Pijpdoorpersmachine: hoe het werkt, wanneer u het moet gebruiken en waar u op moet letten

Wat een pijpdoorpersmachine eigenlijk doet

Een pijpdoorpersmachine is een sleufloos bouwsysteem dat ondergrondse pijpleidingen installeert door tegelijkertijd door de grond te boren en geprefabriceerde pijpdelen vanuit een lanceerput op maaiveldniveau in de uitgegraven tunnel te duwen. De machine snijdt aan de voorkant van de boring, terwijl hydraulische vijzels die aan de achterkant van de pijpenreeks zijn geplaatst, de voorwaartse kracht uitoefenen die nodig is om zowel de snijkop als de groeiende pijpenreeks door de grond te bewegen. Het resultaat is een volledig beklede pijpleiding die op diepte wordt geïnstalleerd, zonder dat er een doorlopende open sleuf langs het pijpleidingtraject hoeft te worden gegraven.

Deze methode – in sommige contexten ook wel pijpdoorpersen, pijprammen of microtunneling genoemd wanneer deze wordt toegepast op boringen met een kleinere diameter met op afstand bestuurbare geleiding – is een van de belangrijkste technieken in de ondergrondse utiliteitsbouw geworden. Het wordt gebruikt voor het installeren van zwaartekrachtrioolleidingen, watertransmissieleidingen, gasdistributielijnen, telecommunicatiekanalen en duikers onder wegen, spoorwegen, rivieren, start- en landingsbanen en bebouwde stedelijke gebieden waar open uitgraven onpraktisch, schadelijk of verboden zou zijn door infrastructuurbeheerders en planningsautoriteiten.

De pijpdoorpersmachine zelf is het snij- en geleidingssysteem aan de voorkant van het bedrijf: het onderdeel dat de boordiameter, bodemcompatibiliteit, lijn- en hellingnauwkeurigheid en vlakondersteuningsvermogen bepaalt. Al het andere bij het doorpersen van pijpen – het opvijzelframe, de drukring, tussenliggende opvijzelstations, het smeersysteem en de opstelling voor het verwijderen van grond – wordt geconfigureerd rond de vereisten van de machine en de specifieke bodemomstandigheden die zich tijdens het project voordoen.

De kerncomponenten van een pijpdoorperssysteem

Een compleet pijpdoorperssysteem is meer dan alleen de snijmachine. Het is een geïntegreerd samenstel van mechanische, hydraulische en geleidingssystemen die allemaal op betrouwbare wijze moeten samenwerken om de operatie veilig en online te laten verlopen. Door de rol van elk onderdeel te begrijpen, kunnen aannemers en projectingenieurs betere beslissingen nemen over de apparatuurselectie en anticiperen op de plaatsen waar de kans het grootst is dat zich problemen voordoen.

De snijkop en het schild

De snijkop is het meest voorwaartse element van de pijp doorpersmachine , ontworpen om de grond af te graven en deze via de pijpleidingboring voor verwijdering aan te bieden. Het ontwerp van de snijkop varieert aanzienlijk, afhankelijk van de bodemgesteldheid. In zachte grond - klei, slib, zand en grind - wordt doorgaans een roterende schijf of spaakpatroonsnijkop met bodemconditionerende poorten gebruikt, vaak in combinatie met bentoniet- of polymeerinjectie om het oppervlak te stabiliseren en wrijving te verminderen. In gemengde grond of gesteente zijn robuustere snijkoppen uitgerust met schijfmessen, sleepbeitels of hardmetalen knopfrezen nodig om het materiaal af te breken en te verwijderen. De snijkop is ondergebracht in een stalen schild dat grondsteun biedt aan het tunnelvlak en het structurele lichaam van de machine vormt.

Het krikframe en de stuwcilinders

Het hoofdvijzelframe wordt in de lanceerput achter de pijpenstreng geïnstalleerd en levert de primaire stuwkracht die de machine en de pijpen door de grond voortbeweegt. Het bestaat uit een zwaar stalen reactieframe dat tegen de achterwand van de put is verankerd, voorzien van hydraulische cilinders - doorgaans twee tot vier rammen met een groot kaliber - die tegen een drukring of drukkraag rusten die tegen de achterkant van de laatste pijp in de reeks zit. De vijzelkrachten bij het doorpersen van pijpen zijn aanzienlijk: microtunnelingaandrijvingen met een kleine diameter kunnen 50-200 ton stuwkracht vereisen, terwijl aandrijvingen met een grote diameter in moeilijke grond met lange pijpstrengen stuwkrachten kunnen vergen van meer dan 1.000 tot 3.000 ton. Het opvijzelframe moet geschikt zijn om deze krachten veilig te kunnen leveren en moet de juiste afmetingen hebben voor de buisdiameter en de verwachte grondweerstand van de specifieke aandrijving.

Systeem voor het verwijderen van afval

Tijdens het vijzelen moet het uitgegraven materiaal voortdurend via de pijpleidingboring van het tunnelvlak worden verwijderd. De methode voor het verwijderen van specie is een van de belangrijkste variabelen die de typen pijpdoorpersmachines onderscheidt. Mestschermmachines maken gebruik van een bentoniet-slurrycircuit onder druk om het maaisel hydraulisch op te hangen en door een slurryleiding naar een oppervlaktescheidingsinstallatie te transporteren, waar de vaste stoffen worden afgezogen en de gereinigde slurry wordt gerecirculeerd. Gronddrukbalansmachines mengen de uitgegraven grond met conditioneringsmiddelen om een ​​geplastificeerde massa te creëren die vervolgens wordt geëxtraheerd door een Archimedische schroeftransporteur door de pijpleidingboring naar de lanceerput. Handmatig uitgraven met handgereedschap en het verwijderen van containers wordt nog steeds gebruikt bij aandrijvingen met een grotere diameter, waar de toegang van werknemers praktisch is en de bodemgesteldheid stabiel genoeg is om dit mogelijk te maken.

Begeleidings- en stuursysteem

Het is van cruciaal belang dat de lijn- en hellingsnauwkeurigheid gedurende de hele rit behouden blijft. Pijpleidingen die niet goed uitgelijnd zijn, veroorzaken hydraulische gradiëntproblemen in zwaartekrachtriolen, spanning op de verbindingen in drukleidingen en potentiële botsingen met bestaande voorzieningen. Machines voor het doorpersen van pijpen worden bestuurd door het aanpassen van de verlenging van hydraulische stuurcilinders die rond de omtrek van het schild zijn geplaatst en die de machinekop scharnieren ten opzichte van de volgende pijpstreng. Positiebewaking wordt bereikt via een lasertheodoliet die in de lanceerkuil is gemonteerd en die een straal projecteert op een doel in de machine. De afwijking van de machine ten opzichte van de straal wordt door de operator gelezen en gecorrigeerd via de stuurcilinders. Meer geavanceerde geleidingssystemen die gebruik maken van gyroscopische totaalstations of ringlasergyroscopen worden gebruikt op langere ritten of bochten waar een eenvoudige laserlijn onvoldoende is.

Soorten pijpdoorpersmachines en wanneer ze worden gebruikt

Machines voor het doorpersen van pijpen zijn niet één enkel product; ze bestaan in verschillende configuraties, elk geoptimaliseerd voor een ander bereik aan boordiameters, bodemomstandigheden en projectvereisten. Het selecteren van het juiste machinetype is de belangrijkste beslissing over apparatuur bij elk doorpersproject.

Microtunnelingmachines (MTBM)

Microtunnelingmachines zijn op afstand bediende pijpdoorperssystemen die zijn ontworpen voor boordiameters die doorgaans variëren van 150 mm tot 1.200 mm, hoewel de grens met grotere systemen met bemande toegang projectspecifiek is. Het bepalende kenmerk van een microtunnelmachine is dat de machinist de tunnel niet betreedt tijdens het rijden; alle besturing, monitoring en machinebediening worden beheerd vanuit een bedieningscabine aan de oppervlakte via een navelstrengverbinding. Deze mogelijkheid voor bediening op afstand maakt microtunneling geschikt voor boringen met een kleine diameter waar toegang voor werknemers fysiek onmogelijk is en voor elke bodemgesteldheid waar toegang aan het oppervlak een onaanvaardbaar veiligheidsrisico met zich meebrengt. Microtunnelingmachines zijn meestal systemen van het mesttype, waarbij hydraulisch snij- en mesttransport zorgt voor continue ondersteuning van het oppervlak en efficiënte verwijdering van grond in zachte en gemengde grond.

Machines voor het opkrikken van gronddrukbalanspijpen

Earth Pressure Balance (EPB) pijpdoorpersmachines gebruiken de uitgegraven grond zelf – geconditioneerd met water, schuim of polymeer om een werkbare plasticiteit te bereiken – als het primaire gezichtsondersteuningsmedium. Een drukschot achter de snijkop handhaaft een gecontroleerde gronddruk tegen het tunnelvlak, waarbij de afvoersnelheid van de schroeftransporteur in evenwicht is met de voortbewegingssnelheid om de vlakdruk binnen een doelbereik te houden. EPB-machines zijn bijzonder effectief in samenhangende en gemengde bodems, drassige zandgronden en stedelijke omgevingen waar bodemzetting tot een minimum moet worden beperkt. Ze kunnen een breed scala aan diameters aan, van ongeveer 600 mm tot enkele meters, en zijn verkrijgbaar in configuraties met zowel op afstand bediende als bemande toegang, afhankelijk van de boringgrootte.

Drijfmestschild-pijpoppersmachines

Mestschermmachines ondersteunen het tunnelvlak met behulp van bentonietslurry onder druk en verwijderen het maaisel hydraulisch via een gesloten mestcircuit. Ze blinken uit in verzadigde korrelige bodems – stromend zand, grind en doorlatende alluviale afzettingen – waar EPB-conditionering moeilijk is en waar het handhaven van de gezichtsdruk van cruciaal belang is om uitbarstingen of zettingen te voorkomen. De mestscheidingsinstallatie die aan de oppervlakte nodig is, is een belangrijk logistiek element bij projecten van het drijfmesttype: deze neemt een aanzienlijk terreinoppervlak in beslag, vereist een zorgvuldig beheer van de eigenschappen van het mestmengsel en genereert een afvoerstroom van door filtergeperste mestkoek die als afvalmateriaal moet worden beheerd. Ondanks deze complexiteit zijn mestschildmachines vaak de enige haalbare technologie voor watervoerende korrelige grond op aanzienlijke diepte.

Machines voor het doorkrikken van rotspijpen

In rotsformaties zijn standaard grondsnijkoppen niet effectief en zijn gespecialiseerde steensnijmachines vereist. Deze machines zijn uitgerust met full-face schijfsnijders – in principe vergelijkbaar met een TBM (tunnelboormachine) – die hoge puntbelastingen uitoefenen op de rotswand om deze in spanen te breken. Vervolgens worden de spanen uit de boring gespoeld of getransporteerd. Rotsvijzelmachines moeten worden afgestemd op de druksterkte, abrasiviteit en breukkarakteristieken van de specifieke rotsformatie: zachte sedimentaire gesteenten zoals krijt of moddersteen kunnen worden gehanteerd door versterkte sleepbitkoppen, terwijl harde stollingsgesteenten of metamorfe gesteenten met UCS-waarden boven 100 MPa full-face schijffrezen in hardere staalsoorten vereisen. Freesslijtage in abrasief gesteente is een belangrijke kostenpost en moet vanaf het begin in de projectbudgetten worden meegenomen.

Bodemomstandigheden en hun impact op de machineselectie

Geen enkel type pijpdoorpersmachine presteert goed onder alle bodemomstandigheden. Het geotechnisch onderzoek – boorgaten, proefputten, laboratoriumonderzoek van grondmonsters en monitoring van de grondwaterstand – is de essentiële basis waarop elke beslissing over de machineselectie moet worden gebaseerd. Het specificeren van de verkeerde machine voor de bodemomstandigheden is een van de meest voorkomende oorzaken van het mislukken van projecten voor het doorpersen van pijpen, wat leidt tot vastzittende machines, uitbarstingen, buitensporige zettingen of het volledig verlaten van de aandrijving.

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de algemene relatie tussen de bodemgesteldheid en de juiste typen pijpdoorpersmachines:

Het beheren van de opvijzelkrachten en het gebruik van tussenliggende opvijzelstations

Naarmate de pijpstreng tijdens het rijden langer wordt, stapelt de wrijving die op het buitenoppervlak van de pijpen inwerkt zich op en neemt de totale vijzelkracht die nodig is om het systeem vooruit te bewegen progressief toe. Bij korte ritten op gunstige grond is deze opbouw beheersbaar binnen de capaciteit van het hoofdkrikframe alleen. Bij langere aandrijvingen - vooral die van meer dan 100-150 meter, of kortere aandrijvingen op schurende grond of grond met hoge wrijving - kan de geaccumuleerde huidwrijving het stuwvermogen van het hoofdframe en het structurele draagvermogen van de pijpverbindingen overschrijden. Dit is waar tussenliggende vijzelstations essentieel worden.

Een tussenvijzelstation (IJS) is een korte stalen cilinder uitgerust met een eigen set hydraulische cilinders, die tijdens de rit op vooraf bepaalde intervallen in de pijpstreng worden geïnstalleerd. Wanneer de vijzelkracht zijn limiet nadert, worden de IJS-rammen geactiveerd om het voorste deel van de pijpenstreng onafhankelijk te duwen, terwijl de hoofdvijzels worden gereset. Door de pijpstreng in segmenten te verdelen en de IJS-units opeenvolgend te activeren, wordt de maximale kracht die op een individuele pijpverbinding wordt uitgeoefend binnen veilige structurele grenzen gehouden, en kan de aandrijving veel verder gaan dan wat het hoofdvijzelframe alleen zou kunnen bereiken. Goed ontworpen projecten voor het doorpersen van pijpen op lange aandrijvingen specificeren vooraf de IJS-posities op basis van berekende wrijvingsbelastingen, waarbij extra posities vooraf worden gepland voor het geval de bodemgesteldheid slechter is dan verwacht.

Smering van het grensvlak tussen pijp en grond met behulp van bentonietslurry of polymeergel geïnjecteerd via poorten in de pijpwand is de andere primaire strategie voor het beheersen van de vijzelkrachten. Een effectief smeerprogramma kan de wrijving tussen de buiswand en de huid met 50-80% verminderen in vergelijking met ongesmeerde aandrijvingen, waardoor de haalbare aandrijflengte dramatisch wordt vergroot en het aantal benodigde IJS-eenheden wordt verminderd. De smering moet gedurende de gehele aandrijving continu worden gehandhaafd; als deze afbreekt of door de omringende grond wordt geabsorbeerd, neemt de wrijving snel toe en kan dit ertoe leiden dat de pijpstreng vastloopt.

Pijpmaterialen gebruikt bij het doorpersen van pijpen

De pijpsecties die door een pijpvijzelmachine door de grond worden geduwd, moeten gedurende hun hele levensduur bestand zijn tegen zowel de langs hun as overgebrachte stuwkrachten als de externe grond- en grondwaterdrukken die op hun wanden inwerken. Niet alle buismaterialen zijn geschikt voor doorpersen, en de keuze van het buistype heeft directe gevolgen voor de boordiameter, de aandrijflengte, de toegestane doorbuiging bij verbindingen en de prestaties van de pijpleiding op de lange termijn.

• Doorpersbuis van gewapend beton: Het meest gebruikte materiaal voor riooldoorpersing in middelgrote tot grote diameters (300 mm tot 3.000 mm en groter). Betonnen doorpersbuizen worden vervaardigd volgens specifieke doorpersnormen – EN 1916 in Europa, ASTM C76 in Noord-Amerika – met geharde stalen eindringen aan elk verbindingsvlak om de doorpersbelasting gelijkmatig te verdelen en de spanningsconcentratie in de verbinding te minimaliseren. Ze bieden uitstekende duurzaamheid op de lange termijn, chemische weerstand tegen rioolgassen en concurrerende kosten bij grotere diameters.
• Greesdoorperspijp: Gebruikt in kleinere riooldiameters, doorgaans 150 mm tot 600 mm. Glaasje biedt uitzonderlijke weerstand tegen chemische aantasting door agressief rioolwater en industrieel afvalwater, waardoor het de voorkeurskeuze is voor chemisch veeleisende rioolomgevingen. De broosheid ervan in vergelijking met beton vereist een zorgvuldige behandeling en beperkt de vijzelkrachten die kunnen worden uitgeoefend.
• Stalen doorpersbuis: Gebruikt voor water- en gastransportleidingen, oliepijpleidingen en mantelbuizen met grotere diameters. Staal biedt een zeer hoge druk- en treksterkte, waardoor hoge vijzelkrachten kunnen worden uitgeoefend en het geschikt is voor lange ritten en harde grondomstandigheden. Externe corrosiebescherming – fusion-bonded epoxy, polyurethaancoating of kathodische bescherming – is essentieel voor een lange levensduur.
• GVK (glasvezelversterkt polymeer) doorpersbuis: Combineert hoge sterkte met een laag gewicht en uitstekende corrosieweerstand. GVK-doorpersbuizen worden steeds vaker gespecificeerd voor chemisch agressieve omgevingen en voor aandrijvingen waarbij het lagere buisgewicht het hanteren in besloten lanceerputten vereenvoudigt. Ze vereisen een zorgvuldig ontwerp van de verbindingen om een ​​adequate lastoverdracht onder opvijzelkrachten te garanderen.
• Polymeerbeton en HOBAS-buis: Centrifugaal gegoten glasvezelversterkte polymeermortelbuizen (CCFRPM) combineren de chemische weerstand van polymeer met de druksterkte die nodig is voor vijzeltoepassingen. Op grote schaal gebruikt in agressieve riool- en industriële drainagetoepassingen in heel Europa en in toenemende mate ook in andere markten.

Belangrijke overwegingen bij de projectplanning voordat u een pijpdoorpersmachine mobiliseert

Projecten voor het doorpersen van pijpleidingen die in het veld op ernstige problemen stuiten, hebben zelden pech; ze zijn bijna altijd het resultaat van een inadequate planning, onvoldoende grondonderzoek of onrealistische aannames die tijdens het ontwerp zijn gemaakt. De volgende planningselementen verdienen zorgvuldige aandacht voordat een pijpdoorpersmachine naar de locatie wordt gemobiliseerd.

• Reikwijdte en kwaliteit geotechnisch onderzoek: De boorgaten moeten op een afstand van elkaar worden geplaatst die past bij de bodemvariabiliteit van de locatie – doorgaans niet meer dan 50 meter langs de uitlijning voor stedelijke projecten – en moeten zich uitstrekken tot ten minste 3 buisdiameters onder het omgekeerde niveau van de voorgestelde boring. Laboratoriumtests moeten de deeltjesgrootteverdeling, plasticiteitsindex, ongedraineerde schuifsterkte, onbeperkte druksterkte voor gesteente en grondwaterchemie omvatten waarbij corrosie van pijpen of machineonderdelen een probleem is.
• Onderzoek bestaande diensten: Voordat de uitlijning van de aandrijving wordt afgerond, moet er een volledig onderzoek van de nutsvoorzieningen worden uitgevoerd met behulp van grondradar, elektromagnetische locatiebepaling en een beoordeling van alle beschikbare gegevens van nutsvoorzieningen. Een onopgemerkt nutsbedrijf dat een actief boorgat oversteekt, kan catastrofale gevolgen hebben: stakingen van gasleidingen, hoogspanningskabels of waterleidingen in de buurt van een actieve oprit behoren tot de ernstigste risico's bij het bouwen zonder sleuf in de stad.
• Ontwerp van lanceer- en ontvangstputten: De lanceerkuil moet groot genoeg zijn om plaats te bieden aan het vijzelframe, de pijphanteringsapparatuur en het systeem voor het verwijderen van afval, en om veilige werktoegang voor de bemanning te bieden. De minimale putafmetingen worden bepaald door de buisdiameter, machinelengte en vijzelslag. De put moet op adequate wijze worden geschraagd en ontwaterd, en de achterste stuwwand moet structureel in staat zijn de maximaal verwachte opvijzelkracht te weerstaan ​​zonder beweging of falen.
• Lengte en kromming van de aandrijving: Elk machinetype en elke buismateriaalcombinatie heeft een maximaal haalbare aandrijflengte, waarboven vijzelkrachten of buisverbindingsspanningen onbeheersbaar worden. Op soortgelijke wijze zijn gebogen uitlijningen mogelijk, maar deze introduceren extra complexiteit in de geleiding en verhogen de buigbelastingen van pijpverbindingen. Aandrijvingen langer dan ongeveer 150 meter of met horizontale of verticale bochten moeten worden beoordeeld door een gespecialiseerde sleufloze ingenieur voordat de machineselectie wordt afgerond.
• Monitoring van de afwikkeling en risicobeoordeling: Voor opritten onder gevoelige constructies – spoorwegen, historische gebouwen, landhoofden van bruggen of operationele industriële faciliteiten – moet een monitoringprogramma voor nederzettingen worden opgesteld met behulp van oppervlakteonderzoeksmonumenten, nauwkeurige nivellering en kantelmeters op gevoelige constructies voordat de rit begint. Trigger- en actieniveaus voor aanpassing van machineparameters of opschorting van de aandrijving moeten vooraf worden overeengekomen met de betrokken infrastructuureigenaren.

Veelvoorkomende problemen tijdens het doorpersen van pijpen en hoe ervaren aannemers hiermee omgaan

Zelfs goed geplande pijpvijzelaandrijvingen ondervinden problemen. De bodemgesteldheid komt zelden exact overeen met de boorgatgegevens, machineonderdelen slijten of werken niet goed, en onverwachte obstakels zijn een realiteit bij stedelijke ondergrondse constructies. Het verschil tussen een project dat herstelt van deze gebeurtenissen en een project dat resulteert in een vastgelopen machine of een afgebroken rit komt meestal neer op de ervaring van de bemanning en de noodmaatregelen die in het projectplan zijn ingebouwd.

Obstakels aan de tunnelwand

Rotsblokken, kasseien, oude metselwerkfunderingen, houten palen en buiten gebruik gestelde nutsvoorzieningen behoren tot de meest voorkomende onverwachte obstakels die men tegenkomt tijdens het doorpersen van pijpen in stedelijke gebieden. Bij aandrijvingen met een diameter met bemande ingang kunnen werknemers soms obstakels doorbreken met handgereedschap of pneumatische brekers onder de bescherming van het schild. In kleinere microtunnelingdiameters waar toegang niet mogelijk is, omvatten de opties voor onvoorziene gebeurtenissen interventietoegang vanaf een uitbraakuitgraving boven de oprit, aan het oppervlak geboorde jetgrouting of harsinjectie om de grond rond het obstakel te stabiliseren, of in extreme gevallen, het verlaten van de oprit en het bergen van de machine uit een nieuwe put vóór de verstopping.

Overmatige opbouw van krikkracht

Wanneer de vijzelkrachten sneller toenemen dan verwacht, moet de eerste reactie altijd het beoordelen en optimaliseren van het smeerprogramma zijn: het injectievolume en de frequentie verhogen, controleren of de smeerpoorten niet geblokkeerd zijn en verifiëren dat de ringvormige ruimte rond de pijpen voldoende gevuld is. Als de smeringsoptimalisatie de krachttoename niet stopt, is het eerder dan gepland activeren van tussenkrikstations de volgende stap. Het forceren van een vastzittende aandrijving door maximale stuwkracht toe te passen is zelden productief en riskeert schade aan de pijpverbinding, defecten aan machineonderdelen of het optillen van het oppervlak. Door de aandrijving te pauzeren en de grond rond de pijpenreeks enigszins te laten ontspannen – gecombineerd met intensievere smering – wordt vaak meer vooruitgang geboekt dan met voortdurend forceren.

Off-line afwijking

Geleidingsafwijkingen die vroegtijdig worden opgemerkt, zijn beheersbaar: de stuurcilinders kunnen de koers van de machine over de volgende verschillende pijplengtes geleidelijk corrigeren zonder onaanvaardbare verbindingshoeken te creëren. Afwijkingen die onopgemerkt blijven totdat ze groot zijn, zijn veel moeilijker te herstellen en kunnen resulteren in leidingverbindingsspanning, oppervlaktezetting op een onbedoelde locatie of potentieel conflict met bestaande voorzieningen. De beste verdediging tegen afwijkingsproblemen is een rigoureus monitoringregime – het lezen en vastleggen van de richtpositie na elke leidinginstallatie, niet alleen aan het begin van elke dienst – en een duidelijk actieprotocol voor welke stuurcorrecties worden toegepast bij welke afwijkingsgrootte.