Вопросы устройства пересечения кабельных линий и автомобильных дорог

Статья призвана обратить внимание на вопросы проектирования пересечения подземных кабельных линий с автомобильными дорогами. В частности, затрагиваются вопросы величины заглубления кабельных линий и обеспечения прочностных характеристик как дорожного полотна, так и кабельных линий, в том числе в период строительства. Приведены рекомендации по выбору защитных труб, использования футляров и способам ведения строительных работ.

Пуфаль И.В.

За последние годы в России построены сотни километров современных скоростных магистралей. Уровень автомобилизации населения, особенно крупных городов, вынуждает формировать в периметре городской застройки кольцевые и радиальные магистрали для обеспечения перераспределения возрастающих транспортных потоков. Растущий объем грузовых перевозок, наравне с увеличением динамических нагрузок вследствие роста разрешенных скоростей, повышает требования, предъявляемые к сооружению современных магистралей. На часть данных требований следует обратить внимание при проектировании кабельных линий в местах пересечения с магистралями.

ПЕРЕСЕЧЕНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ДОРОГ

Современные автомобильные дороги, как, впрочем, и трамвайные линии, и железные дороги, требуют сооружения качественного основания под дорожное полотно, что приводит к формированию значительных выемок в грунте, зачастую достигающих нескольких метров в глубину от проектной отметки. Необходимость строительства развязок с использованием различных эстакад приводит к возведению значительных по своей высоте дорожных насыпей. Использование различного рода геосинтетических материалов (геоткань, геосетка, георешетка) в конструкции дорожной одежды позволяет улучшать характеристики дороги за счет использования своих армирующих, дренирующих, гидроизоляционных и защитных свойств (рисунок 1). Материалы закладываются на дно выемки, применяются в теле дорожной конструкции, а также используются при форматировании обочин, откосов. Особенностью использования геосинтетических материалов является непрерывность по всей длине дорожного полотна. Нарушения целостности полотна приводит к местному ослаблению конструкции дороги, что может привести к снижению качества дороги по истечению времени.

При проектировании пересечения кабельных линий, как и любых других инженерных сетей, с дорогами (железной или автомобильной, трамвайными путями) важно обеспечивать сохранность геосинтетических покрытий. Необходимо предусматривать проектной документацией глубину заложения кабельных линий на таком уровне, чтобы не повреждать слои геосинтетических материалов, и выполнять организацию строительных работ без нарушения конструкции геосинтетических материалов или предусматривать восстановительные мероприятия.

При выполнении пересечения открытым способом (в траншее) не избежать нарушения конструкции дорожного полотна (рисунок 2). После завершения работ по прокладке кабеля зачастую выполнятся восстановление дорожной конструкции только по ширине траншеи. Для обеспечения включения в работу геоткани в целях распределения нагрузки требуется выполнение перехлеста вновь прокладываемого участка геоткани с участком ненарушенного дорожного покрытия. Величина перехлеста зависит от используемого типа геоткани и варьируется в рекомендациях заводов-изготовителей от 0,2 м до 0,5 м. Таким образом, для корректного восстановления проектной прочности дороги, армированной геотканью, при пересечении открытым способом необходимо выполнять частичный разбор дорожного покрытия на 0,2–0,5 м в каждую сторону от края траншеи с послойным восстановлением конструкции дорожного полотна (с контролем уплотнения грунта). Для сложного строения дорожного покрытия (два слоя геоткани, георешетки и т.п.) следует разрабатывать отдельные меры послойного восстановления с еще большим увеличением ширины разрабатываемого участка.

Восстановление дорожного полотна с обеспечением проектной прочности конструкции дороги существенно увеличивает стоимость открытого способа прокладки кабеля и повышает экономическую целесообразность использования закрытых методов пересечения, в том числе метода горизонтально направленного бурения (ГНБ) и метода продавливания труб. Использование метода ГНБ с гибким выбором глубины бурения (с учетом мульды проседания и усадки грунта), позволяет нивелировать негативное воздействие на дорожную конструкцию.

ПЕРЕСЕЧЕНИЕ С ПРОЕКТИРУЕМЫМИ ДОРОГАМИ

Мы обсудили особенности прокладки новых кабельных линий, а теперь обсудим вопросы, возникающие при строительстве и реконструкции дорог. При одновременном проектировании дороги с организацией насыпи и выполнением переустройства кабельной линии требуется выполнить ряд расчетов по определению требуемой кольцевой жесткости (SN) трубы как для периода прокладки кабельной линии без учета насыпи, так и с учетом увеличения нагрузки за счет массы насыпи, что является рядовым расчетом по определению требуемой кольцевой жесткости трубного перехода.

В случае выполнения переустройства дороги со строительством насыпи без выполнения переустройства кабельной линии необходимо выполнить расчет кольцевой жесткости существующего трубного перехода на возможность увеличения нагрузки от насыпи, а также удостовериться, что концы трубного перехода будут находиться за границами насыпи для обеспечения доступа эксплуатирующей организации при ремонте или замене кабеля.

В случае проектирования дорог с обустройством выемки возникает угроза повреждения существующих трубных переходов КЛ. Так же высока вероятность повредить вновь переустроенные в рамках сооружения дорог кабельные линии в случае некорректно запроектированных пересечений. Пункт 2.3.97 ПУЭ [1] предписывает прокладывать кабельные линии на глубине не менее 1 м от полотна дороги. Часто под формулировкой «полотно дороги» понимается лишь асфальтовое покрытие автомобильных дорог. И, к примеру, при проектировании кабельных линий 110–500 кВ создается ложная иллюзия достаточности обеспечения стандартного заглубления на 1,5 метра от проектной отметки дороги до верха кабеля, чтобы обеспечить требуемое в п. 2.3.97 расстояние в 1 м до полотна дороги.

Опасность данного предположения явно следует из п. 7.15 СП 34.13330.2021 Автомобильные дороги [2], где в описании параметров рабочего слоя дороги при прохождении автомобильной дороги по слабым грунтам (пучинистым, набухающим, просадочным) указывается необходимость выемки грунта на глубину 0,8–1,2 метра. Тем самым расстояние от проектных отметок кабеля до дна выемки дороги составит не более 30 см, а с учетом фактических проектных значений глубины выемки труба может полностью оголяться. Например, глубина выемки в проекте Широтной магистрали скоростного движения (СанктПетербург) составляет 1,68 м, в проекте Южной широтной магистрали (Санкт-Петербург) 1,58 м под проезжей частью и 2,25 м в зоне укладки дренажной трубы, в проекте строительства трамвайной линии «Купчино — Шушары — Славянка» 1,33 м под трамвайными путями и 1,86 м в зоне укладки дренажной трубы. Как видно из примеров, при сооружении современных дорог заглубление основания заметно больше нормативной выемки в 0,8–1,2 м, но также оно даже больше обычных глубин прокладки КЛ различных классов 0,7–1,5 м. Таким образом, при строительстве дорог высока вероятность вскрытия защитных труб. Само по себе вскрытие защитных труб, осуществляемое с соблюдением мер предосторожности, не несет опасности, но в процессе строительства дороги вдоль трассы осуществляется движение груженых грунтом машин, а также осуществление уплотнения грунта катками. При этом недостаточно заглубленные трубы кабельной линии будут подвергаться нерасчетным нагрузкам.

НАГРУЗКА НА МАЛОЗАГЛУБЛЕННЫЕ ТРУБЫ ОТ ТРАНСПОРТА

Воздействие вертикальной нагрузки от давления грунта и транспорта (F_н) приводит к возникновению овальности трубы (возникает сила F_т), что вызывает реакцию «отпора грунта» (F_р) от грунта (рисунок 3), находящегося по бокам трубы, которая, в свою очередь, стремится вернуть трубу в исходное состояние, тем самым повышая прочность трубы. Для возможности использования реакции отпора грунта необходимо иметь не только хорошо уплотненное состояние грунта по бокам трубы, но и иметь достаточную массу грунта сверху, чтобы сила, возникающая от овализации трубы, не могла выдавить грунт, лежащий по бокам, вверх. Также определенная толщина грунта является необходимым условием для распределения нагрузки от транспорта на площадь основания дороги.

На рисунке 4 представлена упрощенная схема распределения давления от колеса (P_к) на дорогу (S₁ — площадь пятна контакта с дорогой). Давление в основании передается во все стороны, постепенно уменьшаясь по величине. Угол распределения зависит от вида грунта. В случае расположения трубы на глубине — давление от колеса распределяется на большую площадь (S₁ < S₂) (рисунок 4а), что приводит к снижению нагрузки на трубу (P_р < P_к). В случае оголенной (малозаглубленной) трубы давление от колеса полностью сконцентрировано на трубе (рисунок 4б).

В общем случае нагрузка от транспорта вычисляется по формуле [3]:

q_т = 186 000 / (2,7 + H), (1)

где 186 000 Н/м — это принимаемая нагрузка от четырехосной машины НК-80 общим весом 80 т; H — это глубина заложения.

Подставив глубину заложения H = 0 м, то есть случай с оголением верха трубы, получаем нагрузку от транспорта 68,9 кН/м².

Возьмем для расчета нагрузку от полуприцепа Тонар SH4–45, предназначенного для перевозки сыпучих грузов. Масса автопоезда с груженым полуприцепом составляет 55 тонн, что значительно меньше расчетной нагрузки НК-80. Разрешенная нагрузка на четырехосную тележку при этом составит 36 тонн. На каждой оси установлено по одному колесу 385/65 R22.5. То есть на ось приходится 36/4 = 9 т, а на одно колесо 4,5 т, или 45 кН. Предположим, что пятно контакта колеса имеет форму квадрата с размером 0,385 (´0,385 S1 = 0,15 м²) и шина равномерно распределяет нагрузку на трубу. Концентратная нагрузка, передаваемая на незаглубленную трубу, составит до 300 кН/м², что практически в 5 раз больше, чем расчетная нагрузка НК-80 (для случая заглубленной трубы с распределением нагрузки на площадь S₂).

Требуемую кольцевую жесткость трубы определим по формуле [4]:

SN = 0,458 · q – 7,5 · E_S‘, (2)

где SN — требуемая кольцевая жесткость; q — суммарная вертикальная нагрузка от грунта и транспорта в кПа (кН/м²); E_S‘ — секущий модуль грунта, МПа.

Учитывая отсутствие вышележащих слоев грунта и неспособность ненагруженного бокового грунта обеспечить «отпор грунта» (E_S‘ = 0), формула сокращается до вида:

SN = 0,458 · q_т = 0,458 · 300 = 137,4.

Серийно выпускаемые трубы рассчитаны на кольцевую жесткость до SN 96. Что говорит о невозможности проезда техники по малозаглубленным трубам стандартного исполнения. В [5] указывается на допустимость использовать трубы с SN 192. Для сравнения труба диаметром 225 мм с SN 64 (широко распространенное значение кольцевой жесткости при выполнении пересечений) имеет толщину стенки 19,1 мм, а труба с SN 192 будет иметь толщину стенки 26,6 мм. Прирост массы трубы составит порядка 33%, что приведет к необоснованному увеличению стоимости строительства.

Переход от равномерно распределяемой нагрузки (P_р) в случае заглубленных труб к концентрированной нагрузке (P_к) в случае малозаглубленных труб приводит к кратному увеличению нагрузки на трубу и указывает на непригодность использования формулы (2) для малозаглубленных труб ввиду использования в формуле распределенной нагрузки от транспорта (1). Необходимо отметить, что приведенные в [5] формулы расчета E_s в зависимости от типа уплотнения грунта (общего вида E_s = aH + b), так же непригодны для расчета малозаглубленных труб, виду наличия константы b.

ТРЕБОВАНИЕ К УПЛОТНЕНИЮ ГРУНТА

Силы реакции «отпора грунта» в значительной степени зависят от типа грунта и степени его уплотнения. Тип грунта, окружающий защитные трубы, определяется в том числе требованиями к теплопроводности и фактически в проектах кабельных линий ограничен использованием песка (средней крупности) и песчано-гравийных смесей. Таким образом, при выполнении строительных работ главная задача в обеспечении прочности трубного перехода — это соблюдение технологии уплотнения грунта (послойное трамбование, засыпка пазух) и достижение коэффициента уплотнения грунта в траншее не менее 0,98. В летний период рекомендуется проливка грунта водой. В зимний период рекомендуется обратить особое внимание на состояние используемого грунта и основания песчаной подушки, необходимо тщательно выполнять отвод грунтовых вод из траншеи и исключить применение мерзлого грунта.

Использование «тощего бетона» (6–8% цемента) обеспечивает самый высокий уровень уплотнения грунта как за счет своей прочности, так и за счет растекания жидкого бетона по всем полостям. Использование бетона повышает теплопередачу и может использоваться в качестве меры повышения пропускной способности кабельной линии, позволяет уменьшить кольцевую жесткость используемых труб и повысить защиту кабельных линий. Бетонирование кабельных линий широко применяется в США (типовые названия смесей Cement Bound Sand (CBS), Controlled Density Fill (CDF), Thermal Concrete (TC), Fluidized or Flowable Thermal Backfi ll (FTB) и Австралии [6] с 70-х годов и на практике доказало свою эффективность. К недостаткам можно отнести усложнение строительства (использование «мокрых» процессов и время для набора прочности) и эксплуатации (сложность демонтажа при необходимости ремонта и реконструкции) и повышение стоимости строительства. Добавление золы, золошлаков и других компонентов [7] позволяет удешевить стоимость бетона.

Ранее приведенные меры относятся к уплотнению грунтов при устройстве открытых пересечений, в траншее. Для повышения прочности труб при выполнении ГНБ рекомендуется выполнять заполнение пространства между скважиной и трубами бентонитовым (тонкодисперсная глина) или песчано-бентонитовым (обеспечивает более высокую теплопередачу по сравнению с чистым бентонитом) раствором, в том числе путем «заиливания» скважины или путем нагнетания раствора под давлением.

При выполнении закрытого перехода методом продавливания значительного нарушения структуры грунта не происходит, и в отношении уплотнения грунта это является оптимальным вариантом выполнения пересечения при использовании одной трубы.

МИНИМАЛЬНАЯ ГЛУБИНА ПРОКЛАДКИ КАБЕЛЕЙ

Как было сказано ранее, норму п. 2.3.97 [1] зачастую читают как требование выдержать заглубление от уровня асфальта или от уровня полотна дороги (рисунок 5), а надо читать как заглубление от земляного полотна дороги, от основания дороги, которое не разрабатывается при строительстве дороги.

На примере использования термина автомобильных дорог [8] земляное полотно более точно отображает смысловое толкование п. 2.3.97 и включает в себя конструктивный элемент автомобильной дороги, служащий основанием для размещения дорожной одежды (учитывает выемку грунта для замены грунта или насыпь), а также технических средств организации дорожного движения и обустройства автомобильной дороги (учитывает размещение дренажной канализации (рисунок 6). При этом понятие земляного полотна не включает в себя водоотводящие канавы.

Как правило водоотводящие канавы сооружаются в существующем грунте (рисунок 6а). Формирование таких канав организуется с дороги, при этом по дну канавы не осуществляется движения транспорта. Такое устройство канавы позволяет не учитывать движение груженого транспорта или влияние уплотняющих грунт катков. Что значительно снижает нагрузку на трубу и позволяет уменьшать глубину заложения до минимального значения в 0,5 м.

Также водоотводящие канавы могут формироваться в насыпных грунтах (рисунок 6б). Насыпные грунты могут формироваться как в виде насыпи на существующее основание, так и в виде отсыпки грунта в предварительно выбранных выемках. Независимо от способа устройства насыпных грунтов существует необходимость завозить и уплотнять грунт. Таким образом речь идет о земляном полотне и, как следствие, необходимости заглублять трубу не менее чем на 1 м от уровня земляного полотна, при этом норматив заглубления для канавы, приведенный в п. 2.3.97 [1], не применяется. Информация о способе организации водоотводящих канав должна находить отражение в поперечных разрезах конструкции дороги и использоваться в качестве исходных данных при проектировании пересечений.

При проектировании кабельных линий зачастую трасса проходит по землям, на которых еще нет дорог и не выполняется проектирование дорог, имеется лишь концептуальный план размещения дорожной сети (красные линии в генплане, расположение уличной дорожной сети в мастер-плане). Часть дорожной сети имеет местное значение, а часть дорог в явном виде планируется использовать как магистральные дороги. При пересечении планируемых магистральных дорог или выполнении трассы КЛ в створе магистральной дороги рекомендуется предусматривать возможность строительства дорог без выполнения переустройства КЛ. Для чего следует в зависимости от грунтовых условий определить прогнозный уровень заложения выемки грунта для размещения земляного полотна и от прогнозного уровня отступать 1 м до верха защитных труб (рисунок 7). При отсутствии информации рекомендуется принять глубину выемки в 1,2 м и принять минимальное заглубление верха трубы для прокладки кабеля, равное 2,2 метра, независимо от класса напряжения кабельной линии.

В случаях переустройства существующих кабельных линий при сооружении новых дорог в качестве исходных данных от проектной организации, отвечающей за проектирование дороги, требуется предоставление не только плана трассы будущей дороги, но также и продольные разрезы (профиль трассы), поперечные разрезы, все планируемые коммуникации, в том числе расположение фундаментов подпорных стенок и шумозащитных экранов. Для организации взаимодействия различных специализированных проектных организаций, учитывая итерационный процесс проектирования дороги с переустройством различных инженерных коммуникаций, необходимо привлечение генеральной проектной организации. Задача генпроектировщика состоит не только в выполнении взаимоувязки различных проектных решений, но и в обеспечении экономически обоснованного варианта прокладки всех инженерных коммуникаций (инженерные коммуникации имеют разный уровень гибкости, к примеру, для магистральной теплотрассы сделать локальное смещение оси трассы на 1 метр намного сложнее, чем для кабеля связи), а также в определении очередности сооружения всех коммуникаций с разбивкой на этапы.

УСЛОВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФУТЛЯРА

Зачастую в технических условиях на устройство пересечения автомобильных или железных дорог встречается требование использовать футляр. При этом под футляром понимается прокладка защитных труб кабельных линий внутри еще одной защитной трубы. Возможно, такое требование — архаизм времен использования недостаточно прочных асбестоцементных труб или алогизм сравнения с трубами газопроводов, водопроводов и тому подобного. Трубы, в которые протягивается кабель, по сути, уже являются защитными футлярами.

Трубы дополнительного футляра выбираются по кольцевой жесткости, которая не зависит от диаметра трубы. Использование футляра увеличивает объем земляных работ как по ширине траншеи, так и по глубине. Например, для укладки в футляр 4 труб диаметром 225 мм (наиболее распространенная схема для прокладки КЛ 110–220 кВ) потребуется футляр диаметром 1000 мм, что увеличит глубину траншеи на 0,5 м и ширину на 0,4 м. У трубы диаметром 1000 м при кольцевой жесткости SN 64 толщина стенки составит порядка 90 мм (~20 мм для трубы 225 мм), и вес трубы превысит 250 кг/м (~13 кг/м для трубы 225 мм). Это приведет к увеличению массы укладываемых труб в 5 раз, с соответствующим увеличением стоимости как самих труб, так и строительных работ (скорректировать положение трубы 225 мм можно вручную, для трубы 1000 мм нужен кран). В случае использования футляра при выполнении пересечения закрытым способом (ГНБ) значительно увеличивается диаметр расширения скважины, растет количество проходок расширения скважины. Что приводит к увеличению времени существования скважины и соответственно рискам обрушения свода. Увеличение диаметра также повышает расчетную величину деформации поверхности грунта вследствие подземной выборки грунта (мульда проседания грунта), что несет риск ухудшения состояния дорожного полотна.

Использование стальной трубы в качестве футляра позволяет несколько сократить геометрические размеры (трубы, траншеи) за счет более прочного материала и соответственно меньшей толщины стенки трубы, но приводит к необходимости рассматривать вопросы создания электрохимзащиты (ЭХЗ), и электродренажной защиты трубы, что увеличивает стоимость строительства и значительно усложняет эксплуатацию. Учитывая стоимость стальной трубы с устройством ЭХЗ, применение данного вида футляра возможно только в исключительных случаях и не рекомендуется к рассмотрению в обычной практике. Стоит отметить, что использование метода продавливания с удалением грунта шнеком внутри трубы позволяет обеспечить минимальное воздействие на вышерасположенное дорожное покрытие.

Использование дополнительного футляра в обычной практике приводит к значительному росту издержек без обеспечения надежности и безопасности реализуемого пересечения. Вместе с тем в отдельных случаях использование футляра при ГНБ может быть оправдано. Например, при прохождении ГНБ в грунтах с валунами или очень протяженных ГНБ (более 400 м) использование футляра позволяет обеспечить протаскивание трубы за счет своей повышенной прочности на растяжение. Использование футляра также может быть экономически обосновано при групповой прокладке большого количества ниток кабеля с использованием отдельных труб с минимальной кольцевой жесткостью.

Альтернативой использования футляра из трубы является выполнение монолитной армированной плиты с закладными трубами (рисунок 8). Использование плиты позволяет обеспечить как равномерное распределение нагрузки, тем самым уменьшив требования к кольцевой жестокости трубы, так и улучшить теплопередачу трубного участка. Использование армированной плиты позволяет распределить нагрузку любой величины и допустить непосредственный проезд техники по поверхности плиты. В качестве армирующих элементов для исключения влияния электромагнитных полей от кабельных линий рекомендуется применять стеклопластиковую арматуру.

ВЫВОДЫ

В проектах пересечения кабельных линий с дорогами необходимо:

1. Минимизировать нарушение слоев геосинтетических материалов в пересекаемой дороге.
2. Предусматривать меры по восстановлению целостности геосинтетических материалов.
3. Обеспечивать заглубление кабельных линий не менее чем на 1 метр от нижней отметки земляного полотна дороги, а не от отметки асфальтового дорожного полотна.
4. Предусматривать заглубление КЛ на глубину 2,2 метра в местах перспективного пересечения магистральных дорог (категории I и II).
5. Заглубление кабельных линий не менее 0,5 метра от дна водоотводящей канавы допустимо только в случае выполнения разработки водоотводящих канав в существующих грунтах.
6. Требование по устройству футляра для труб в технических условиях предусматривать только в исключительных случаях, с аргументированным подтверждением необходимости.
7. Проекты по строительству дорог с большим объемом переустраиваемых коммуникаций выполнять только с привлечением генподрядной организации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Глава 2.3. Кабельные линии напряжением до 220 кВ (Издание шестое). URL: https://docs.cntd.ru/document/1200001624.
2. СП 34.13330.2021. СНиП 2.05.02–85*. Автомобильные дороги. URL: https://docs.cntd.ru/document/573818172.
3. СП 42–101–2003. Общие положения по проектированию и строительству газораспределительных систем. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200032042.
4. Дмитриев М.В. Механический расчет полимерных труб для кабелей // ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение, 2016, № 3(36). С. 70–75.
5. СТО 34.01–2.3.3–038–2021. Трубы для прокладки кабельных линий напряжением свыше 1 кВ. URL: https://energotek.ru/upload/iblock /c5a/STO-PAO-Rosseti-34.01_2.3.3_038_2021-Truby-dlyaprokladki-KL-svyshe-1-kV.pdf.
6. Network Standard Ausgrid NS130. Laying underground cables up to and including 11kV. URL: https://studylib.net/doc/18786941/ns130-specificationfor-laying-underground-cables-up-to.
7. Choorackal E., Riviera P.P., Dalmazzo D., Santagata E., Zichella L., Marini P. Performance-related characterization of fluidized thermal backfills containing recycled components. Waste and Biomass Valorization, 2020, vol. 11, no. 10, pp. 5393–5404.
8. ГОСТ 21.701–2013. СПДС. Правила выполнения рабочей документации автомобильных дорог. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200109755.