Метод ГНБ: технология горизонтально-направленного бурения, особенности, преимущества и применение

Метод ГНБ — современная технология бестраншейного строительства инженерных коммуникаций, позволяющая прокладывать трубопроводы, защитные футляры и кабельные линии без вскрытия поверхности земли по всей длине трассы. Горизонтально-направленное бурение активно применяется при строительстве водопроводов, канализации, газопроводов, тепловых сетей, линий связи и электроснабжения, а также при пересечении автомобильных дорог, железнодорожных путей, рек, оврагов и других естественных либо искусственных препятствий.

Сегодня технология считается одной из наиболее эффективных в сфере подземного строительства. Она позволяет значительно сократить сроки производства работ, уменьшить объем земляных работ, сохранить существующее благоустройство территории и минимизировать влияние строительства на транспортную инфраструктуру и окружающую среду.

Метод ГНБ особенно востребован там, где разработка открытых траншей невозможна либо экономически нецелесообразна.

Что такое метод ГНБ

Аббревиатура ГНБ расшифровывается как горизонтально-направленное бурение. Иногда встречается термин «наклонно-направленное бурение», который используют как обобщенное название технологий бурения по заранее рассчитанной пространственной траектории.

Основной принцип технологии заключается в создании подземной скважины с последующим расширением до необходимого диаметра и затягиванием трубопровода либо защитного футляра. При этом поверхность практически не нарушается — достаточно устройства стартового и приемного котлованов.

Современные буровые комплексы позволяют выполнять переходы длиной более 1000 метров. Для городских инженерных сетей наиболее распространены переходы длиной от 30 до 300 метров. Диаметры прокладываемых труб обычно находятся в диапазоне от 32 до 1200 мм, хотя на крупных объектах используются трубы значительно большего диаметра.

История развития технологии

Первые практические разработки технологии появились в США в начале 1970-х годов. Именно тогда возникла необходимость прокладывать инженерные коммуникации под автомагистралями и водными объектами без остановки движения транспорта.

В Европе технология начала активно распространяться в конце 1980-х годов, а уже в 1990-х получила массовое развитие благодаря появлению компактных буровых установок, современных систем локации и высокопрочных буровых штанг.

В России горизонтально-направленное бурение стало активно применяться с середины 1990-х годов. За последние два десятилетия технология практически стала стандартом при строительстве новых инженерных сетей в городской среде. Сегодня оборудование отечественных и зарубежных производителей позволяет выполнять проекты практически любой сложности.

Где применяется технология ГНБ

Сфера применения метода постоянно расширяется. Если первоначально технология использовалась преимущественно при строительстве магистральных трубопроводов, то сегодня она успешно применяется практически во всех областях инженерного строительства.

• строительство водопроводов;
• напорной и самотечной канализации;
• газопроводов низкого, среднего и высокого давления;
• тепловых сетей;
• ливневой канализации;
• сетей связи и ВОЛС;
• силовых кабельных линий;
• футляров под инженерные коммуникации;
• нефтепроводов;
• промышленных трубопроводов.

Отдельного внимания заслуживает прокол под дорогой. Именно подобные переходы составляют значительную часть всех объектов горизонтально-направленного бурения, поскольку позволяют сохранить дорожное покрытие, не ограничивать движение транспорта и отказаться от дорогостоящего восстановления асфальта после строительства.

Основные этапы выполнения работ

Несмотря на технологическую сложность процесса, весь цикл строительства состоит из нескольких последовательных операций. Качество выполнения каждого этапа напрямую влияет на успешность всего проекта.

1. Инженерные изыскания.
2. Получение исходных данных о существующих коммуникациях.
3. Разработка проектной документации.
4. Подготовка строительной площадки.
5. Устройство стартового и приемного котлованов.
6. Пилотное бурение.
7. Контроль траектории системой локации.
8. Расширение пилотной скважины.
9. Протяжка трубы или футляра.
10. Исполнительная съемка и сдача объекта.

На протяжении всего процесса оператор постоянно контролирует положение буровой головки. Современные системы навигации позволяют определять глубину заложения, угол наклона, температуру зонда, направление движения и другие параметры с высокой точностью.

Преимущества метода перед открытым способом строительства

Главное достоинство технологии заключается в минимальном воздействии на окружающую территорию. При использовании классического траншейного способа приходится демонтировать дорожное покрытие, вывозить тысячи кубометров грунта, перекладывать временные коммуникации и затем восстанавливать благоустройство.

Метод ГНБ позволяет избежать большинства подобных работ.

• сохранение существующего дорожного покрытия;
• отсутствие масштабных земляных работ;
• сокращение сроков строительства до 30–70%;
• уменьшение количества строительной техники;
• снижение объема вывозимого грунта;
• сохранение зеленых насаждений;
• возможность работы в плотной городской застройке;
• минимальное нарушение транспортного движения;
• высокая точность прохождения трассы.

Экономический эффект особенно заметен при пересечении автомагистралей, железнодорожных путей, рек и территорий действующих предприятий, где стоимость восстановления инфраструктуры после открытой разработки грунта может многократно превышать стоимость самого строительства инженерной сети.

Какие коммуникации можно прокладывать

Современные установки горизонтально-направленного бурения позволяют выполнять строительство практически любых инженерных коммуникаций. Ограничения определяются главным образом диаметром трубопровода, характеристиками грунта и техническими возможностями выбранной буровой установки.

Почему технология становится стандартом строительства

По оценкам отраслевых специалистов, объем применения технологий бестраншейного строительства ежегодно увеличивается. Рост связан не только с развитием оборудования, но и с увеличением плотности городской застройки. Во многих случаях открытый способ строительства становится практически невозможным.

Современные буровые установки способны работать в песчаных, глинистых, суглинистых и смешанных грунтах, а при использовании специальных буровых головок и соответствующего инструмента — в плотных скальных породах. Тяговое усилие оборудования может составлять от 3–5 тонн у компактных установок до 400–600 тонн у крупнейших промышленных комплексов, используемых при строительстве магистральных трубопроводов.

Именно поэтому прокладка труб методом ГНБ сегодня рассматривается как базовая технология строительства инженерных сетей при пересечении дорог, рек, железнодорожных путей, промышленных объектов и территорий с плотной городской застройкой.

Виды установок горизонтально-направленного бурения

Одним из ключевых элементов технологии ГНБ является буровая установка. Именно от ее технических характеристик зависит максимальная длина перехода, допустимый диаметр трубопровода, производительность работ и возможность прохождения сложных грунтов. Современные установки отличаются тяговым усилием, крутящим моментом, мощностью двигателя, типом ходовой части и конструкцией гидравлической системы.

В мировой практике оборудование условно разделяют на три основные категории: малогабаритные, средние и крупногабаритные комплексы. Такое деление позволяет подобрать технику под конкретные условия строительства без неоправданных затрат.

Малогабаритные установки

Компактные машины применяются преимущественно в городской застройке, на территории жилых кварталов, коттеджных поселков и промышленных предприятий. Благодаря небольшим размерам оборудование можно разместить даже на ограниченной строительной площадке.

• тяговое усилие — от 3 до 16 тонн;
• крутящий момент — до 5000 Н·м;
• длина переходов — обычно до 150–250 метров;
• диаметр труб — до 315–400 мм.

Такие установки широко используются при строительстве водопроводов, газопроводов, кабельной канализации, линий электроснабжения и связи.

Средний класс оборудования

Наиболее востребованная категория техники. Именно такие установки составляют основу парка большинства подрядных организаций, выполняющих работы методом ГНБ.

Средние машины позволяют выполнять переходы длиной до 500–700 метров и прокладывать трубы диаметром до 800 мм. Их возможностей достаточно для строительства большинства городских инженерных сетей и промышленных коммуникаций.

Крупногабаритные буровые комплексы

Подобная техника используется при строительстве магистральных нефтепроводов, газопроводов, крупных водоводов и других объектов федерального значения. Масса отдельных установок может превышать 60–100 тонн, а тяговое усилие достигает нескольких сотен тонн.

Некоторые современные комплексы способны выполнять переходы длиной более 2000 метров, а диаметр расширения скважины может превышать 1500 мм. Развертывание подобной техники требует значительной площади, применения кранов, сварочного оборудования, смесительных комплексов и мощных насосных станций.

Основные элементы буровой установки

Несмотря на разнообразие моделей различных производителей, конструкция большинства современных комплексов имеет схожее устройство.

• силовая рама;
• каретка подачи;
• гидравлическая станция;
• дизельный двигатель;
• система вращения буровой колонны;
• станция приготовления бурового раствора;
• насос высокого давления;
• система управления;
• комплект буровых штанг.

Работа всех узлов полностью синхронизирована. Оператор одновременно контролирует тяговое усилие, скорость подачи, давление бурового раствора, частоту вращения инструмента и показания системы локации.

Пилотное бурение

Первым технологическим этапом строительства является выполнение пилотной скважины. Именно на этой стадии формируется будущая траектория трубопровода. От точности пилотного бурения зависит успешность всего проекта.

На конце первой буровой штанги устанавливается буровая головка со специальной скошенной поверхностью. Изменяя направление этой поверхности и контролируя положение зонда, оператор постепенно формирует необходимую пространственную траекторию.

Погрешность современных систем навигации обычно не превышает нескольких сантиметров, что позволяет безопасно проходить между существующими инженерными коммуникациями.

Буровые штанги

Буровые штанги представляют собой высокопрочные стальные трубы с резьбовыми соединениями. Именно через них передаются тяговое усилие, вращающий момент и буровой раствор.

Длина одной штанги обычно составляет 3–4,5 метра. По мере продвижения буровой головки оператор последовательно наращивает буровую колонну.

Современные штанги изготавливаются из легированных сталей с высокой усталостной прочностью. Они выдерживают значительные изгибающие нагрузки и многократные циклы растяжения.

Расширение пилотной скважины

После завершения пилотного прохода первоначальный диаметр скважины недостаточен для размещения трубопровода. Поэтому выполняется один или несколько этапов расширения.

В зависимости от диаметра будущей коммуникации расширение может производиться за один либо несколько проходов. Каждый следующий расширитель увеличивает диаметр скважины постепенно, снижая нагрузку на оборудование.

За один проход диаметр расширения обычно увеличивают не более чем в 1,3–1,5 раза относительно предыдущего этапа.

Основные виды расширителей

• бочкообразные;
• фрезерные;
• лопастные;
• спиральные;
• ступенчатые;
• комбинированные.

Выбор конструкции зависит от геологических условий, типа грунта и требуемого диаметра скважины.

Бентонитовый раствор и его назначение

Практически невозможно представить современный метод ГНБ без использования бурового раствора на основе бентонита. Он выполняет сразу несколько важных функций и существенно повышает надежность строительства.

Бентонит представляет собой природную глину с высоким содержанием минерала монтмориллонита. При смешивании с водой образуется вязкий гелеобразный раствор, обладающий высокой способностью удерживать твердые частицы.

Основные функции бурового раствора

• укрепление стенок скважины;
• предотвращение обрушения грунта;
• охлаждение бурового инструмента;
• смазка буровой колонны;
• снижение коэффициента трения;
• удаление разрушенной породы;
• создание гидростатического давления.

Состав раствора постоянно контролируется лабораторными приборами. Проверяется плотность, вязкость, показатель pH, содержание песка и фильтрационные свойства. При необходимости добавляются полимеры, смазочные компоненты и стабилизирующие присадки.

Система локации

Точное управление буровой головкой невозможно без применения электронной системы навигации. Внутри буровой головки устанавливается передающий зонд, который передает данные на приемник локаторщика.

Оператор получает информацию о:

• глубине бурения;
• угле наклона;
• температуре буровой головки;
• азимуте движения;
• положении режущей плоскости;
• заряде аккумулятора передатчика.

На объектах повышенной сложности дополнительно используются гироскопические системы навигации, не зависящие от электромагнитных помех. Такое оборудование применяется при прохождении под железнодорожными путями, промышленными предприятиями, мостами и территориями с высокой насыщенностью металлическими конструкциями.

Финальная протяжка трубопровода

После достижения проектного диаметра к расширителю присоединяется вертлюг и заранее подготовленная труба либо футляр. Вертлюг предотвращает передачу вращения на трубопровод во время протяжки.

Во время затягивания оператор непрерывно контролирует тяговое усилие. Если нагрузка начинает приближаться к допустимому пределу для конкретного материала трубы, скорость движения уменьшается либо процесс временно приостанавливается. Такой подход позволяет исключить повреждение трубопровода и обеспечить длительный срок его эксплуатации.

Работа методом ГНБ в различных типах грунтов

Одним из главных преимуществ горизонтально-направленного бурения считается возможность выполнять строительство инженерных коммуникаций практически в любых геологических условиях. Однако технология, параметры бурения, состав бурового раствора и применяемый инструмент существенно различаются в зависимости от характеристик грунта. Перед началом работ обязательно выполняются инженерно-геологические изыскания, позволяющие определить состав пород, уровень грунтовых вод, наличие валунов, карстовых пустот и других особенностей участка.

Полученные данные используются при проектировании траектории бурения, выборе буровой установки, расчете усилий протяжки и подборе оптимального бурового инструмента.

Песчаные грунты

Пески относятся к наиболее сложным грунтам для выполнения буровых работ. Их основная особенность — слабая устойчивость стенок скважины. При отсутствии качественного бурового раствора стенки быстро осыпаются, увеличивая сопротивление протяжке трубопровода.

Для стабилизации скважины применяются высоковязкие бентонитовые растворы с добавлением специальных полимеров. При правильно подобранном составе бурового раствора удается значительно повысить устойчивость стенок и уменьшить вероятность аварийных ситуаций.

Глинистые грунты

Глина считается одним из наиболее благоприятных грунтов для метода ГНБ. Она хорошо удерживает форму скважины и обеспечивает стабильную работу бурового инструмента. Однако при высокой влажности возможно налипание грунта на буровую головку и расширители, что требует применения специальных смазывающих добавок.

Суглинки и супеси

Наиболее распространенный тип грунтов в центральной части России. Такие породы обычно хорошо подходят для горизонтально-направленного бурения, однако при прохождении неоднородных участков оператору необходимо постоянно контролировать параметры бурения и давление бурового раствора.

Скальные породы

При прохождении известняка, гранита, базальта и других скальных пород используются специальные буровые головки с твердосплавными или алмазными режущими элементами. Скорость бурения в таких условиях существенно ниже по сравнению с мягкими грунтами, однако современные установки позволяют успешно выполнять подобные проекты.

Подготовка к выполнению работ

Подготовительный этап во многом определяет успешность реализации проекта. Чем тщательнее проведены инженерные исследования и подготовлена площадка, тем меньше вероятность возникновения внештатных ситуаций во время строительства.

До начала бурения специалисты собирают сведения обо всех существующих инженерных коммуникациях, изучают исполнительную документацию, проводят обследование территории и согласовывают производство работ с владельцами сетей.

На сложных объектах дополнительно выполняется шурфование для точного определения глубины расположения действующих коммуникаций. Такой способ позволяет практически исключить вероятность их повреждения во время бурения.

Подготовительные мероприятия

1. Получение технических условий.
2. Инженерно-геодезические изыскания.
3. Инженерно-геологические исследования.
4. Поиск существующих коммуникаций.
5. Разработка проекта производства работ.
6. Согласование с эксплуатирующими организациями.
7. Подготовка строительной площадки.
8. Устройство стартового и приемного котлованов.

Проектирование трассы бурения

Проектирование является обязательным этапом строительства. Именно на этой стадии определяется оптимальная траектория будущей скважины, глубина заложения коммуникаций, радиусы изгиба, точки входа и выхода буровой головки.

При проектировании учитываются десятки факторов:

• геологические условия;
• уровень грунтовых вод;
• характер существующей застройки;
• расположение инженерных сетей;
• тип прокладываемой трубы;
• минимальный радиус изгиба буровой колонны;
• допустимые тяговые нагрузки.

Чем длиннее переход и больше диаметр трубопровода, тем более детальными должны быть инженерные расчеты.

Минимальные радиусы изгиба

Одним из наиболее важных расчетных параметров считается радиус изгиба траектории. Слишком резкое изменение направления приводит к увеличению нагрузки на буровую колонну, росту сопротивления при протяжке трубопровода и ускоренному износу оборудования.

В большинстве случаев минимальный радиус изгиба принимается в пределах 100–150 диаметров буровой штанги либо согласно рекомендациям производителя оборудования. Для полиэтиленовых труб дополнительно учитываются требования изготовителя трубной продукции.

Типичные ошибки при выполнении ГНБ

Большинство аварийных ситуаций связано не с недостатками технологии, а с нарушением требований проектирования либо несоблюдением технологии производства работ.

• отказ от инженерно-геологических изысканий;
• неверный выбор бурового раствора;
• слишком быстрое расширение скважины;
• превышение допустимого тягового усилия;
• ошибки оператора при пилотном бурении;
• использование изношенного инструмента;
• отсутствие контроля параметров бурения.

Практика показывает, что большинство подобных проблем удается предотвратить еще на стадии подготовки проекта.

Преимущества технологии при строительстве городской инфраструктуры

В условиях современных городов метод ГНБ практически не имеет альтернатив при строительстве новых инженерных коммуникаций. Высокая плотность подземных сетей, интенсивное автомобильное движение и ограниченное пространство делают открытый способ строительства крайне затратным.

Использование горизонтально-направленного бурения позволяет выполнять работы под автомобильными дорогами, трамвайными путями, железнодорожными магистралями, реками, каналами, мостами, промышленными площадками и территориями действующих предприятий без остановки их эксплуатации.

Особенно востребована технология при реконструкции инженерных сетей, когда необходимо заменить существующий трубопровод либо построить дополнительную коммуникацию без нарушения функционирования городской инфраструктуры.

Экологические преимущества метода ГНБ

По сравнению с традиционной траншейной технологией горизонтально-направленное бурение оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду. Во время строительства сохраняется плодородный слой почвы, не повреждаются зеленые насаждения, существенно уменьшается объем извлекаемого грунта и количество строительных отходов.

Дополнительным преимуществом является снижение выбросов углекислого газа за счет уменьшения количества задействованной строительной техники, сокращения перевозок грунта и отказа от последующего восстановления дорожного покрытия. Именно поэтому технология широко применяется при строительстве объектов в природоохранных зонах, городских парках и на территориях с повышенными экологическими требованиями.

Нормативные документы, регулирующие выполнение работ методом ГНБ

Несмотря на то что горизонтально-направленное бурение является относительно современной технологией, выполнение подобных работ строго регламентируется действующими строительными нормами, сводами правил, государственными стандартами и техническими регламентами. При проектировании и строительстве инженерных коммуникаций необходимо учитывать требования сразу нескольких нормативных документов, поскольку ГНБ объединяет технологии бурения, строительства наружных инженерных сетей, геодезии, инженерных изысканий и охраны труда.

Следует учитывать, что ранее многие требования содержались в СНиП. После реформирования строительной нормативной базы большинство СНиП были актуализированы и получили статус сводов правил (СП). Однако в профессиональной среде старые обозначения до сих пор широко используются.

Основные нормативные документы

В зависимости от назначения строящегося трубопровода дополнительно применяются специализированные нормативные документы, регулирующие строительство объектов водоснабжения, газоснабжения, теплоснабжения, связи, электроснабжения и промышленного назначения.

Когда требуется членство в СРО

Одним из наиболее частых вопросов заказчиков является необходимость наличия допуска саморегулируемой организации. Следует понимать, что само по себе выполнение горизонтально-направленного бурения не всегда требует обязательного членства в СРО. Необходимость определяется положениями Градостроительного кодекса Российской Федерации, видом объекта капитального строительства и перечнем выполняемых работ.

Если подрядчик выполняет строительство объектов капитального строительства по договору строительного подряда в случаях, предусмотренных законодательством, организация должна состоять в соответствующей саморегулируемой организации.

Членство в СРО подтверждает, что подрядчик:

• имеет квалифицированных специалистов;
• соответствует требованиям законодательства;
• несет имущественную ответственность через компенсационный фонд;
• работает в соответствии с установленными строительными нормами.

Для крупных объектов инженерной инфраструктуры наличие членства в СРО является обязательным условием участия в строительстве.

Какая документация подготавливается перед началом работ

До выхода буровой установки на объект формируется комплект организационно-технической документации. Его состав зависит от сложности строительства, категории объекта и требований заказчика.

• проектная документация;
• рабочая документация;
• проект производства работ (ППР);
• исполнительная геодезическая схема;
• результаты инженерных изысканий;
• согласования с владельцами инженерных сетей;
• разрешительная документация;
• журналы производства работ.

При строительстве ответственных объектов дополнительно разрабатываются мероприятия по промышленной безопасности, охране окружающей среды и обеспечению безопасности дорожного движения.

Строительный контроль качества

Контроль осуществляется на протяжении всего производственного процесса. Проверяются как параметры бурения, так и соответствие выполняемых работ требованиям проектной документации.

Особое внимание уделяется следующим операциям:

• контроль положения пилотной скважины;
• проверка параметров бурового раствора;
• контроль сварки полиэтиленовых труб;
• измерение тягового усилия;
• контроль глубины заложения коммуникаций;
• геодезическая исполнительная съемка;
• испытания трубопровода после завершения строительства.

Современные буровые установки оснащаются электронными системами регистрации параметров работы. Благодаря этому появляется возможность анализировать усилия, скорость бурения, давление бурового раствора и другие характеристики практически в режиме реального времени.

Исполнительная документация после завершения строительства

После окончания работ подрядчик передает заказчику комплект исполнительной документации, подтверждающей соответствие построенного объекта требованиям проекта и действующих нормативов.

Как правило, в состав исполнительной документации входят:

1. исполнительные схемы;
2. акты освидетельствования скрытых работ;
3. акты испытаний трубопровода;
4. сертификаты соответствия материалов;
5. паспорта оборудования;
6. журнал производства работ;
7. исполнительная геодезическая съемка;
8. акты приемки выполненных работ.

Перспективы развития технологии

За последние двадцать лет горизонтально-направленное бурение стало одним из наиболее быстро развивающихся направлений подземного строительства. Производители оборудования ежегодно совершенствуют буровые установки, повышая их производительность, точность позиционирования и энергоэффективность.

Современные цифровые системы управления позволяют автоматически контролировать десятки рабочих параметров, а использование GPS, гироскопических навигационных комплексов и трехмерного моделирования значительно повышает точность прохождения сложных участков трассы.

Разрабатываются новые виды бурового инструмента, полимерных добавок к буровым растворам и систем автоматического приготовления бентонитовых смесей. Это позволяет выполнять переходы большей длины, уменьшать расход материалов и сокращать сроки строительства.

Заключение

Метод ГНБ заслуженно считается одной из наиболее эффективных технологий строительства инженерных коммуникаций. Он позволяет выполнять прокладку трубопроводов и кабельных линий без масштабного вскрытия поверхности, сохраняя дорожное покрытие, элементы благоустройства и природный ландшафт.

Современное оборудование дает возможность выполнять переходы длиной от нескольких десятков метров до нескольких километров, прокладывать трубопроводы диаметром свыше одного метра и работать в различных инженерно-геологических условиях. Благодаря высокой точности навигационных систем, применению качественных буровых растворов и строгому соблюдению строительных норм технология обеспечивает надежность и долговечность построенных коммуникаций.

С каждым годом область применения горизонтально-направленного бурения расширяется. Сегодня этот способ используется при строительстве объектов водоснабжения, канализации, газоснабжения, теплоснабжения, электросетевого хозяйства, связи, промышленной инфраструктуры и магистральных трубопроводов. По мере развития оборудования и совершенствования нормативной базы роль технологии в современном строительстве будет только возрастать.

Часто задаваемые вопросы

На какую длину можно выполнить переход методом ГНБ?

В городской инфраструктуре наиболее распространены переходы длиной от 30 до 300 метров. На магистральных объектах современные буровые комплексы способны выполнять переходы протяженностью более 2000 метров.

Какие трубы можно прокладывать?

Метод подходит для полиэтиленовых, стальных, стеклопластиковых, чугунных труб, защитных футляров, кабельной канализации и других инженерных коммуникаций.

Можно ли выполнять бурение зимой?

Да. При соблюдении требований к приготовлению бурового раствора, эксплуатации техники и сварке труб работы выполняются практически круглый год.

В каких случаях ГНБ применять нецелесообразно?

Технология может оказаться экономически невыгодной при очень коротких переходах, отсутствии препятствий для открытой разработки грунта либо при сложных геологических условиях, требующих применения специализированного дорогостоящего оборудования.