Конструкция металлических гофрированных труб

Трубы для пропускания воды, изготовленные из гофрированного металла, используются при возведении железнодорожных путей и автодорог. Разделяются на две группы:

• применяемые в обычных условиях;
• использующиеся в холодных широтах. 

Изделия для северных регионов рассчитаны на температуру ниже -40 0С. Этот диапазон температур характеризует практически всю территорию БАМа, кроме восточной его части, где средний показатель наиболее холодных суток меньше -40 0С.
Главными отличиями между трубоводами обычного и северного использования является применение:

• разных видов марки стального сплава;
• различных веществ, используемых для защитного покрытия поверхности и изготовления лотка;
• способа конструирования основы. 

Трубы из гофрированного металла круглой формы являются свободно гнущимися конструкциями с диаметром 1500-3000 мм, которые не требуют возведения постоянного фундамента. Главная их особенность – это необходимость взаимодействия с окружающим грунтом. Вертикально приложенное к трубопроводу давление распределяется через боковые ее части на окружающий грунт (рис. 1). Отсутствие возведенного упора разрушает всю конструкцию, происходит потеря устойчивости, деформация. Установка этой конструкции требует ответственного отношения к проведению качественной посадки и засыпанию всего периметра изделия.

Трубная конструкция выполняется из металлических листов, промышленного производства. Листы заготовок выгнуты в соответствии требуемого диаметра, каждый из них имеет гофру с высотой 32,5 мм и специальным гребнем на ней, расположенной с шагом в 130 мм между собой. Соединительные размеры листов следующие:

• по окружности 1600 мм;
• вдоль собираемого строения 910 мм.

Достаточное число элементов конструкции соединяются в звенья круглого сечения. Необходимое количество листов для получения каждого звена, основные характеристики выведены в табл. 1.
Соединение листов в звено и в последствии звеньев в сплошную трубу производится внахлест при помощи болтов с диаметром 16 мм под спец. шайбы. Продольный стык, используемый для формирования звена, закрепляется с помощью двух рядов болтового соединения (13 болтов на один стык), элементы крепления располагают в шахматном порядке. Отличительной особенностью данного соединения является размещение болтов второго ряда изнутри (если смотреть от кромки листового элемента). Поперечное соединение готовых звеньев выполняется по окружности при помощи выставления крепежей в один ряд с шагом 200 мм. Предварительно подготавливаются отверстия для болтового соединения:

• продольной стыковки с диаметром – 19 мм;
• поперечного стыка – 21 мм.

Трубные изделия, предназначенные для эксплуатации в северных широтах (например, области БАМа), изготавливают в усиленном исполнении:

• гофра выполняется на основе стальных сплавов 09Г2Д;
• соединительная фурнитура производятся из стали марок 35Х или 38ХА. В некоторых случаях используется сталь марок: 20, 30, 35  и Ст.3.

Гофра обычного назначения изготавливается из стального сплава марки 15 сп.
Большинство готовых трубопроводов используется без специальных оголовков.
 
Таблица №1

Диаметр трубы, м	Полезная длина элемента, мм
	1600			2400 (проект)
	Толщина, мм	Масса, кг	Количество элементов на звено	Толщина, мм	Масса, кг	Количество элементов на звено
1	1,5	23,5	2	-	-	-
1	2	31,2	2	-	-	-
1,5	1,5	23,5	3	1,5	34,1	2
1,5	2	31,2	3	2	45,5	2
1,5	2,5	39	3	2,5	56,8	2
2 (2,3)	2	31,2	4	2	45,5	3
2 (2,3)	2,5	39	4	2,5	56,8	3
3	2,5	39	6	2,5	56,8	4

Примечания:

1. Для условий критично низких температур северных регионов толщина применяемого элемента должна быть не мене 2,5 мм.
2. Чтобы получить гофрированный трубопровод с диаметром 2000 мм необходимо 4 стандартных листа с полезной длиной 1600 мм.
3. Для изготовления изделия с диаметром 2300 мм потребуется 3 элемента с полезной длиной 2400 мм. В настоящее время данный вид не освоен для производства на профильных предприятиях РФ.

Торцовый край готовой конструкции обрезается под прямым углом или в соответствии направления насыпного откоса. Срезанные торцы окаймляются специальным уголком. Также для этих целей предполагается использование оголовков, произведенных из железобетона.
Чтобы избежать воздействия ржавчины, все используемые элементы: гофра, болты, гайки, шайбы, в процессе изготовления цинкуются (минимальный слой 80 мкм). В процессе внедрения по месту применения дополнительно для защиты от агрессивной среды соединения обрабатываются специальным битумным покрытием. Битум наносится двумя способами:

• снаружи (в нормальных условиях эксплуатации);
• с обеих сторон (для агрессивной среды).

Также существует дополнительное антикоррозийное покрытие, наносимое заводом изготовителем – полимерное эмалирование (обязательно для северного назначения). Применяются эмали марок Э-1, Э-2.
Чтобы обеспечить надежную защиту покрытия от воздействия сил трения в нижней части трубопровода укладываются специальные лотки, изготовленные из бетона или асфальтобетона. Места установки лотков:

• над выемкой гофры (лоток - толщиной до 70 мм);
• над гребнем (лоток - толщиной до 20 мм).

Для северного региона назначается только асфальтобетонный лоток.
Основываясь на характеристиках грунта в месте для укладки, используют подготовленную подушку из дренирующих сыпучих материалов с размером частицы менее 40-50 мм. Минимальный размер подсыпки 400 мм (необходимые габариты подушки проставляются при составлении монтажного чертежа).
Трубовод может быть установлен на природное основание грунта, если оно соответствует регламентному требованию по составу и размеру частиц. При установке трубной конструкции в тело насыпи, применении укладочной подушки, потребуется в случаях обнаружения крупногабаритных грунтов, размером частиц более 50 мм, либо глины или пылеватого песка.
Для удержания материала применяемой подушки и защиты его от водотока подрусловой воды устраиваются специальные противофильтрационные сооружения (перемычки из глины, цементного раствора, армированного бетона). Устройство данных барьеров прописывается в проектной документации. 
Способы установки экранов:

• из жестких материалов с укладкой под концевую секцию; 
• из глины и цементного раствора устраиваются под тремя крайними секциями.

Ответственная стадия выполнения работы – это обсыпка. Существуют определенные требования для ведения данных работ:

• для обсыпки используются материалы, подходящие для строительства подушки, имеющие размер частиц не более 50 мм (песок, щебень, галька, гравий);
• запрещено укладывать пылеватый песок, глинистый грунт;
• требуется устраивать плотность наполнения пустого пространства не менее 95 %.

Описанные правила предполагаются для грунтового участка в районе призмы, габариты которой устанавливаются в зависимости от применяемых работ, необходимых для прокладки трубовода. Широкая часть призмы 4 в верхней и нижней частях (рис. 1-а,б) для трубы проложенной до установки самой насыпи устанавливается размером не менее 4000 мм. Соответственно откосная часть призмы принимается с отношением крутизны среза 1:1. Если укладка трубопровода происходит в эксплуатируемую насыпь, либо с заглублением в ее основание, тогда подготавливается траншейное углубление. Ширина доработки должна превышать на 1400 мм диаметр укладываемой трубовода. Габариты траншеи устраиваются без нарушений ПБ. Принимаемый слой обсыпки равен 500 мм и более.  
Требования к высоте возводимой насыпной части:

• для изделий типового исполнения эта величина зависит от размера изделия, габаритов гофры, характеристик грунта - прокладывание по ней автодороги или железнодорожных путей (см. табл. №2). Величина деформативности почвы для типовых материалов определяется модулем деформации, полученным в ходе компрессионных испытаний;
• высота насыпного вала для индивидуальных проектов может быть выше принятого стандарта. Работы при таком задании ведутся с дополнительным контролем ответственного лица. Параметры модуля деформации – от 500 кгс/см2, коэф. грунтового уплотнения – 0,98.

Таблица №2

Диаметр трубы, м	Толщина листа, мм	Предельная высота насыпи для дороги, м
		железной	автомобильной
1,5	1,5		6,3
1,5	2	5,2	6,9
1,5	2,5	6	7,5
2 (2,3)	2	3,3	5,9
2 (2,3)	2,5	3,8	6,1
3	2,5	-	6,2

Примечание:
Предел значения высоты для насыпного вала указан для модуля деформации более 200 кгс/см².
 
Для изделий северного назначения габариты применяемых насыпей регулируют нахождение в месте укладки трубовода деформирующихся к неустойчиво замерзшей почвы. В  случае возникновения такой ситуации толщину насыпи уменьшают. Дополнительным средством в таких условиях является использование увеличенной ширины подушки основания. Русловая часть водотока усиливается с помощью монолитных железобетонных плит, блоков или выкладкой природного камня (рис. 2).
Для всей протяженности трассы БАМа характерно наличие косогоров и залегание больших участков вечной мерзлоты.Три схемы установки трубовода для перечисленных условий прокладки: 

• 1 - практикуется при малых наклонах укладки;
• 2- используется с любым уклоном косогорного  рельефа местности, но с малой высотой насыпи;
• 3- рекомендуется для основного применения (для насыпей с железнодорожным полотном избирательно). Ограничение по крутизне косогора менее 1:3. Для приведенного типа строительства используется удлинение края и устройство бермы.

Каждая выше перечисленная схема требует капитального строительства русловой части (рис. 4). 
Установка труб в зависимости от категории осадочности вечномерзлых грунтов разрабатываемой поверхности:

• 1 категория – используется стандартная схема строительства, без поправок;
• 2 категория вечной мерзлоты – предполагает стандартную схему при условии постоянной отрицательной температуре поверхности строительства. При условии возможного оттаивания  устраивается строительный подъемом, компенсирующий возможность просадки основания;
• для  почв с высоким риском просадки 2,3,4 категорий требуется применение индивидуального расчета прокладки, который регламентируется необходимостью применения и наличием средств исполнения проекта. 

Возможно также применение данных изделий для строительства в местах сейсмической активности, которой характеризуются определенные участки БАМа. Имеющаяся возможность получена за счет конструкционного строения и отсутствия оголовков. Главное условие, которое необходимо соблюдать при таком строительстве – это устойчивое устройство самой насыпи.