Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технологии и организации переустройства и возведения современных линейно-протяженных инженерных сооружений (ЛПИС) 11
1.1. Анализ состояния и перспектив развития инженерной инфраструктуры энергетического комплекса крупного города 11
1.2. Анализ опыта и перспективных направлений опережающего проектирования, возведения и переустройства сетей централизованного теплоснабжения крупного города 23
1.3. Организационно-технологическая надежность и безопасность как основные параметры организации строительного переустройства городских коммуникационных систем 32
1.4. Разработка методологической схемы проведения диссертационного исследования 40
2. Исследование параметров процессов прокладки инженерных коммуникаций 45
2.1. Классификация подготовительных работ и их элементов при прокладке городских коммуникаций 45
2.2. Определение значимых факторов прокладки трасс городских коммуникаций СЦТ 58
2.3. Основные принципы прокладки инженерных коммуникаций городских СЦТ 73
3. Основные методические положения по комплексному производству прокладки инженерных коммуникаций 79
3.1. Способы повышения технологичности работ при строительном переустройстве СЦТ 79
3.2. Способы повышения технологичности работ при прокладке трасс городских коммуникаций СЦТ 88
3.3. Рекомендуемые схемы рациональной прокладки под земных коммуникаций 98
4. Внедрение результатов диссертационного исследования. рекомендации по повышению эффективности теплоизоляционных конструкций трубопроводов СЦТ 109
4.1. Повышение теплозащитных свойств теплоизоляции промышленных трубопроводов 109
4.2. Повышение эффективности теплоизоляции трубопроводов систем централизованного теплоснабжения 123
4.3. Снижение негативного воздействия парообразной влаги на теплозащитные свойства теплоизоляции низкотем пературных трубопроводов 127
4.4. Целесообразность использования теплоизоляционных покрытий из композиционных материалов типа «Therminal-Coat» в теплоизоляционных конструкциях трубопроводов 130
Общие выводы 136
Использованная литература 141
Приложения
- Анализ опыта и перспективных направлений опережающего проектирования, возведения и переустройства сетей централизованного теплоснабжения крупного города
- Определение значимых факторов прокладки трасс городских коммуникаций СЦТ
- Способы повышения технологичности работ при прокладке трасс городских коммуникаций СЦТ
- Повышение эффективности теплоизоляции трубопроводов систем централизованного теплоснабжения
Введение к работе
Актуальность работы. В крупных городах разнообразие линейно-протяжённых инженерных сооружений (ЛПИС) очень велико: это тоннели метрополитена, линии электропередач, автомобильные дороги, железнодорожные пути, системы и сети канализации, теплоснабжения, водоснабжения и многие другие. Для каждой разновидности ЛПИС существуют только ей присущие конструктивные и функциональные параметры, методы исследования, проектирования, возведения, эксплуатации и т.д. При новом строительстве, а в особенности - при строительном переустройстве, крайне важной и общей для всех ЛПИС характеристикой является использование наиболее эффективных организационно-технологических решений с применением новых конкурентоспособных материалов и конструкций, повышающих надежность и безопасность возведения и эксплуатации ЛПИС.
Важным является также использование поточных методов строительного переустройства, которые в период «перестройки» в силу объективных и субъективных причин были преданы забвению: существовавшие ранее нормативно-методические документы не соответствовали изменившейся системе хозяйствования и резко возросшей сложности
-5-строительного производства, а разработка новых не была
поддержана необходимыми ресурсами (финансовыми, кадровыми, материальными и др.) . На смену существовавшим ранее на отечественном строительном рынке появились новые конкурентоспособные материалы и технологии, которые необходимо использовать в строительном переустройстве ЛПИС.
Такое положение определило актуальность темы диссертационного исследования, в котором в качестве объекта-представителя городских коммуникационных систем рассмотрены системы центрального теплоснабжения (СЦТ) г. Москвы, требующих при обслуживании и строительном переустройстве существенных затрат ресурсов (материальных, кадровых, финансовых и др.), необходимых для возведения, перемещения, монтажа и демонтажа временных и постоянных инженерных сетей и коммуникаций, изменения инфраструктуры.
В качестве научно-технической гипотезы высказано предположение о необходимости разработки методики выбора эффективных организационно-технологических решений строительного переустройства сетей центрального теплоснабжения (СЦТ), адекватных применяемым новым материа-
лам и конструктивным решениям, которая позволит обеспечить заданный уровень организационно-технологической надежности (ОТН) и организационно-технологической безопасности (ОТБ) при значительном повышении эффективности строительного переустройства СЦТ.
Цель диссертационного исследования: разработка эффективных организационно-технологических решений конкурентоспособного переустройства СЦТ крупного города, эффективных по критериям ОТН и ОТБ на протяжении всего жизненного цикла сети за счет использования новых материалов, конструктивных решений и технологий.
Для достижения поставленной цели решены следующие Задачи исследования:
анализ особенностей возведения и строительного переустройства городских коммуникационных систем с обоснованием выбора СЦТ в качестве их объекта-представителя;
систематизация факторов, влияющих на эффективность и организационно-технологическую надежность строительного переустройства СЦТ, а также на организационно-технологическую безопасность функционирования СЦТ после их переустройства;
-7-выявление и оценка основных организационно-технологических параметров возведения и строительного переустройства городских коммуникационных систем и СЦТ как их объекта-представителя;
разработка методики выбора рациональных решений подготовки и производства работ по строительному переустройству СЦТ в зависимости от заданного уровня ОТН и ОТБ;
внедрение и экспериментальная проверка разработанной методики в производственных условиях;
формирование пакета рациональных инженерных решений по возведению и.строительному переустройству СЦТ.
Объект исследования: организация строительного переустройства городских коммуникационных систем на примере СЦТ г. Москвы.
Предмет исследования: организационно-технологическая надёжность и организационно-технологическая безопасность строительного переустройства СЦТ.
Методологические и теоретические основы исследования базируются на работах отечественных и зарубежных ученых в области технологии и организации строитель-
ства, системотехники строительства, теории функциональных систем, экспертного логического и системного анализа, вероятностно-статистических методов, информа-ционно-вычислительных технологий.
Выносимые на защиту результаты, имеющие научную новизну:
обоснование городских систем централизованного теплоснабжения в качестве объекта-представителя линейно-протяжённых инженерных сооружений;
обоснование организационно-технологической надежно
сти и организационно-технологической безопасности в ка-
* честве главных критериев эффективности строительного
" переустройства линейно-протяжённых инженерных сооруже-
нии ;
методика количественной оценки организационно-технологической надежности и организационно-технологической безопасности применительно к строительному переустройству линейно-протяжённых инженерных сооружений;
инфографические модели многокритериальной интегра-
льной оценки эффективности строительного переустройства
г линейно-протяжённых инженерных сооружений по критериям
организационно-технологической надежности и организационно-технологической безопасности.
Практическая значимость результатов подтверждена эффективностью организации строительного переустройства ряда линейно-протяжённых инженерных сооружений, в частности - при реконструкции теплосети в районе Дубнинской улицы, владение 32.
Апробация результатов исследования: основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-методологическом семинаре лаборатории ИТЭБЖ ЦНИИОМТП и на научно-техническом совете института (2003-2004гг.); на семинаре секции «Системотехника строительства» Науч-ного Совета по комплексной проблеме «Кибернетика» РАН (2001-2004гг.) ; на научных и научно-методических семинарах строительных организаций Москвы и Московской области.
Публикации. По теме диссертации в 2001-2004гг. опубликованы пять научных статей.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы. Работа содержит 120 страниц текста, 9
рисунков, 15 таблиц, библиографию, включающую 153 отечественных и зарубежных публикации.
Анализ опыта и перспективных направлений опережающего проектирования, возведения и переустройства сетей централизованного теплоснабжения крупного города
Анализ отечественного и зарубежного опыта проектирования и возведения ЛПИС выявил, что стоимость возводимых и переустраиваемых инженерных сетей достигает 15-20% стоимости строительства (а в отдельных случаях -и до 25%), из которых до 10-15% приходится на подземные инженерные сети.
Уровень механизации труда при прокладке инженерных сетей не превышает, в большинстве исследованных проектов, 50% (в отдельных случаях даже менее 45%)-, что значительно ниже достигнутого среднего уровня 95% по основным строительным процессам.
По данным ЦНИИОМТП [28, 54, 58, 77-79 и др.], в комплексе работ по устройству подземных инженерных СЦТ из 18 операций (без учета работ по монтажу трубопроводов) механизироваными методами осуществляют только шесть .
Причинами, определившими такое положение, являются многочисленность разнообразных операций по устройству инженерных сетей, значительная номенклатура применяемых труб и материалов, разнообразие диаметров труб и типов их стыкового соединения, специфические грунтовые и гидрогеологические условия, глубины прокладки инженерных сетей и др.
Анализ показал, что на основе разработанной применительно к современному строительному производству в рыночных условиях методики выбора эффективных организационно-технологических решений строительного переустройства СЦТ, адекватных применяемым новым материалам и конструктивным решениям, можно обеспечить заданный уровень организационно-технологической надежности (ОТН) и организационно-технологической безопасности (ОТБ), повысить эффективность строительного переустройства СЦТ.
На стадии разработки генеральных и районных схем, а также проектов детальной планировки СЦТ одним из наиболее важных является вопрос непрерывного жизнеобеспечения города даже в возможных аварийных ситуациях, более равномерное распределение пиковых нагрузок.
Для этих целей в проектных решениях предусматривают «закольцовывание» сетей коммуникаций, устройство связок между отдельными крупными системами, обеспечение возможности питания не менее чем от двух источников.
Результат эксперимента в Крылатском является ярким свидетельством этого. Строители жилых домов приступили к их возведению, когда дороги и подземные коммуникации, необходимые для развития, были уже построены. Это позволило организовать четкий ритм строительных работ по возведению жилых, торговых и общественных зданий, исключить необходимость устройства временных подъездных дорог на строительный период.
Большую роль в деле повышения эффективности строительства и улучшения условий эксплуатации инженерных сооружений играет внедрение комплексного проектирования и строительства коммуникаций и сооружений.
Это дает возможность осуществлять совмещенное строительство коммуникаций различного назначения и особенно эффективную прокладку их в коллекторах.
В Москве построено более 200км. коллекторов подземных коммуникаций, что совершенно недостаточно.
Значительное место в строительстве подземных коммуникаций все еще занимает раздельная прокладка, что тор -26 мозит развитие коммуникаций, ухудшает условия их эксплуатации и снижает эффективность использования подземного пространства города.
Проектирование и возведение подземных ЛПИС (в их числе технологических, транспортных и пешеходных тоннелей, коллекторов и др.) имеет многовековую историю.
В XX в. до нашей эры у города Гезера в Палестине был построен для целей водоснабжения тоннель шириной 3,9 и высотой 7м.; к этому же времени относится строительство пешеходного тоннеля шириной 3,5 и высотой 4м. под рекой Евфратом в Вавилоне (длина тоннеля составляла 900 м.). Первый судоходный тоннель (ширина 6,1, высота 2м.) сооружен в V веке нашей эры на территории современной Турции вблизи города Селенция.
Определение значимых факторов прокладки трасс городских коммуникаций СЦТ
Характерными особенностями производства работ по инженерной подготовке территории строительной площадки к строительному переустройству СЦТ являются: большая удельная трудоемкость выполнения общестроительных и специальных работ; сложная увязка последовательности строительства отдельных участков между собой; поточное их возведение во взаимосвязи со строительством и переустройством зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения.
До 90% протяженности разнообразных коммуникаций крупного города (насчитывающих в разных районах от двух до пяти и более видов) трассируют параллельно с расстояниями между ними от двух до пяти метров, что приводит к их раздельному возведению.
Глубина заложения подземных коммуникаций у зданий часто превышает отметки заложения фундаментов.
Такое расположение коммуникаций вызывает Пересечения откосов земляных выемок, усложняет производство работ, увеличивает их объем и приводит к дополнительным затратам. В работах [78, 122, 130 и др.] показано, что в среднем при протяженности подземных коммуникаций переустраиваемого комплекса в 22 тысячи метров объем повторно выполненных земляных работ по этой причине составил 138 тысяч кубометров, или более 18% общего объема работ.
В настоящее время актуальна разработка генеральных планов строительного переустройства СЦТ, учитывающих возможность осуществления строительного производства и ввода переустроенных СЦТ в эксплуатацию пусковыми комплексами или очередями. Такие решения предъявляют повышенные требования к проектированию и прокладке подземных, надземных и транспортных коммуникаций ввиду трассирования их по условно-автономной территории действующего иегаполиса (предприятия или жилого квартала). Особую сложность представляет «докладка» новых ко-ммуникаций к действующим и прокладка коммуникаций по функционирующей территории города из-за стесненности и насыщенности подземного пространства. Число вскрытий действующих коммуникаций доходит до 200-250.
Взаимное расположение подземных коммуникаций, а также их расположение по отношению к зданиям и сооружениям определяет СНиП «Генеральные планы промышленных предприятий». Этот же документ допускает при совмещенных прокладках подземных коммуникаций принимать меньшие расстояния между ними, исходя из размеров размещения камер, колодцев и других устройств, необходимости обеспечения монтажа и ремонта коммуникаций.
В указанном документе регламентированы также и расстояния между трубопроводами и строительными конструкциями тоннелей и каналов. В то же время отсутствие обоснованных конкретных нормативных расстояний между коммуникациями при совмещенных прокладках препятствует рациональному размещению их на генплане переустраиваемой территории и увеличивает стоимость строительно-монтажных работ. Данные проведенного исследования показывают, что в среднем уменьшение территории переустраиваемых СЦТ всего на 1 га дает экономию капитальных затрат более 90 тыс. руб.
Прокладку трубопроводов, тоннелей и каналов проектируют преимущественно открытым способом в раздельных траншеях без учета взаимных влияний откосов земляных выемок между коммуникациями и фундаментами зданий и сооружений.
Раздельное проектирование подземных коммуникаций приводит к повторному выполнению значительных объемов земляных работ при параллельной прокладке коммуникаций и на их взаимных пересечениях.
Способы проектирования совмещенных прокладок трубопроводов, разработанные для массового жилищного строительства в Москве в 50-х годах, применяют крайне редко и в основном при параллельной прокладке напорных трубопроводов, проходящих на одинаковых отметках заложения.
Взаимные пересечения и примыкания коммуникаций к зданиям также выполняют преимущественно раздельно, что увеличивает трудоемкость и стоимость строительно-монтажных работ, так как земляные работы в пределах пересекающихся откосов выемок выполняют дважды при строительстве отдельных коммуникаций.
Способы повышения технологичности работ при прокладке трасс городских коммуникаций СЦТ
Одной из важных характеристик технологичности работ по прокладке переустраиваемых трасс городских коммуникаций СЦТ принято считать уровень механизации, в том числе - механизации земляных работ при прокладке подземных коммуникаций.
При раскопках применяют разные способы выполнения земляных работ па трассе подземных коммуникаций. При одиночных препятствиях на трассе, находящихся в радиусе действия экскаватора, траншею раскапывают s последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Под существующим трубопроводом земляные работы ведут вручную.
Вопрос о переносе действующего трубопровода для механизированной разработки грунта под проектируемый трубопровод, расположенный на глубине 3-5м., а действующий имеет небольшой диаметр, решают технико-экономическим сравнением вариантов: подсчитывают трудозатраты по переносу и сопоставляют с трудозатратами по параллельной прокладке без переноса.
Устройство траншей и котлованов для подземных коммуникаций производят после планировки переустраиваемой территории; их возводят с откосами и очень редко с креплениями (при неблагоприятных гидрогеологических условиях).
При производстве работ в стесненных условиях или наличии грунтовых вод применяют способ опускного колодца, а также способ, называемый «стена в грунте».
Ширину траншей для ленточных и отдельно стоящих фундаментов назначают с учетом производства опалубочных и гидроизоляционных работ с увеличением на 0,2м.
Землеройными механизмами разрабатывают траншеи, ширина которых больше ширины режущей кромки рабочего органа машины на 0,15м. в песчаных и супесчаных грунтах и на 0,1м. в глинистых и суглинистых почвах.
При отсутствии грунтовых вод и близко располо женных подземных сооружений котлованы и траншеи выполняют с вертикальными стенками без креплений на глубину: в песчаных и гравелистых грунтах - до 1м.; супесях - до 1,25м.; в суглинках и глинах - до 1,5м.; в особо плотных нескальных грунтах - до 2,0м.
Наибольшую крутизну откосов траншей и котлованов, устраиваемых без креплений в однородных материковых связных грунтах естественной влажности, принимают в соответствии со строительными нормами. При глубине траншей и котлованов более 5м. и при неблагоприятных гидрогеологических условиях крутизну откосов необходимо рассчитывать.
Места переборов по дну траншей и котлованов в скальных грунтах заполняют песчаным или местным мягким грунтом (глина, суглинок) с уплотнением до проектной плотности.
Устройство совмещенных земляных выемок. Большие расстояния между существующими и переустраиваемыми подземными коммуникациями, фундаментами зданий и сооружений приводят к раздельному возведению их даже при параллельном прохождении и на незначительном расстоянии вдоль зданий и сооружений.
Такое расположение коммуникаций вызывает взаимное пересечение откосов земляных выемок, усложняет производство работ, увеличивает объем земляных работ, приводит к переделкам. Взаимные пересечения и примыкания, несмотря на их простоту, в процессе строительного переустройства СЦТ очень часто осуществляют без уплотнений этих мест. При устройстве траншей для совмещенных прокладок подземных коммуникаций применяют одноковшовые экска ваторы с .обратной лопатой. При этом наиболее целе сообразно применять экскаваторы с гидроприводами Э 5015Б, ЭО-4321Б, Машинисты, выполняющие выемки для совмещенных прокладок, должны пройти практику выполнения таких работ. Земляные выемки для совмещенных прокладок можно разрабатывать с откосами или с вертикальными стенками.
Повышение эффективности теплоизоляции трубопроводов систем централизованного теплоснабжения
В системах централизованного теплоснабжения России используются следующие типы прокладок тепловых сетей: надземная прокладка (в основном, магистральные теплопроводы) , составляющая около 10% всех прокладок; подземная прокладка в проходных каналах л тоннелях (мА-гистральные теплопроводы) - примерно 4-5%; подземная прокладка в непроходных каналах (распределительные теплопроводы) - около 75-80%; бесканальная прокладка (в основном, распределительные и некоторая часть магистральных теплопроводов) - 8-10%.
В теплоизоляционных конструкциях при надземной прокладке тепловых сетей используется преимущественно волокнистая изоляция (минераловатые материалы). Условия эксплуатации таких конструкций не отличаются от условий, в которых работает изоляция промышленных трубопроводов, расположенных на открытом воздухе.
В данном случае с учетом протяженности прямых участков наряду с рядовыми теплоизоляционными материалами целесообразно применение минераловатных цилиндров и полуцилиндров .
Изоляция трубопроводов минераловатными матами на сетке: а) без спутника; б) со спутником; в)изоляция трубопроводов полуцилиндрами. Этот материал обладает повышенной гигроскопичностью (при контакте с водой увлажняется до 700-800% по весу) и пониженной долговечностью при периодическом увлажнении и высушивании. Опыт эксплуатации таких прокладок показал, что сборная конструкция канала пропускает любые воды. Непроходные каналы, прокладываемые обычно нег-лубоко под землей (при расстоянии от поверхности земли до перекрытия канала не более 0,7м.), в период сезонной верховодки работают как элементы ливневой канализации.
В связи с этим, волокнистая изоляция, периодически полностью увлажняясь, уплотняется и через 4-5 лет эксплуатации в два-три раза снижает свои теплозащитные свойства. Долговечность такой прокладки за счет интенсивных коррозионных повреждений трубопроводов не превышает 12-15 лет. Учитывая эти соображения, следует признать использование прокладки такого типа нецелесообразным и для распределительных тепловых сетей использовать бесканальную прокладку с теплоизоляцией труб из пенополиуретана в жесткой полиэтиленовой оболочке.
Весьма перспективно использование для подземной прокладки распределительных тепловых сетей так называемых «тепловых кабелей», состоящих из гибких пластмассо -127-вых труб, покрытых теплоизоляцией из вспененного каучука в гофрированной оболочке из полиэтилена.
При прокладке теплопроводов в проходных каналах и тоннелях, располагаемых частично ниже уровня грунтовых вод, если невозможно исключить увлажнение поверхности теплоизоляционных труб капелью в холодное время года с внутренней поверхности перекрытия канала, следует использовать двухслойную теплоизоляционную конструкцию подающего и обратного трубопроводов.
Первый слой, прилегающий к изолируемой трубе, изготавливают из минераловатных материалов, температуросто-йкость которых значительно выше температуры теплоносителя в теплопроводах. Второй (наружный слой) - изготавливают из пенополиуретана, который является гидрофобным материалом и не впитывает влагу.
Соотношение толщин изоляционных материалов в такой конструкции выбирают исходя из допустимой температуры применения пенополиуретана.
Атмосферная теплоизоляция низкотемпературных трубопроводов с одной стороны граничит с влажным воздухом, а с другой, примыкающей к изолируемой поверхности, имеет по существу непроницаемую пароизоляцию в виде металлической стенки трубопровода.
Анализ механизма тепло - и массообмена, происходящего в изоляции в этих условиях, позволяет заключить, что водяной пар, диффундирующий из окружающего влажного воздуха в изоляцию, конденсируется и накапливается в ней практически в течение всего срока эксплуатации.
Увлажнение низкотемпературной изоляции за счет аблимации в зоне отрицательных температур диффундирующего в нее пара приводит к снижению ее теплозащитных свойств в процессе эксплуатации за счет заполнения пористой структуры изоляции более теплопроводным, чем воздух, компонентом.
Паропроницаемость волокнистых материалов (таблица 15) по сравнению с другими эффективными теплоизоляционными материалами с преобладающей закрытой пористостью очень велика и коэффициент диффузии пара в них лишь в 2-3 раза меньше, чем коэффициент свободной диффузии пара во влажном воздухе.
В связи с этим в процессе эксплуатации происходит значительное снижение теплозащитных свойств низкотемпературной волокнистой изоляции, особенно при низких температурах изолируемой поверхности (ниже -60С) даже при наличии достаточно мощного пароизоляционного слоя .
Для обеспечения стабильности теплозащитных свойств изоляции низкотемпературных трубопроводов в процессе эксплуатации, при температурах транспортируемых веществ ниже -70С следует применять двухслойную теплоизоляционную конструкцию: первый слой, примыкающий к поверхности трубопровода, выполняют из волокнистых материалов (базальтовое или стекловолокно с диаметром волокна 2-3 мкм) ; второй слой (наружный) выполняют из газонаполненных пластмасс с закрытой пористостью и высоким сопротивлением диффузии водяных паров, но с ограниченной температурой применения, обычно не ниже -70С. Толщина внутреннего слоя определяется исходя из ограничения температуры применения наружного слоя.
