Винтовые сваи в энергетическом строительстве.

Винтовые сваи в энергетическом строительстве: технология погружения винтовых свай как рациональный способ закрепления опор ВЛ.

Статья посвящена вопросам применения винтовых свай и анкеров для закрепления опор ЛЭП. Раскрываются особенности и преимущества использования в электросетевом строительстве рациональных конструкций свай и анкеров, основные конструктивные параметры, которые обеспечивают надежную и эффективную эксплуатацию винтовых свай и анкерных закреплений. Доклад также содержит описание основных конструктивных особенностей и возможностей механизма погружения винтовых свай.

По данным ОАО «РОСТЭП» на 2005 год общая протяженность распределительных линий 0,38…110 кВ в электроэнергетической системе России составляет ~ 2,8 млн. км, из них более 1,9 млн. км составляют ЛЭП 6-10 кВ. Более 32% воздушных ЛЭП (~ 900 тыс.км.) отработали свой нормативный срок. По предварительным расчетам к 2010 году этот показатель достигнет 40%. Для технического обновления сетей в России с учетом процесса их старения необходимо ежегодно производить замену по- рядка 4-5 % линий электропередачи. Одновременно с этим имеется устойчивая тенденция роста потребления электроэнергии, как в промышленном, так и в коммунально-бытовом секторе. Следовательно, возникла настоятельная необходимость в реконструкции и обновлении распределительных сетей, с тем, чтобы они отвечали экономико-экологическим требованиям и современному техническому уровню распределения энергии в соответствии с потребностями пользователей. И в связи с этим задача разработки рациональных подходов к реконструкции и строительству распределительных сетей является как нельзя более актуальной.

Необходимо отметить, что основным источником аварийности воздушных линий электропередачи 6-10 кВ (они в настоящий момент имеют самый большой показатель по протяженности в России) является повреждение опор, установленных в обводненных или засоленных грунтах (за счет коррозии бетона), а также падение опор за счет выпучивания в пучинистых грунтах (традиционно применяемые опоры имеют фиксированную длину стойки, что не позволяет заглублять их более, чем на 2-3 мет- ра). Показатель аварийности воздушных линий на деревянных опорах еще на порядок выше. По данным различных источников число отключений ВЛ 6-10 кВ на опорах из железобетонных стоек на каждые 100 км длины ВЛ составляет в среднем 6-7 раз в год, а для районов со сложными природно-климатическими условиями, в частности, ХМАО-ЯНАО – более 20-ти раз в год. Воздушные линии 35-110 кВ, 220, 330 и 500кВ кВ имеют значительно более высокие показатели надежности. И это напрямую связано с двумя важнейшими техническими особенностями:

- применением стальных опор,

- устройством фундаментов на стальных винтовых сваях.

Данные опоры и фундаменты значительно менее подвержены износу и деформации, кроме того, позволяют достигать значительной экономии средств за счет снижения затрат на материалы и уменьшения сроков строительства ВЛ. Применение стальных опор в комплексе с фундаментами на винтовых сваях, в частности, дают возможность в условиях Крайнего Севера вдвое увеличить габаритный пролет за счет более высокой механической прочности (несущая способность на изгиб состав- ляет 74 кНм против 35-45 кНм для железобетонных опор), что приводит к сокращению расхода материалов и объема строительно-монтажных работ. Экономический эффект и другие преимущества применения стальных опор взамен железобетонных был уже неоднократно показан различными специалистами, в том числе компанией "ГК "Антей". Мы подробнее рассмотрим другую составляющую – фундаменты на винтовых сваях.

Высокая несущая способность свай на сжимающие и выдергивающие нагрузки является их значительным преимуществом, однако широкому распространению винтовых свай в строительстве долгое время препятствовали некоторые аспекты:

- недостаточно совершенная конструкция винтового наконечника и некоторая условность расчетных схем для лопасти сваи, что приводило к тому, что при погружении свай требовалась дополнительная вертикальная «пригружающая» сила;

- отсутствие универсального устройства, легкой, маневренной, высокопроходимой техники, обеспечивающей эффективное погружение винтовых свай. Большинство установок, когда-либо использовавшихся для завинчивания стальных свай, не обладают высокой производительностью.

В 2005 году завод «Стройдормаш» начал производство сварных металлических винтовых свай с плоскими лопастями, конструкция которых была разработана в Научно-исследовательской лаборатории электросетевого строительства «Института Севзапэнергосетьпроект». В настоящее время в основном применяются два типа анкеров и свай: одно или двухвитковые с диаметром лопасти 500 и 850 мм – для обыч- ных (талых) грунтов и многовитковые с диаметром лопасти 300 мм – для твердомерз- лых грунтов. Внедрение заводом «Стройдормаш» в производство свай с конструктивным решением, предложенным к.т.н. В.Н.Железковым, связано с тем, что данные сваи имеют ряд преимуществ. "ГК "Антей", активно сотрудничают с заводом «Стройдормаш» и «Институтом Севзапэнергосетьпроект», и является приемником данных технологий на территории СЗФО. Рассмотрим особенности различных типов свай.

Сваи с плоскими лопастями для талых грунтов, часть лопасти которых переходит на наконечник (рис.1), имеют меньшую материалоемкость и простую технологию изготовления. Данные сваи позволяют отказаться от тяжелой осевой пригрузки при эксплуатации ВЛ, построенных на фундаментах из винтовых свай.

Для завинчивания этого типа свай требуется меньший крутящий момент вследствие постепенного развития винтовой лопасти. Это сокращает производственный цикл, улучшает восприятие горизонтальных нагрузок и несущую способность свай по сжатию и выдергиванию на 15-20%, а, следовательно, обеспечивают большие сроки. Для изготовления стволов винтовых свай могут использоваться трубы сечением от 159 мм до 500 мм с толщиной стенки от 8, 10, 12, 14 мм. На заводе освоено производство свай с диаметром ствола 219 мм и шириной лопасти 500 мм для талых грунтов, осваивается производство других видов свай.

Рис.1 Двухвитковые винтовые сваи для обычного грунта

Результаты успешных испытаний данного типа винтовых свай были получены как исследователями ОАО «Институт «Севзапэнергосетьпроект», так и специалистами завода Стройдормаш так и специалистами "ГК "Антей". В частности, сваи с сечением трубы 219 мм и лопастью 800 были применены при строительстве двух жилых домов по адресу г. Санкт-Петербург, ул. Елизаровская д.15. Одновременно проводились испытания свай нагрузкой на сжатие и выдергивание и на несущую способность. Результаты показали, что винтовые сваи обладают значительно большей несущей способностью, нежели железобетонные и могут выдерживать значительно большие горизонтальные нагрузки.

В свою очередь есть прекрасные данные приведенные ОАО «Институт «Севзапэнергосетьпроект», сваи с сечением трубы 219 мм и лопастью 500 мм были применены трестом «Севзапэлектросетьстрой» в 1983-1984гг. на заболоченных участках ВЛ 330 кВ «Новгород – Юго-Западная» и ВЛ 110кВ «Тихвин – Бокситогорск», «Кретун – Окуловка». И Так же одновременно проводились испытания свай нагрузкой на сжатие и выдергивание, и на несущую способность. В 2003 году, т.е. через 20 лет, было проведено исследование состояния опор на участке ВЛ 110 кВ «Тихвин – Бокситогорск» и выяснено, что коэффициент аварийности опор из-за дефектов фундамента составляет не более 6%.

Применение винтовых свай позволило сократить сроки строительства более чем в 2 раза по сравнению с планируемыми, в случае применения бетонных оснований для опор контактной сети.

Винтовые сваи с диаметром трубы 219 мм, диаметром лопасти 500 мм.

применялись также на строительстве ВЛ 500кВ Сургутская ГРЭС-1 и Сургутская ГРЭС-2. Расчеты, проведенные ОАО «Институт «Севзапэнергопроект» по результатам работы на строительстве, где применялись фундаменты на винтовых сваях, показали, что использование винтовых свай позволило обеспечить экономию металлоконструкций в 1,7 раза, экономию арматурной стали в 1,4 раза, экономию провода в 1,2 раза, экономию цемента в 2,7 раза по сравнению с проектной сметой, составленной с учетом устройства железобетонного свайного основания. Это подтверждает, что применение в электросетевом строительстве металлических винтовых свай в качестве альтернативы железобетонным анкерным плитам обеспечивает значительный экономический эффект.

Рис.2. Опора контактной сети на фундаменте из двух винтовых свай

Рис.3. Опора контактной сети на фундаменте из трех винтовых свай

Далее рассмотрим винтовые сваи для твердомерзлых грунтов. Оптимальной конструкцией сваи для твердомерзлых грунтов является винтовая свая без конической части с диаметром лопасти 280 или 300 мм.

Преимущества данной конструкции винтовой сваи для мерзлых грунтов были подтверждены в ходе работ при строительстве ВЛ 110 кВ ЯГП-1 и ЯГП-5 Ямбургского газоконденсатного месторождения. Трестом «Мегионэлектросетьстрой» на этих линиях было установлено более 100 опор, общее количество погруженных анкеров и свай составило свыше 430. Кроме того, технология устройства фундаментов под опоры ЛЭП на винтовых сваях применяется в настоящий момент на Крайнем Севере Тюменской области.

Конструкторско-технологической службой ОАО «Завод «Стройдормаш» была продолжена разработка конструкции винтовых свай для мерзлоты и предложен оптимальный конструктивный вариант (рис.4).

Конструктивное решения для данной сваи имеет ряд технических преимуществ по сравнению с другими сваями, используемыми для мерзлоты (в частности, сваи, разработанные НПО «ВНИИЗеммаш»):

1. Сваи имеют максимальную несущую способность при минимальных размерах винтовой лопасти (конструкция анкера Ø 300).

2. Не требуется бурения больших лидерных скважин, сваи погружаются в мерзлые грунты без дополнительной осевой пригрузки и при минимальном крутящем моменте. Двухступенчатая лопасть анкера позволяет снизить время на завинчивание.

3. Сваи имеют меньшую материалоемкость и простую технологию изготовления.

Рис.4 Винтовая свая без конической части для вечномерзлого грунта, разработанная ОАО «Завод Стройдормаш».

Использование данного типа винтовых свай в сочетании со стальными опорами в условиях вечномерзлых грунтов дает значительный технико-экономический эффект. Большая механическая прочность стальных опор позволяет при строительстве ВЛ обеспечивать пролеты на уровне 100 м (вместо 40-45 м для железобетонных опор), а использование винтовых свай в качестве фундаментов резко сокращает объемы строительно-монтажных работ и сроки строительства ВЛ. И хотя винтовые сваи могут быть дороже железобетонных оснований, для районов со сложными условиями строительства основную составляющую цены определяет уже не стоимость материалов, а стоимость транспортных перевозок и строительно-монтажных работ, которые напрямую зависят от физических объемов работ. В условиях Севера даже строитель- ство ЛЭП 6-10 кВ на винтовых сваях обойдется значительно дешевле традиционного способа.

Немаловажен и тот факт, что технология устройства фундаментов ЛЭП на винтовых сваях является щадящей для окружающей среды, не ухудшает экологическую обстановку. По сравнению с устройством железобетонных оснований, не требуется проводить земляные работы, что позволяет экономить на привлечении дополнительной техники. Полностью исключаются мокрые процессы, что является важным в условиях Севера. Кроме того, винтовые сваи дают возможность производить установку опор сразу же после завинчивания, что значительно сокращает сроки строительства. Имеется также возможность сооружения оснований в непосредственной близости к строениям и сооружениям.

Как мы видим, преимущества винтовых свай несомненны. Однако их массовое применение в электросетевом строительстве в прежние годы сдерживалось отсутствием специального устройства для завинчивания, легкой, маневренной и производительной машины. Разработан механизм завинчивания МВ-85, который устанавливается в качестве навесного оборудования на краны, экскаваторы и манипуляторы (рис.5).

Рис.5. Механизм вращения МВ-85

МВ-85 представляет собой альтернативу существующим установкам для погружения винтовых свай (УЗА, МЗС, АЗА и др.), основным рабочим органом которых является гидрокабестан, более, чем в 3 раза уступают МВ-85 по производительности. МВ-85 представляет собой редуктор с большим передаточным отношением и двигателем от гидромотора. На входном вале механизма установлен «патрон» для фиксации винтовой сваи и обеспечения ее свободного перемещения в процессе погружения (рис.6)

Рис.6. Механизм вращения МВ-85 с патроном для фиксации сваи

Для перемещения механизма вращения МВ-85 и сваи за точку погружения и для выполнения работ по завинчиванию свай, при необходимости выполнения и подъемно-транспортных работ могут применяться краны-манипуляторы (рис.7).

Рис.7 Механизм вращения МВ-85 на кране-манипуляторе

Для случаев, когда необходимо бурения лидерных скважин под винтовые сваи или выполнение других видов буровых работ, конструкторской службой завода Стройдормаш предложено комплексное решение – универсальная бурильная машина УБМ-85 (рис.8), которая может выполнять шнековое бурение и завинчивание свай.

Рис.8. Универсальная бурильная машина УБМ-85

Применение установки УБМ-85 позволяет в полной мере реализовать все преимущества технологии устройства фундаментов на винтовых сваях в строительстве воздушных линий электропередачи и обеспечить высокую технико-экономическую эффективность этого способа строительства.

Коллектив "ГК "Антей" выражает особую благодарность ОАО «Стройдормаш» - за предоставленную информацию о ранних разработках в области строительства фундаментов на Винтовых Сваях.