Расчет тяговых усилий при ГНБ - методы, особенности, результат работы

Во всём мире набирает популярность метод горизонтально-направленного бурения (ГНБ), который применяется для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций. При этой технологии преодоления естественных и искусственных препятствий не нарушается режим их обычного функционирования. Ведь буровая установка протягивает под преградой трубопровод, производя прокол с последующим расширением бурового канала. Чтобы справиться с этой задачей, исполнительный механизм должен иметь достаточную производительность. Но для этого надо определить тяговое усилие ГНБ, по значению которого будет сделан подбор подходящей по характеристикам буровой установки.

Методы определения тягового усилия

Хоть технология называется горизонтальной, но в подавляющем большинстве канальная проходка представляет собой кривую линию, вернее, сочетание прямолинейных и криволинейных участков. При расчёте тягового усилия применяются два метода:

• расчёт усилий с учётом радиусов изгибов криволинейного пути;
• расчёт усилий с предварительной разбивкой всего пути на прямолинейные участки.

Второй метод, конечно, несколько приближённый, но запас прочности при выборе техники очень большой, и это позволяет идти на некоторые упрощения при расчётах.

Кроме того, проектировщикам дан выбор: считать усилия вручную на основании нормативной документации, скажем, СП 42-101-2003 «Общие положения…» или производить расчёты с помощью компьютерных программ, к примеру, популярной Drill Site.

Конечно, подавляющее большинство проектировщиков пользуется компьютерным способом разработки проектной документации. Но инженер обязан иногда и вручную просчитать проект, чтобы иметь представление о механизме расчёта, о значении коэффициентов в рассчитываемой системе, да и просто почувствовать душу того, чему отдаёшь часть своей жизни.

Силовые составляющие расчётного тягового усилия

Общее тяговое усилие Р рассчитывается в виде общей силы противодействия продвижению трубопровода и расширителя в коллекторе:

• Р = Рp + Рп* + Ргп, где Рp – лобовое противодействие продвижению расширителя;
• Рп* – усилие подвижки буровых штанг;
• Ргп – усилие протяжки трубопровода, которое равно: Ргп = Р2 + Р3 + Р4 + Р5 + Р6 + Р7 + Р8, где: Р2 – сила сцепления от массы трубопровода (в канале);
• Р3 – приращение силы сцепления от массы грунта свода;
• Р4 – приращение силы сцепления от выступов за наружным диаметром;
• Р5 – добавочные силы сцепления от опорных реакций;
• Р6 – величина противодействия перемещению в зоне вхождения;
• Р7 – прирост противодействия продвижению в точках преломления;
• Р8 – сила сцепления от массы трубопровода вне канала.

Расчёт тягового усилия производится для состояний:

• при благополучных ситуациях: обеспеченность буровым раствором хорошего качества, не происходит протечек раствора в грунт в стабильном коллекторе;
• при неблагополучных ситуациях: при обвале грунта по протяжённости коллектора, при протечке раствора.

При расчёте лобового противодействия продвижению расширителя Рp за основу берётся сила сопротивления бурению Рг. При расчёте этих сил учитываются различные компоненты: условный коэффициент трения расширителя о грунтовые массы, диаметр расширителя, величина подачи за один оборот, радиус кривизны коллектора, диаметр выступа штанг и многие другие. Один параметр для расчёта Рг (давление жидкости на выходе из сопел расширителя) берётся из характеристик буровой установки, которая уже должна быть определена проектировщиком в качестве бурового механизма.

После вычисления значений параметров от Р2 до Р8 определяется числовое значение усилия подвижки буровых штанг Рп*. При этом, показатели Р3 и Р4 рассчитываются для двух ситуаций – для благополучной и неблагополучной.

В «Общих положениях …» СП42-101-2003 предоставлены формулы для расчёта тягового усилия ГНБ, дана вся справочная информация по подбору подходящих коэффициентов и прочие данные. В обязательном порядке проектировщик для вычислений пользуется данными результатов инженерно-геологических изысканий. Также в расчётах используется справочная техническая информация: погонный и удельный вес трубопровода, удельный вес трубы и бурового раствора, удельный вес воды и так далее.

Для обеих ситуаций – для благополучной и неблагополучной – вычисляется усилие протяжки трубопровода Ргп , после чего окончательно определяются тяговые усилия: Ра – для благополучных ситуаций и Рб для неблагополучных.

Фактическое суммарное тяговое усилие Рфакт будет располагаться между Ра и Рб . Максимальное значение Рб уточняет правильность выбора бурильного механизма. Параметр тягового усилия подобранного по расчёту бурильного механизма всегда меньше Рб.

Особенности расчёта

Горизонтально-направленное бурение применяется для прокладки отдельных кабелей и в пучков кабелей, канализационных коллекторов и дюкеров и так далее. Эта разноплановость производства работ предполагает особенности выполнения расчётов тягового усилия для протяжки нитки подземных коммуникаций из-за различия осевого изгибания.

Подход к расчёту гибкого пучка кабелей будет отличаться от методики расчёта малоизгибаемых дюкеров. Имеются особенности в расчёте тягового усилия для металлических или пластиковых труб.

Несмотря на эти различия, возможно использование особенностей подходов к методике расчётов для выработки единого экспресс-способа.

Особенности технологии горизонтально-шнекового бурения - достоинства, недостатки, применение - читайте здесь. Виды и этапы инженерных изысканий при ГНБ описаны тут.

Получение промежуточного результата

Расчёт тягового усилия коллекторного трубопровода намного сложнее вычисления усилия тяжения кабеля. Но для приблизительного определения основной характеристики – тягового усилия – буровой установки упрощение громоздкого расчёта вполне приемлемо.

При вычислении усилий тяжения кабеля в кабельных трассах применяется следующий расчёт.

Усилие тяжения F в конце прямого участка трассы без разницы высот вычисляется по формуле:

F = G x L x Ој (H),

где:

F – усилие тяжения (Н);

L – длина участка трассы (м);

Ој – коэффициент трения, можно применять 0,6 (максимальный,

протягивание в цементных трубах);

G – вес 1 м кабеля (Н/м), для перевода из кг в Н/м применяется формула:

G = m x g,

где:

m – масса 1 м кабеля (кг/м);

g – ускорение свободного падения, g = 10 м/с2.

Усилие тяжения F увеличивается при протягивании с подъемом, и уменьшается при протягивании со спуском. При вычислении усилия тяжения на прямых участках трассы с разницей высот (для углов наклона до 200) применяется упрощённая формула:

F = G Ч L Ч Ој ± G Ч h,

где:

h - разница уровней рельефа (м)

+ протягивание с подъёмом;

– протягивание со спуском.

Полученное значение соизмеряется с показателем предела текучести трубопроводного материала.

Конечно, данный расчёт даёт очень приблизительный результат. Но взяв из технического задания минимум данных – длину трассы, максимальный уровень её заглубления, состав материала и параметры труб коллектора, – можно вычислить тяговое усилие ГНБ и произвести подбор подходящего бурового механизма. И потом, уже зная характеристики оборудования, приступать к детальной проработке проекта по классической схеме или на компьютерной программе, которая, кстати, требует введения многочисленных параметров.

Горизонтально-направленное бурение при прокладке подземных коммуникаций – эффективное решение сложных задач в строительстве.

←Вернуться