Inżynieria BEZWYKOPOWA BUDOWA Zalety kanalizacji grawitacyjnych budowanych przy wykorzystaniu technologii HDD Metoda HDD posiada zalety w postaci redukcji stopnia rekultywacji powierzchni po odwiertach, możliwości prowadzenia instalacji pod sieciami dróg i budynkami oraz zmniejszenie kosztów w porównaniu z mikrotunelowaniem Floyd Gunsaulis, Ph.D., P.E., Richard Levings, Dean Martens Charles Machine Works WPROWADZENIE Kanalizacja grawitacyjna to ekonomiczny i sprawdzony sposób odprowadzania wody odpływowej i ścieków. Wykorzystanie siły grawitacyjnej do wymuszenia przepływu jest prawdopodobnie najprostszą z możliwych metod, a jednocześnie metodą idealnie do tego się nadającą. Jednakże obok wspomnianej prostoty instalacji z przepływem grawitacyjnym pojawia się także konieczność precyzyjnego prowadzenia wszystkich linii tworzących instalację. Bardzo dokładnie musi być kontrolowany spadek takiej instalacji i muszą być odpowiednio zabezpieczone wszystkie połączenia wykonane na jej trasie. Przez wiele lat tę wymaganą precyzję układania rur osiągano, układając poszczególne odcinki instalacji w wykopach otwartych i weryfikując te ułożenia dopiero po zabudowaniu całej instalacji. Wiertnice z wiertłem spiralnym znacznie zredukowały konieczność wykonywania wykopów pod kanalizacje grawitacyjne. Wiertnice z wiertłem spiralnym są powszechnie używane do wykładania stalowych rur (obudów kanalizacji właściwej) pod drogami i innymi przeszkodami. Do takich rur wprowadzana jest później instalacja ściekowa. Przewierty wykonywane wiertłem spiralnym są zwykle ograniczone do długości 200 stóp (60 m) lub krótszej (ASCE 1996). Większość wiertnic nie dysponuje żadnym układem sterowania kierunkiem wiercenia, podczas gdy inne mają możliwość sterowania w stopniu ograniczonym (sterowania korekcyjnego), wystarczającym jedynie do utrzymania właściwej trasy przewiertu. Do bardzo dokładnego prowadzenia kanalizacji grawitacyjnej na większych odległościach można zastosować metodę mikrotunelowania. Maszyny mikrotunelowe mogą być przystosowane do pracy w różnego typu podłożach, od litych skał po obszary pod poziomem wód gruntowych. Jednakże metoda ta wymaga dużej ilości osprzętu i cechuje ją dość wysoki koszt wykonania jednego metra lub jednej stopy instalacji. Dlatego też pojawiła się potrzeba opracowania technologii, która pozwalałaby budować kanalizację grawitacyjną na odległościach przekraczających możliwości konwencjonalnych wierceń wiertłem spiralnym oraz pozwalałaby pokonywać przeszkody kryjące się pod powierzchnią ziemi i mogła być stosowana dla różnego typu podłoży, a także która pozwalałaby przy tym obniżyć koszty poniżej tych, jakie wiążą się z mikrotunelowaniem. Kierunkowe wiercenie horyzontalne (HDD) to technologia, która ciągle ewoluuje, tak jak ewoluuje dokładność prowadzenia podziemnych instalacji za jej pomocą. Referat ten omawia zalety urządzeń elektronicznych, osprzętu wiertniczego i metod wiercenia, które sprawiły, że HDD stało się rentownym sposobem bezwykopowej budowy nowej sieci kanalizacji grawitacyjnej w sytuacjach, gdy inne metody są wykluczone ze względu na ich ograniczenia lub koszt. ELEKTRONICZNE URZĄDZENIA LOKALIZUJĄCE Podstawowym wymogiem, jaki musi być spełniony, aby przy użyciu urządzeń do horyzontalnych przewiertów kierunkowych możliwe było uzyskanie dokładnego przewiertu pilotażowego, jest możliwość precyzyjnego śledzenia pozycji oraz głębokości głowicy wiertniczej na całej długości wymaganej trasy przewiertu. W przypadku systemów lokalizacji typu walk over, dokładność lokalizowania zależy zarówno od znajdującego się pod ziemią nadajnika, zwanego także prowadnicą lub sondą oraz powierzchniowego urządzenia lokalizującego. Zastosowana sonda musi mieć odpowiednią dokładność pomiaru nachylenia (dla spadku i wznoszenia) oraz orientacji kołowej (położenie podłużnej osi głowicy wiertarskiej jest określane na zasadzie tarczy zegara), zapewniającej operatorowi dokładną informację o ustawieniu głowicy wiertniczej pod ziemią. Dodatkowo musi być dokładnie kontrolowana moc sygnału nadajnika w celu uzyskania jak najdokładniejszej informacji o głębokości. Urządzenie lokalizujące (odbiornik) na powierzchni musi z łatwością umieć określić pozycję w osiach X-Y głowicy wiertniczej pod ziemią, by tym samym móc zapewnić dokładny pomiar głębokości, na jakiej się ona znajduje. Obecnie dostępne są dwa systemy Premium do lokalizacji typu walk over dla przewiertów prowadzonych ze stałym spadkiem, system lokalizacji Ditch Witch 8500TK z sondą 850BG i system Digital Control, Inc. (DCI) Eclipse z kilkoma rodzajami nadajników. Nadajniki stosowane w każdym z tych systemów dostarczają informację o nachyleniu głowicy wiertniczej z dokładnością do 0,1% (.06 ). Sonda 850BG systemu Ditch Witch ma możliwość informowania o orientacji kołowej obudowy sondy z dokładnością do 6 stopni (w sumie 60 pozycji na tarczy zegara). Nadajniki systemu DCI Eclipse mają możliwość informowania o orientacji kołowej obudowy sondy z dokładnością do 15 stopni (w sumie 24 pozycję na tarczy zegara). Zarówno lokalizator Ditch Witch 8500TK, jak i lokalizator DCI Eclipse cechuje trójwymiarowy szyk antenowy, który umożliwia operatorowi błyskawiczne i dokładne ustalenie położenia obudowy głowicy 56 marzec - kwiecień 2 / 2010 [32]
BEZWYKOPOWA BUDOWA Inżynieria marzec - kwiecień 2 / 2010 [32] 57
Inżynieria BEZWYKOPOWA BUDOWA pod powierzchnią ziemi. Dzięki temu, że lokalizator 8500TK odbiera fale na dwóch częstotliwościach, co pozwala także na uzyskiwanie dokładnych pomiarów głębokości, na jakiej znajduje się obudowa sondy, mierzonej od miejsca umieszczenia lokalizatora do linii bocznej obudowy sondy. Oba urządzenia posiadają także funkcję sterowania na cel polegającą na tym, że urządzenie śledzące (odbiornik) jest ustawiany przed głowicą wiertniczą (na drugim końcu przewiertu), a operator utrzymuje lewą/prawą linię lokalizacyjną obudowy wiertła w linii z urządzeniem śledzącym, poprzez odpowiednią korektę widzianego na wyświetlaczu położenia wiertła. Dokładna kalibracja odczytów głębokości na odbiorniku oraz uwzględnianie dodatkowego wychylenia, jakie może wykazywać sonda w obudowie, są kluczowe dla poprawności prowadzenia przewiertów pod kanalizacje grawitacyjne. Uwzględnianie dodatkowego wychylenia nadajnika w obudowie sondy jest możliwe dzięki funkcji elektronicznej kalibracji nachylenia, dostępnej w lokalizatorze 8500TK. Firma Vermeer Manufacturing ma w swojej ofercie obudowy sond z mechaniczną regulacją nachylenia, pozwalającą na wyregulowanie nachylenia nadajnika, tak aby wskazania były zgodne z rzeczywistym nachyleniem obudowy umieszczonej w przewiercie. (Michael et al. 2007). OSPRZĘT WIERTNICZY WGŁĘBNY Wybierając poszczególne elementy osprzętu wiertniczego wgłębnego dla pilotażowych przewiertów pod kanalizację grawitacyjną należy rozważyć inne czynniki niż w przypadku instalacji wykonywanej konwencjonalną metodą przewiertów kierunkowych. Narzędzia wybierane dla przewiertów pod kanalizację niegrawitacyjną mają spełniać dwa podstawowe warunki: z łatwością przebijać się przez napotykane utwory geologiczne i zapewniać jak największą sterowalność, która zapewnia brak uszkodzeń żerdzi wiertniczych. Narzędzia do przewiertów pilotażowych pod kanalizacje grawitacyjne mają także z łatwością przebijać się przez napotykane utwory geologiczne, ale powinny też podczas obracania wykazywać maksymalnie prostoliniowy posuw. Oczywiście ciągle pożądane jest sterowanie głowicą wiertniczą, ale dokonywanie szybkiej korekty trasy schodzi na drugi plan, liczy się przede wszystkim jak największa prostoliniowość posuwu głowicy wiertniczej. Wiertła do przewiertów pod instalacje grawitacyjne powinny tworzyć otwory tylko odrobinę większe niż sama obudowa nadajnika. Dzięki tej minimalizacji średnicy przewiertu redukowana jest tendencja do wychodzenia głowicy wiertniczej poza wyznaczoną trasę przewiertu. Preferowane jest także wiertło centryczne, które cechuje się mniejszą niewspółśrodkowością czoła przewiertu i które ułatwia utrzymywanie centrycznego położenia obudowy w otworze wiertniczym. Aby zapewnić maksymalnie prostoliniowy posuw głowicy wiertniczej, obudowa sondy, adapter za obudową i żerdź wiertnicza powinny być ze sobą połączone tak sztywno, jak to tylko jest możliwe. Z tych powodów, a także z powodu bardziej spójnego sygnału sondy niosącego informację Wiertnica o jej orientacji kołowej, w przypadku wykonywania przewiertów pod Rys. 1. Konwencjonalna metoda wykonywania przewiertów pod instalacje grawitacyjne przy użyciu technologii HDD (Gunsaulis i Levings 2008) kanalizacje grawitacyjne, autor niniejszego artykułu skłania się ku używaniu obudów, do których sonda wkładana jest od strony tylnej. Wybierając wiertnicę do przewiertów pod instalacje grawitacyjne oraz wybierając żerdzie wiertnicze, należy pamiętać, że im sztywniejsze są złącza pomiędzy żerdziami, tym lepszych wyników należy spodziewać się podczas wykonywania pilotażowych przewiertów kierunkowych o niewielkim spadku. Nie ma uniwersalnego urządzenia ani metody, które można by zastosować do wszystkich rozwiertów. Wybór urządzenia i metody najlepiej powierzyć doświadczonemu wiertnikowi, który wykonywał przewierty przy różnych warunkach glebowych. W zasadzie rozwiertak powinien cechować się doskonałymi parametrami cięcia i mieszania po to, by mógł tworzyć jednorodny, płynny muł płuczkowy zapewniający uzyskanie płuczki wiertniczej o odpowiednim wymieszaniu i proporcjach. W przypadku gleb miększych, należy dążyć do stosowania jak najlżejszych rozwiertaków, które trzeba doposażyć w konstrukcje wsporcze, utrzymujące je w otworze przewiertu. Istnieją pewne przesłanki ku temu, by w przypadku instalacji grawitacyjnych stosować rozwiertaki o średnicy cięcia zaledwie trochę większej niż średnica rur, jakie będą użyte w instalacji. Jednakże pociąga to za sobą konieczność stosowania specjalnych technologii radzących sobie z problemem mułu płuczkowego, jaki powstaje w procesie rozwiercania. Problem ten zostanie omówiony w dalszej części tego referatu. METODY WIERCEŃ W tej części referatu zostały omówione różne techniki wiercenia stosowane w technologii HDD podczas budowy kanalizacji grawitacyjnej. Część tekstu została przytoczona (za pozwoleniem) z pracy Gunsaulisa i Levingsa z 2008 r. WIERCENIE PILOTAŻOWE Jedną z najstarszych i ciągle stosowanych praktyk w horyzontalnym wierceniu kierunkowym ze spadkiem są wstępne pomiary topograficzne wzdłuż planowanej trasy przewiertu. Podczas tych pomiarów spisywane są punkty wysokościowe wzniesień, mierzone wzdłuż całej trasy przewiertu w odniesieniu do pozycji początkowej lub w odniesieniu do znanego punktu niwelacyjnego (rys. 1). Punkty te są oznaczane na trasie i służą później do weryfikacji spadku przewiertu wraz z jego długością. Za każdym razem, gdy głowica wiertnicza dojdzie do takiego punktu, za pomocą urządzenia śledzącego (odbiornika) mierzona jest głębokość, na jakiej się znajduje głowica wiertnicza, a wyniki pomiarów są porównywane z wartościami wymaganymi w tych punktach, ustalonymi w oparciu o planowany spadek i odległość od pozycji początkowej. Po porównaniu wartości zmierzonej z oczekiwaną, dalsze nachylenie przewiertu może być odpowiednio skorygowane przez operatora, w zależności od tego, czy zmierzona głębokość była większa, mniejsza, czy taka sama, jak głębokość założona. Metoda ta wymaga przeprowadzania pomiarów wzdłuż trasy przewiertu, zwrócenia szczególnej uwa- Punkt startowy Wcześniej określony punkt referencyjny 58 marzec - kwiecień 2 / 2010 [32]
BEZWYKOPOWA BUDOWA Inżynieria marzec - kwiecień 2 / 2010 [32] 59
Inżynieria BEZWYKOPOWA BUDOWA Wiertnica Instrument geodezyjny Punkt startowy Odwiert kontrolny Rys. 2. Przewiert pilotażowy metodą ArrowBore (Gunsaulis i Levings 2008) gi na to, by punkty odniesienia były niezmienne w trakcie całego procesu wiercenia i zapewnia referencyjne pomiary jedynie we wcześniej określonych punktach pomiarowych. Druga metoda została opracowana przez Teda Dimitroffa z Columbii, Missouri. Dimitroff był pionierem w dziedzinie kanalizacji grawitacyjnych, do budowy których wykorzystywano technologię horyzontalnych przewiertów kierunkowych. Opatentowana metoda, której był twórcą, została wprowadzona na rynek pod nazwą ArrowBore. Cała metoda odnosi się zarówno do przewiertów pilotażowych, jak i rozwiercania powrotnego/ przeciągania powrotnego. Elementy metody odnoszące się do rozwiercania powrotnego/przeciągania powrotnego zostaną omówione w dalszej części. Metoda ta została opatentowana (Dimitroff 2004) i trzeba mieć licencję na jej używanie, wymaga także uiszczenia opłaty licencyjnej za każdą stopę przewiertu. Metoda ArrowBore (rys. 2) polega na wywierceniu serii pionowych kontrolnych odwiertów pomocniczych wzdłuż trasy prowadzenia przewiertu. Odwierty te mają zwykle średnicę 12 18 cali (30 45 cm) i kończą się zaraz poniżej wymaganej głębokości prowadzenia instalacji. Odstęp pomiędzy odwiertami kontrolnymi wynosi zwykle 30 (10 m), ale może się zmieniać w zależności od ukształtowania terenu i preferencji operatora. Wzdłuż trasy przewiertu skierowany jest instrument geodezyjny. Instrument ten może być lunetą geodezyjną, tachimetrem lub niwelatorem laserowym. Operator wiertnicy wprowadzi głowicę wiertniczą na wymaganej głębokości i przy wymaganym nachyleniu w wykopie startowym planowanego przewiertu pod rurę ściekową. Przewiert prowadzony jest od jednego do drugiego otworu kontrolnego. W każdym odwiercie kontrolnym, poprzez włożenie łaty mierniczej do otworu, oparcie jej na głowicy wiertniczej i użycie instrumentu geodezyjnego do określenia wysokości, sprawdzana jest głębokość prowadzenia głowicy. Przy każdym z takich odwiertów kontrolnych można dokonać korekty liniowości, nachylenia i głębokości prowadzenia głowicy wiertniczej. Po określeniu rzeczywistej głębokości prowadzenia głowicy w odwiercie kontrolnym, otrzymany wynik porównywany jest z wartością oczekiwaną w danym punkcie na trasie przewiertu i operator może dokonać korekty prowadzenia głowicy (jeśli jest konieczna) na odcinku do kolejnego odwiertu kontrolnego. System ArrowBore ma zaletę w postaci pewnych, miarodajnych pomiarów wysokości położenia głowicy wiertniczej w każdym z odwiertów kontrolnych. Wadą systemu jest to, że trzeba wykonywać odwierty kontrolne (szczególnie uciążliwe jest to w przypadku występowania na trasie przewiertu zabudowań lub innych przeszkód) i konieczność ich utrzymywania nawet po ukończeniu przewiertu. Rys. 3. Wykonywanie przewiertów metodą spadku wzorcowego Ditch Witch (Gunsaulis i Levings 2008) Wiertnica Niwelator laserowy Trzecia metoda, przedstawiona na rys. 3, została opracowana przez firmę Charles Machine Works, Inc. (CMW), producenta Ditch Witch podziemnego osprzętu konstrukcyjnego do budowy kanalizacji grawitacyjnej przy wykorzystaniu technologii HDD (Gunsaulis et al. 2007). W systemie Ditch Witch wiertnik wprowadza głowicę wiertniczą na wymaganej głębokości i przy wymaganym nachyleniu początkowym w wykopie startowym planowanej instalacji ściekowej. Zwykle na początku lub końcu przewiertu ustawiany jest niwelator laserowy z możliwością pomiaru kątów nachylenia. Niwelator skierowany jest wzdłuż trasy przewiertu. Nachylenie niwelatora ustawiane jest zgodnie z wymaganym spadkiem w kanalizacji ściekowej. System wyposażony jest w specjalną łatę laserową, do której mocowany jest lokalizator 8500 TK, i która drogą radiową komunikuje się z 8500TK. Ta specjalna łata laserowa zbudowana jest z dwóch rurek z włókna szklanego, z których jedna spoczywa na ziemi, a druga może być przemieszczana w górę lub w dół w stosunku do pierwszej. Układy elektroniczne łaty mierzą wzajemne położenie rurek. Odbiorniki laserowe zamontowane na ruchomej rurce umożliwiają pomiar wysokości niwelatora laserowego w stosunku do lokalizatora. Na samym początku przewiertu lub odrobinę dalej mierzona jest różnica wysokości pomiędzy niwelatorem a osią podłużną głowicy wiertniczej. Lokalizator 8500TK oblicza następnie swoją odległość do głowicy wiertniczej, a łata laserowa dostarcza informacje o różnicy wysokości pomiędzy niwelatorem a lokalizatorem. Oba pomiary są sumowane w lokalizatorze i przesyłane drogą radiową do operatora wiertnicy. Głębokość ta będzie pełniła rolę głębokości docelowej dla całego przewiertu. Jeśli utrzymany zostanie wymagany spadek, różnica poziomów niwelatora i głowicy wiertniczej będzie stała na całej długości przewiertu. Wiertnik podzieli cały proces wiercenia na stosowne odcinki, zwykle 5 10 stóp (1,5 3 m) i będzie ciągle kontrolował nachylenie głowicy wiertniczej. Po wywierceniu każdego z odcinków dokonywane są powtórne pomiary różnicy poziomów pomiędzy laserem a głowicą i w zależności od wyniku wiertnik może dokonać odpowiedniej korekty nachylenia głowicy. System ten daje możliwość ciągłego porównywania spadku prowadzonego przewiertu ze spadkiem wzorcowym. Głębokość prowadzenia głowicy wiertniczej może być sprawdzona w dowolnym punkcie przewiertu. Nie ma tu konieczności wykonywania dodatkowych wykopów. Raz ustalony spadek w instalacji nie wymaga wykonywania żadnych pomiarowych punktów referencyjnych na trasie przewiertu. Zamiast tego, dzięki wykorzystaniu w tej metodzie niwelatora laserowego do ustalenia spadku wzorcowego, wraz z postępem wiercenia może być zdjęta topografia terenu, która Odległość = const. Łata laserowa z odbiornikiem 60 marzec - kwiecień 2 / 2010 [32]
BEZWYKOPOWA BUDOWA Inżynieria z kolei może posłużyć do sporządzenia rysunków powykonawczych. Dodatkowo wiertnik w tej metodzie ma do wykonania bardzo proste obliczenia, jeśli różnica poziomu, na jakim znajduje się niwelator i poziomu wiertła jest większa niż głębokość docelowa, co oznacza, że głowica wiertnicza jest za głęboko. Jeśli różnica poziomu, na jakim znajduje się niwelator i poziomu wiertła jest mniejsza niż głębokość docelowa, oznacza to, że głowica wiertnicza jest zbyt płytko. Jedynym słabym punktem systemu jest to, że głębokość głowicy określana w każdym z punktów jest tak dokładna, jak dokładny jest użyty do tego celu system lokalizacyjny. Stwierdzona dokładność systemu 8500TK wynosi +/- 3% wartości zmierzonej dla głębokości do 30 stóp (9,1 m). ROZWIERCANIA POWROTNE/PRZECIĄGANIE POWROTNE Poprawnie wykonany przewiert pilotażowy to zaledwie jeden krok na drodze do sukcesu całej instalacji. Bardzo ważne jest także rozwiercanie i przeciąganie powrotne. Nie ma jednej uniwersalnej metody, która mogłaby być stosowana we wszystkich warunkach glebowych i wszystkich terenach. Wiele zależy od wiertnika oraz od wyboru odpowiedniej płuczki wiertniczej i narzędzi rozwiercających. Czym lepiej wykonany przewiert pilotażowy, lepiej dobrane materiały na rury (sztywniejsze i mniej skłonne do odkształceń), tym lepsze rezultaty w instalacji końcowej. Dobrym rozwiązaniem są w tym wypadku blokowane (usztywnione) połączenia i rury z łatwotopliwego PVC. W przypadku zastosowania rur HDPE do budowy kanalizacji grawitacyjnej wykonanej metodą przewiertów kierunkowych, zaleca się by współczynnik grubości ich ścianek wynosił minimum DR11. W wyniku tradycyjnych metod rozwiercania wstecznego HDD otrzymujemy przewierty o średnicach 1,5 x większych niż średnica instalowanych w tych przewiertach rur. W wielu przypadkach spotyka się jednak z zaleceniami, by przewierty pod instalacje grawitacyjne miały znacznie bardziej ograniczoną przestrzeń pierścieniową, tak aby średnica rozwierconego przewiertu była tylko nieznacznie większa od układanej w nim instalacji. Zaletą takiego ograniczenia przestrzeni pierścieniowej jest znacznie mniejsze pływanie rury w otworze i znacznie większa kontrola pozycji jej ułożenia. Aby w ogóle możliwe było uzyskanie tak małej przestrzeni pierścieniowej, należy wdrożyć alternatywną metodę radzenia sobie z urobkiem pochodzącym z rozwiercania. Jedną z takich metod jest rozpoczynanie rozwiercania od przejścia, które da nam otwór o średnicy minimalnie (10 20%) większej niż średnica rur, jakie mają być zainstalowane w przewiercie. Przy czym w tej metodzie nie przeciąga się instalacji w pierwszym przejściu rozwiertaka. Po wykonaniu rozwiertu, przez przewiert przepychana jest żerdź wiertnicza, połączona z rurą instalacyjną. W tej metodzie rura instalacyjna jest wciągana do przewiertu bez rozwiercania. Metoda ta może być stosowana tylko w glebach, które wykazują na tyle dużą stabilność, że można być pewnym, że nie dojdzie do zasypania przewiertu podczas pierwszego przejścia rozwiertaka. W metodzie tej trzeba pamiętać o mule płuczkowym wypływającym w dużych ilościach do studni znajdującej się najbliżej wiertnicy; należy więc zapewnić odpowiednie usuwanie tego mułu ze studni. Metoda ArrowBore opracowana przez Teda Dimitroffa to także metoda wykonywania przewiertów o bardzo małej przestrzeni pierścieniowej. W metodzie tej rozwiertak rozwiercania powrotnego znajduje się w dużej odległości przed przeciąganą rurą instalacyjną, tak aby powstały urobek był wypychany do odwiertów kontrolnych znajdujących się przed rurą instalacyjną, z których z kolei może być odpompowany i usunięty z przewiertu. Alternatywnie w metodzie ArrowBore przejście rozwiercające może być wykonane bez przeciągania rury instalacyjnej, następnie przez przewiert przepychana jest z powrotem głowica wiertnicza, a potem przeciągana jest rura instalacyjna podobnie jak w pierwszej metodzie. Tu ponownie trzeba się liczyć z dużymi ilościami urobku wypychanymi do odwiertów kontrolnych, z których muszą być usunięte. W niektórych przypadkach osiągano podobne efekty i otrzymywano małe przestrzenie pierścieniowe, pozwalając na dostawanie się urobku do rury instalacyjnej. Orędownikiem tej techniki był m.in. Rodger Laking z Ontario Trenchless Construction (Bueno 2005). Laking wraz z innym członkiem stowarzyszenia Ray Roth, opracowali i rozpoczęli proces patentowania (Roth i Laking 2005) specjalistycznych narzędzi do odwiertów wgłębnych, które pozwalałyby na przepływ przez głowicę przeciąga- Fot. 1. Wózek do inspekcji powykonawczej marzec - kwiecień 2 / 2010 [32] 61
Inżynieria BEZWYKOPOWA BUDOWA Fot. 2. Widok wzdłuż trasy przewiertu w kierunku północnym jącą urobku powstałego podczas rozwiercania, który dalej wpływałby swobodnie do samej rury instalacyjnej przymocowanej do głowicy. Wadą tej metody jest to, że wykonaną w ten sposób instalację należy oczyścić przed oddaniem jej do użytku. W instalacjach, w których usytuowanie w pionie jest rzeczą drugorzędną, znacznie wygodniejsze jest rozwiercanie przewiertów do większych średnic (1,25x do 1,4x większych niż średnica rury instalacyjnej). Krytycznym elementem w przypadku wykonywania instalacji poprzez rozwiercanie przewiertu do dużej przestrzeni pierścieniowej, przy jednoczesnym przeciąganiu rury instalacyjnej, jest uzyskanie jednorodnego mułu płuczkowego i utrzymanie jego przepływu przez cały czas przeciągania powrotnego. I tu ponownie właściwy dobór płuczki wiertniczej oraz uważnie kontrolowane, powolne przeciągnie to klucz do sukcesu. NARZĘDZIA DO INSPEKCJI POWYKONAWCZEJ Częścią systemu narzędzi opracowanych przez Charles Machine Works Inc., przeznaczonych do budowy kanalizacji grawitacyjnych technologią HDD, są proste metody inspekcji powykonawczej. Jako że wykonawca budujący kanalizację ściekową przy użyciu technologii przewiertów kierunkowych dysponuje zabudowanym w głowicy wiertniczej nadajnikiem, który dostarcza informację o nachyleniu z dokładnością do 0,1%, wydaje się całkiem logiczne użycie tego samego nadajnika do sprawdzenia kanalizacji już gotowej. W tym celu zbudowano prosty wózek (fot. 1), do którego można włożyć nadajnik, całość umieścić w świeżo wykonanej instalacji rurowej i przeciągnąć przez całą długość kanalizacji. Dodatkowo można zabudować na wózku wodoodporną kamerę, która będzie służyła jako pomocnicza weryfikacja informacji o nachyleniu przesyłanej przez nadajnik. i ostatnie 50 stóp (15 m) instalacji do drugiego otworu włazowego wykonano przy zastosowaniu technologii wykopów otwartych. Sieć kanalizacyjna miała być zrobiona z rur 8 (20 cm) HDPE DR11. Rury zostały stopione na miejscu przed samym przeciąganiem. Całkowita długość przewiertu razem z odcinkiem obudowanym (pod ulicą) wynosiła 265 stóp (81 m). Startowa głębokość głowicy wiertniczej (w punkcie centralnym otworu włazowego) dla części przewiertu ze spadkiem wynosiła 7,7 stopy (2,3 m). Do wykonania przewiertu użyto wiertnicę Ditch Witch Jet Trac 2720 All-Terrain, pracującą w trybie pojedynczej rury. Wraz z wiertłem Ditch Witch Pocket Bit zastosowano obudowę sondy z ładowaniem od strony tylnej. W obudowie umieszczono sondę Ditch Witch z układem elektroniki 850BG. Lokalizację sondy zrealizowano przy użyciu lokalizatora 8500TK, zamontowanego na konstrukcji specjalnej łaty laserowej Ditch Witch Grade Pole. Zaraz na końcu przewiertu ustawiono niwelator laserowy, na którym ustawiono spadek 0,5%. Wiercenie rozpoczęto rankiem 22 sierpnia 2008 r. Zaraz po ustaleniu lokalizacji otworu włazowego na odpowiedniej wysokości, rozpoczęto wykonywanie przewiertu pilotażowego o wymaganym spadku -0,5%. Wiercenie było kontynuowane bez przeszkód aż do momentu osiągnięcia południowej strony ulicy. Po południowej stronie ulicy, równolegle do trasy przewiertu był poprowadzony główny przewód wodny (o którym wiedziano, przed rozpoczęciem prac). Linii wodociągowej nie odkopano przed rozpoczęciem przewiertu, zrobiono to dopiero w momencie, gdy przewiert zbliżał się do punktu skrzyżowania z tą linią. Wykonawca założył, że przewód wodny znajduje się na głębokości ok. 3 stóp (0,9 m). Ponieważ budowana kanalizacja ściekowa w tym miejscu miała być na głębokości ok. 6,5 stóp (2,0 m), nie spodziewano się jakiegokolwiek konfliktu obu instalacji. Gdy jednak odkopano przewód wodny okazało się, że znajduje się on na głębokości 5 stóp (1,5 m). Oprócz tego trzeba było doliczyć średnicę odkopanego przewodu wodnego, która wynosiła ok. 14 cali (35 cm). Szybki pomiar niwelatorem laserowym wykazał, że głowica wiertnicza przejdzie ok. 3 cale (8 cm) pod przewodem wodnym. Był to odstęp zbyt mały, by przez wykonany przewiert można było przepuścić rozwiertak, do tego nie spełnione były przepisy miejskie, które mówiły o 2 stopach (0,61 m) odstępu pomiędzy kanalizacją ściekową ANALIZA PRZYPADKU Przewiert wykonano w Stillwater, w stanie Oklahoma, w sierpniu i wrześniu 2008 r. Przewiert miał połączyć zbiorczy kanał ściekowy nowego osiedla mieszkaniowego po południowej stronie ruchliwej ulicy z punktem zbiorczym po stronie północnej (fot. 2). Docelowy spadek w kanalizacji ustalono na -0,5%. Przewiert prowadzony był w glebie gliniastej z wysokim poziomem wód gruntowych. Głębokość prowadzenia przewiertu pod ziemią ustalono na 6 8 stóp (1,8 2,4 m). Charakterystyczne dla tej instalacji było to, że pod ulicą konieczne było zabudowanie, również technologią HDD, rur stalowych (obudowy instalacji właściwej), przez którą później przeciągano rurę instalacyjną. Przewiert kończył się zaraz przy ulicy po jej północnej stronie Fot. 3. Rura stalowa o długości 100 stóp (30 m), która została przeciągnięta pod ulicą przed instalacją rury HDPE 62 marzec - kwiecień 2 / 2010 [32]
BEZWYKOPOWA BUDOWA Inżynieria Rys. 4. Wykres ukształtowania przewiertu a instalacją wodną. Ponieważ całość projektu instalacji ściekowej była przygotowana pod ustaloną i zrealizowaną już głębokość przewiertu, oczywiste stało się, że trzeba będzie przenieść przewód wodny. Przewiert pilotażowy zatrzymano zaraz przed linią wodną tak, by bez problemu można było przeprowadzić prace jej przeniesienia. Konieczność uzyskania zezwoleń oraz warunki pogodowe zatrzymały prace do 22 września 2008 r. 22 września 2008 r. przeprowadzono przewiert pilotażowy pod ulicą i zakończono go w punkcie docelowym na poboczu drogi 0,8 (2 cm) poniżej linii wzorcowej przewiertu. Linię wodną przeniesiono pod nadzorem służb miejskich. Do rozwiercania przewiertu pod ulicą użyto rozwiertaka o średnicy 13 cali (33 cm). W rozwiercany otwór wprowadzono i przeciągnięto pod ulicą rurę stalową (obudowę) o średnicy zewnętrznej 12,75 cala (32 cm) i długości 100 stóp (30 m). Po przejściu rozwiertaka przez przewiert, w drodze powrotnej przepchano żerdź wiertniczą, która przeciągnęła obudowę stalową (patrz fot. 3). Następnie żerdź wiertnicza została wycofana przez obudowę stalową, pociągając za sobą i pod ulicą 8 calową (20 cm) rurę HDPE. W studzience, w której dokonano przeniesienia linii wodnej, do 12 calowego (30 cm) rozwiertaka doczepiono żerdź wiertniczą, która zakończyła całą budowę kanalizacji na startowym otworze włazowym. Po zainstalowaniu przeprowadzono inspekcję rury 8 (20 cm) HDPE przy użyciu wózka inspekcyjnego i kamery. Inspekcja wykazała, że w punkcie, w którym doszło do zaburzeń pracy rozwiertaka, rura przesunęła się z górnej pozycji w rozwierconym przewiercie do pozycji dolnej. W wyniku tego na rurze powstała wypukłość i zaraz za nią niecka o głębokości ok. 1,5 cala (4 cm) (rys. 4). Aby zlikwidować powstałą nieckę i zatrzymywanie się w niej wody, odkopano i obniżono wypukłość tuż przed tą niecką. Dzięki użyciu wózka inspekcyjnego wykonawca mógł zlokalizować i zlikwidować przyczynę nieprawidłowości zanim uznał pracę za zakończoną i oddelegował ludzi i sprzęt do innych zadań. W wyniku prowadzonych prac została wybudowana sieć kanalizacyjna, którą poprowadzono dokładnie na wymaganej głębokości, po wyznaczonej trasie, jej budowa nie wymagała wstrzymywania ruchu ulicznego na większą skalę i praktycznie nie wpłynęła na ukształtowanie koryta drogi. PODSUMOWANIE Samorządy miejskie szukają sposobów budowy kanalizacji grawitacyjnych, które minimalizowałyby zarówno koszty socjalne (konieczność wstrzymywania ruchu ulicznego, szkody natury estetycznej) i koszty rzeczywiste, które rozumiane są jako koszt wybudowania metra (lub odcinaka innej długości) instalacji. Z tych też powodów niezwykle interesujące staje się wykorzystanie technologii HDD do budowy sieci kanalizacji grawitacyjnych. Zalety stosowanego w tej technologii oprzyrządowania, metod, czy urządzeń elektronicznych powodują ciągły wzrost praktyczności stosowania HDD. LITERATURA: [1] ASCE (1996). Pipeline Crossings. ASCE Manuals and Reports on Engineering Practice No. 89. American Society of Civil Engineers, Reston, VA. [2] Bueno, Sharon M. (2005). One-pass HDD installation. Trenchless Technology 14(6). June 2005. [3] Digital Control, Inc. (2007). Digitrak Eclipse in Ground Positioning System: Operator s Manual. pub. 3-1100-00-J. September 2007. [4] Dimitroff, Ted R. (2004). Method of Forming a Trenchless Flowline. U.S. Patent 6,732,816. United States Patent and Trademark Office. [5] Gunsaulis, F.R.; Bailey, B.K.; Cole, S.B.; Self, K.P.; and Stangl, G.A. (2007). System for Tracking and Maintaining an Ongrade Borehole. U.S. Patent Application US 2007/0044536. United States Patent and Trademark Office. [6] Gunsaulis, Floyd and Levings, Richard. (2008). Installation of Gravity Sewers Using Horizontal Directional Drilling. Proceedings of the ASCE Pipelines Conference, July 2008, Atlanta, GA. [7] Michael, Tod; Smith, R.; and Facile, M. (2007). Sonde Housing and Method of Manufacture. U.S. Patent 7,172,035. United States Patent and Trademark Office. [8] Roth, Raymond and Laking, Roger. (2005). Method and Apparatus for Directional Drilling. PCT Patent Application WO 2005/056971. World Intellectual Property Organization. marzec - kwiecień 2 / 2010 [32] 63