощью утяжеляющих грузов или бетонирования. Эта статья рассказывает о самом популярном методе балластировки - применении железобетонных утяжелителей (ЖБУ).

Виды железобетонных утяжелителей: П-образные, кольцевые , поясные, сборно-блочные и заливаемые твердеющие растворы, в том числе системы типа «труба в трубе» с межтрубным цементно-песчаным заполнителем.

Наиболее распространены утяжеляющие ж/б пригрузы типов УБО (охватывающий) и УБК-М (клиновидный). Эти грузы следует применять для балластировки трубопроводов на переходах через болота различных типов и малые водотоки, на выпуклых и вогнутых кривых и прямолинейных участках, прилегающих к ним, на углах поворота в горизонтальной плоскости, на участках выхода трубопровода на поверхность, имеющего положительную температуру. Сюда же относятся и пойменные участки трубопроводов, прилегающие к водным преградам и подверженные паводковым затоплениям. Таким образом, опасность всплытия трубопроводов достаточно реальна.

Рис. 1. Основные виды утяжелителей и пригрузов, применяемых при балластировке трубопроводов

Самый распространённый вид пригрузов – седловидные. Главным недостатком этого груза является то, что, центр тяжести конструкции расположен выше оси трубопровода, а это приводит к тому, что нередко положение равновесия нарушается и пригруз опрокидывается. Кроме того, возможна поломка пригруза в вершине седла, вследствие малого сопротивления бетона изгибу.

Указанные недостатки частично устранены в конструкциях шарнирного пригруза и пригруза типа СУГ, однако устойчивость их недостаточна. Привлекательна своей устойчивостью конструкция пригруза УБО, т. к. центр тяжести конструкции размещается ниже оси трубопровода.

Однако использование железобетонных пригрузов связано с большими капиталовложениями, т. к. расход железобетона очень велик.

В условиях обводнённой и заболоченной местности балластировка трубопро-водов осуществляется одиночными и групповыми железобетонными пригрузами. Опасность всплытия трубопроводов имеет место на обводняемых участках их трассы. К обводняемым относятся участки трассы трубопровода, на которых происходит постоянное или временное превышение уровня грунтовых вод над уровнем дна траншеи и связанное с этим воздействие на трубопровод выталкивающей силы во-ды. Обводнение участков в процессе строительства и эксплуатации может происходить за счёт притока талых и дождевых вод через боковые стенки и дно в открытую траншею или в грунт обратной засыпки, бокового притока поверхностных и грунтовых вод из-за перераспределения стоков, вызванных отрывкой траншеи, оттаивания грунта вокруг трубопровода при транспортировке.

Недостатки применения ЖБУ состоят в их высокой стоимости и недостаточной надёжности для пучинистых грунтов вечной мерзлоты. В системе маги-стральных газопроводов на участке Ямбург – Ныда выявлены сотни всплывших участков газопроводов, забалластированных железобетонными утяжелителями типа УБК, УБО. Общее растепление вечной мерзлоты в первые годы работы га-зопровода привело к массовым всплытиям его участков. Жёсткие связи в системе «трубопровод – закрепляющая конструкция – грунтовое основание» в период пучения промерзающего грунта не выдерживают усилий, возникающих при подъёме трубопровода и разрываются в силу того , что не способны компенсировать вертикальные перемещения трубопровода и перераспределить их  между отдельными закрепляющими устройствами. Кроме того, взаимодействие этих устройств с трубопроводом создаёт значительные локальные нагрузки, повреждающие изоляционное покрытие и вызывающие повышение напряжений изгиба в стенке труб.

Для балластировки трубопроводов, сооружаемых в сложных условиях, используются утяжелители, охватывающие по боковым образующим (типа УБО), опирающиеся на него, седловидные (типа УБК) и кольцевые (типа УТК) (рис. 2).

Рис. 2. Железобетонный утяжелитель типа 2-УТК
1 – утяжелитель 2-УТК; 2 – шпилька МС; 3 – шайба МС; 4 – гайка М20.

Железобетонные утяжелители типа УБО применяются для балластировки трубопроводов круглогодично – на переходах через болота различных типов, на обводненных участках, в поймах рек и на вечномёрзлых грунтах, за исключением участков трубопроводов, получающих в процессе эксплуатации продольные перемещения более 40 мм, а при использовании мягких силовых поясов – более 50 мм. Утяжелитель типа УБО (рис. 3) состоит из двух железобетонных блоков и двух металлических, защищённых изоляционным противокоррозионным покрытием, или мягких, изготовленных из прочного долговечного синтетического материала, соединительных поясов.

Для создания замкнутого контура при групповом размещении утяжелителей на трубопроводе следует использовать утяжелители модернизированные (типа УБО-М), в которых соединительные пояса устанавливаются в глухие пазы, размещённые на бетонных блоках, или утяжелители УБО-ПМ, представляющие собой разновидность утяжелителя УБО-М, в котором изъята часть бетона, превращающая бетонный блок в ёмкость для грунта.

Рис. 3. Железобетонный утяжелитель охватывающего типа УБО

Железобетонные утяжелители типа УБО (охватывающего типа) следует применять для балластировки трубопроводров на всех категориях местности, а также углах поворота и участках выхода трубопровода на дневную поверхность.

К числу утяжелителей охватывающего типа следует отнести железобе-тонный утяжелитель типа УБГ представляющий собой корытообразную ёмкость, заполняемую грунтом засыпки и состоящий из трёх, шарнирно соединённых между собой прямоугольных плит, боковые из которых имеют сквозные отверстия или анкерующие элементы, через которые проходят или к которым крепятся два соединительных пояса.

Железобетонные утяжелители типа УБО и УБО-М (охватывающего типа) следует применять для балластировки трубопроводов на всех категориях местности, а также углах поворота и участках выхода трубопровода на дневную поверхность.

Опирающиеся на трубопровод железобетонные утяжелители клино-видного типа 1-УБКМ целесообразно использовать для балластировки с заводской изоляцией на обводнённых и заболоченных территориях, в вечномёрзлых грунтах, а также на болотах с мощностью торфяной залежи, не превышающей глубины траншеи.

Железобетонные утяжелители типа УБГ (рис. 4) и УБТ следует применять для балластировки трубопроводов в обводненной и заболоченной местности, в вечномёрзлых грунтах, а также на переходах через болота с мощностью торфяной залежи, не превышающей глубины траншеи (при условии заполнения их минеральным грунтом).

Отличительной особенностью балластировки трубопроводов утяжели-телями типа УБГ является то, что их установка в траншею должна производиться до укладки трубопровода в траншею, а замыкание под трубопроводом соединительных поясов – после укладки трубопровода на проектные отметки.

Опирающиеся на трубопроводы железобетонные клиновидные утяжелители (типа УБКм) возможно применять для балластировки трубопроводов в зимних и летних условиях на переходах через болота с мощностью торфяной залежи, не  превышающей глубины траншеи, на обводнённых и заболоченных участках, в поймах рек и на территориях, сложенных вечномёрзлыми грунтами.

Рис. 4. Железобетонный утяжелитель типа УБГ
1 – газопровод; 2 – приямок в траншее для установки утяжелителя; 3 – шарнирно-соединённые плиты; 4 – силовой соединительный пояс; 5 – дно траншеи.

Не допускается установка утяжелителей на участках трубопроводов, получающих в процессе эксплуатации продольные перемещения более 40 мм. Железобетонный утяжелитель типа 1-УБКм (рис. 5) представляет собой конструкцию седловидного типа с клиновидной внутренней поверхностью, образованной двумя цилиндрическими взаимно пересекающимися поверхностями с радиусом, превышающим радиус трубопровода.

Рис. 5. Железобетонный утяжелитель типа 1-УБКМ

Надлежащая устойчивость утяжелителей типа 1-УБКм (в процессе эксплуатации) обеспечивается лишь при наличии минеральных грунтов в основа-нии траншеи. При мощности торфяной залежи , превышающей глубину траншеи, такие грузы в результате подвижек трубы могут потерять устойчивость. Утяжелители типа УБО устанавливаются на трубопроводе либо по одному через равные расстояния между ними, либо групповым методом.

При групповом методе установки утяжелители укладываются отдельными участками вплотную друг к другу. При этом общее их количество и расстояния между грунтами должно соответствовать требованиям проекта.

К числу утяжелителей опирающегося типа следует отнести железобетонный трёхсекционный утяжелитель (типа УБТ), в состав комплекта которого входят два трёхсекционных блока, каждый из которых состоит из продольной стенки и двух опирающихся на трубопровод, поперечно размещённых диафрагм. При этом поперечные диафрагмы шарнирно соединены с продольной стенкой.

Монтаж утяжелителя типа УБТ осуществляется после укладки трубо-провода в траншею на проектные отметки. Область его применения определяется требованиями нормативных документов по его применению в трубопроводном строительстве.

Железобетонные утяжелители трубопровода кольцевые (типа УТК) рекомендуется применять на переходах через болота и обводнённые участки при сооружении их методом сплава или протаскивания, преимущественно, в летний период.

Одним из условий надёжной работы трубопроводных систем является обеспечение устойчивого положения подземного трубопровода на проектных отметках. Этого позволяет достичь балластировка, одним из надёжных способов которой является обетонирование – нанесение бетонного балластного покрытия на предварительно изолированную трубу.

Трубы с балластным покрытием широко используются на участках морских переходов, переходов через реки и озёра и прокладки в заболоченной местности. Из перечисленных условий наиболее щадящие условия эксплуатации обетонированного трубопровода в заболоченной местности, где основное назначение балластного слоя, – обеспечение устойчивого высотного положения.

В условиях эксплуатации балластированного трубопровода на участках речных и морских переходов к балластирующей функции бетона добавляется защитная. Здесь бетонное покрытие призвано обеспечить целостность стального трубопровода при возможных воздействиях на него якорей речных судов, паромов, барж, тралов рыболовных судов, рабочих частей строитель-ной техники, ледовых перемещений, волн и течений. Данный вид балластировки следует рассматривать и как мощное дополнительное защитное покрытие, повышающее надёжность морских подводных трубопроводов и труб, укладываемых в водонасыщенных грунтах.

Основным недостатком обетонированных труб является их высокая стоимость. За счёт своего веса они требуют значительных затрат на транспортировку до объекта строительства, на укладку в траншею и приводят к увеличению трудозатрат на строительной площадке.