oprogramowanie
56
Inżynieria Bezwykopowa
październik - grudzień 2006
oprogramowanie
D
obierając optymalną dla danego przedsięwzię-
cia bezwykopową metodę instalacji lub wymiany
infrastruktury podziemnej, wykonawca projektu
może skorzystać z szeregu rozwiązań. Obecnie istnieje ponad
20 metod bezwykopowej budowy instalacji oraz co najmniej
7 sposobów renowacji wnętrza rury, spośród których wszyst-
kie mają jedyne w swoim rodzaju zalety i ograniczenia. Aby
ułatwić podejmowanie trafnych decyzji, Podkomitet Techno-
logii Bezwykopowych, należący do NUCA (National Utility
Contractors Association – Narodowego Stowarzyszenia Wyko-
nawców Infrastruktury), zdecydował się zlecić Centrum Tech-
nologii Bezwykopowych (CTG) opracowanie systemu wspo-
magającego dobór metody bezwykopowej.
Zadanie CTB polegało na przygotowaniu oprogramowania
umożliwiającego inżynierom szacowanie wykonalności róż-
norodnych projektów otwarto- i bezwykopowych oraz dobór
najlepszej dla danego obiektu metody bezwykopowej budowy
bądź jego renowacji. Program ten, nazwany TAG (Trenchless
Assessment Guide), został zaprojektowany jako kompatybilny
z oprogramowaniem Microsoft Windows XP i Windows 2000.
TAG uwzględnia zbiór danych wykonawczych, dotyczących
29 różnych metod bezwykopowych powszechnie wykorzysty-
wanych w budowie obiektów podziemnych. Podstawowym
założeniem tego projektu było opracowanie i napisanie algo-
rytmu, który będzie umożliwiał:
• przeprowadzenie rzetelnej ewaluacji projektu, pozwalającej
na wczesne wyeliminowanie nie odpowiadających danemu
obiektowi metod budowy;
• ocenę ryzyka związanego z wdrożeniem każdej z dostęp-
nych alternatyw;
• dostęp do rzetelnego źródła wiedzy oraz specjalistycznego do-
radztwa w dziedzinie wykorzystania metod bezwykopowych.
Program TAG posiada wbudowane bazy danych, zawierają-
ce szczegółowe informacje o 29 metodach konstrukcyjnych,
z których 20 to metody bezwykopowe, 7 to techniki renowacji
rękawem, a 2 to metody z wykorzystaniem otwartego wykopu.
W bazie znajduje się, zilustrowany kolorowym zdjęciem, dokład-
ny opis danej metody, spodziewany wpływ na środowisko, jaki
spowoduje jej zastosowanie, oraz zakres koniecznych prac od-
krywkowych. Znajdują się tam także informacje o technicznych
możliwościach danej metody, łącznie z minimalnymi i maksy-
malnymi parametrami dla średnicy rur, długości oraz głębokości
posadowienia instalacji. Zbiór ten uzupełniono o dane dotyczą-
ce 10 rodzajów najczęściej stosowanych rur i 10 najpowszech-
niej występujących typów gruntu oraz opisano ograniczenia
w wykorzystaniu konkretnej metody związane z występowa-
niem wód podziemnych.
Prof. Erez Allouche Ph. D. P.E.
Louisiana Tech University
Rys. 1.
Przewodnik po metodach wyboru
bezwykopowych technik budowy
i wymiany podziemnych instalacji
Rys. 2.
Rys. 3.
oprogramowanie
57
Inżynieria Bezwykopowa
październik - grudzień 2006
Zebrane informacje mogą być na bieżąco aktualizowane
i poszerzane. Użytkownik z łatwością może uzupełniać bazę
o dane na temat nowej metody lub materiałów, z jakich mogą
być wykonane np. rury bądź też aktualizować informacje
na temat już istniejących metod (uwzględniając ich rozwój
i innowacyjne usprawnienia). Dzięki takiemu skonstruowa-
niu bazy, można się spodziewać, że dla wielu wykonawców
oprogramowanie TAG stanowić będzie użyteczne i istotne
narzędzie przy podejmowaniu decyzji. Rys. 1 przedstawia
przykładowy wyciąg z bazy danych TAG dla przecisków.
Ocena techniczna danego projektu zaczyna się od zde-
finiowania typu problemu, z jakim użytkownik ma do czy-
nienia. Przyjęło się uważać, że wszelkie problemy związane
z obiektami podziemnymi można opisać na dwa sposoby:
jako problemy strukturalne lub wydajnościowe. Projektanci
TAG, chcąc usprawnić i przyspieszyć proces doboru opty-
malnej metody, wbudowali w program zestaw interaktyw-
nych pytań, który pozwala na stopniowe wyeliminowanie
poszczególnych metod konstrukcyjnych. Kolejnym krokiem
wyceny technicznej jest wprowadzenie do programu atry-
butów technicznych projektu i spodziewanych warunków
na miejscu budowy. Wymaga to wprowadzenia informacji
o (Rys. 2):
1. Długości planowanego przewiertu (należy uwzględnić także
pożądany poziom dokładności wiercenia w linii i w profilu);
2. Średnicy rury (użytkownik wybiera jeden lub więcej mate-
riałów z listy najpowszechniej używanych);
3. Głębokości instalacji /pokrycia/ (użytkownik identyfiku-
je trzy typy gruntu, które przeważają na terenie plano-
wanego projektu i określa procentowo ich występowa-
nie w całości gruntu in-situ wzdłuż trasy planowanego
przewiertu. Na tym etapie wprowadza się dane o stopniu
opadania lub przemieszczania istniejącego rurociągu,
pożądanej wielkości powiększenia średnicy i materiale,
z jakiego jest wykonana);
4. Poziomie wody gruntowej (użytkownik definiuje skalę, na
jaką może być prowadzony wykop, co umożliwia wyeli-
minowanie metod wykopowych już na samym początku
procesu).
Następnym krokiem po ewaluacji technicznej jest ocena ry-
zyka związanego z stosowaniem metod, które zostały uznane
za najbardziej odpowiednie dla projektu. W tym celu roz-
waża się cztery różne kategorie pośrednich i bezpośrednich
czynników ryzyka. W programie TAG stopień ryzyka przed-
stawiany jest za pomocą wskaźnika prawdopodobieństwa
niepożądanych komplikacji, powstałych w wyniku czynni-
ków ryzyka uwzględnionych w modelu.
Pierwsza kategoria to parametry instalacji: długość od-
cinka, średnica rury i grubość pokrywy. Na tym etapie
konkretne wartości zdefiniowane dla danego projektu
porównywane są do ograniczeń, jakie niesie każda z po-
zostałych metod. Wynik, przedstawiony w procentach,
określa się jako poziom ryzyka. Druga kategoria obli-
czania ryzyka to ocena kompatybilności wybranej me-
tody budowy z panującymi warunkami geologicznymi.
Dzieli się je na 10 kategorii, zależnie od typu gruntu,
określanego ze względu na ilość cykli sondy standardo-
wej potrzebnych do zagłębienia jej w gruncie na jednost-
kę długości (według ASTM 1452). TAG dzieli warunki
geologiczne na następujące typy: miękkie grunty spo-
iste (N<5), zbite grunty spoiste (5<N<15), sztywno-twar-
de grunty spoiste (N>15), luźne grunty lessowe (N<10),
średnie spoiste grunty lessowe ( 10<N<30), gęste grunty
lessowe (N>30), żwir, otoczaki i/lub głazy, piaskowiec
i skała. Spójność każdej z metod konstrukcyjnych z typa-
mi gruntu jest w bazie danych określany odpowiednimi
oznaczeniami:
• w pełni kompatybilne (Y);
• możliwie kompatybilne (P);
• niekompatybilne (N).
Jeśli warunki geologiczne zostaną określone jako połącze-
nie (Y) i (P) z wybraną metodą konstrukcji, wtedy metodę tę
określa się jako „dopuszczalną” i w zależności od długości trasy
uwzględnia się ryzyko na poziomie od bardzo niskiego do bar-
dzo wysokiego. Trzecia kategoria określania ryzyka oparta na
Indeksie SET (Specifications, Experience, Track Record) polega
na uwzględnieniu dostępności szczegółowej dokumentacji, do-
świadczeniu przy wykorzystaniu danej metody oraz zapisu jej
przebiegu. Klasyfikacja ryzyka za pomocą Indeksu SET opiera
się na sumie punktacji dla każdego z trzech parametrów, które
oblicza się na podstawie wartości wybranej przez użytkowni-
ka i przedstawia na skali od minimalnej wartości 3 do maksy-
malnej – 9. Ostatnia kategoria ryzyka uwzględnia dostępność
miejsca prowadzenia projektu oraz jego wpływ na środowi-
sko. Każda z metod ma przyznaną wartość ryzyka związaną
z potencjalnym wpływem na środowisko, opartą na tenden-
cji do osiadania i podnoszenia się (uszkodzenie nawierzchni,
chodników, sąsiadujących obiektów i fundamentów), korozji,
konieczności wycinania drzew i roślinności, stworzenia tym-
czasowego zagrożenia dla zdrowia i życia (otwarty wykop)
oraz przenikania płynów wiertniczych na powierzchnię.
Tych sześć wymienionych wyżej czynników ryzyka wykorzy-
stuje się następnie do obliczenia wskaźnika IRAIN (Initial Risk
Analysis Index Number). Jest to możliwe dzięki przyznaniu
przez użytkownika każdemu z czynników wartości od 0 do
100. Zebrane wielkości pozwalają wyliczyć wskaźnik IRAIN.
oprogramowanie
58
Inżynieria Bezwykopowa
październik - grudzień 2006
oprogramowanie
Ostateczny krok polega na dostosowaniu wartości IRAIN do po-
ziomu dostępności terenu projektu. Użytkownik musi wybrać
opis najbliżej odpowiadający jego projektowi. Dostępność te-
renu rozpatruje się razem z ryzykiem, ponieważ pozwala ona
określić sposób odzyskiwania sprzętu straconego w trakcie wy-
konania projektu w razie niepowodzenia wykonawczego. Jeśli
nie ma możliwości odzyskania sprzętu, ogólna wartość ryzyka
przypisywana całemu projektowi automatycznie wzrasta. Wskaź-
nik IRAIN stanowi ostateczną ocenę ryzyka przedstawianą przez
program dla każdej z technicznie wykonalnych metod. Finalne
wyniki ewaluacji technicznej, procesu klasyfikacji i analizy ryzy-
ka, prezentowane są w formie przedstawionej na rys. 3.
Oczywiście, dane dotyczące ryzyka są względne i zależą od po-
dejścia użytkownika do zagadnienia oraz szczegółowych parame-
trów projektu. Dzięki temu może on w pełni świadomie podjąć
decyzję o doborze najlepszej metody dla konkretnego projektu.
Uprawomocnienie tego typu modelu to ważny aspekt opra-
cowania narzędzia decyzyjnego. Legalizacja TAG została prze-
prowadzona poprzez porównanie wyników jego ewaluacji do
metod wybranych przez grupę doświadczonych inżynierów,
zastosowanych według dostępnych danych technicznych w re-
lacji do rzeczywistych projektów komunalnych. Analiza objęła
nie tylko te realizacje, przy wykonaniu których wykorzystano
optymalne metody konstrukcyjne, ale także projekty, w któ-
rych błędnie dobrano metody, czym spowodowano trudności
w procesie wykonawczym i w późniejszej eksploatacji. Analiza
przypadku w tab. 1 przedstawia tło projektu i informacje tech-
niczne konieczne dla zastosowania modelu i umożliwiające
porównanie wskazówek uzyskanych w programie z wnioska-
mi z metody rzeczywiście użytej w projekcie. Projekt opisany
w tabeli to Southside Sewer Relief Program – przedsięwzięcie
polegające na modernizacji systemu kanalizacji w Edmonton
w Kanadzie we wczesnych latach 90-tych.
Instalacja, której szczegóły przedstawiono w tabeli, wykona-
na została w październiku 1992 r. w dzielnicy West Millwood
w południowo-zachodniej mieszkaniowej części miasta. Istniejący
rurociąg kamionkowy o średnicy 2000 mm przestał odpowiadać
wymaganiom technicznym rejonu, co prowadziło do częstych
cofnięć i zalewania budynków. Inspekcja TV wykazała ponadto,
że rura miała wiele pęknięć i uszkodzeń, co powodowało infil-
trację ścieków do gleby. Należało wybrać metodę, która najle-
piej sprawdziłaby się przy modernizacji rurociągu. Inwestor miał
możliwość instalacji drugiej, równoległej rury dla zwiększenia
przepustowości kanalizacji (metodą wykopu otwartego lub jedną
z metod bezwykopowych). Alternatywną opcją była renowacja
rury rękawem przy jednoczesnym jej zwiększeniu dla popra-
wienia przepływu. Obydwie możliwości mogą być rozpatrzone
za pomocą programu TAG. Najodpowiedniejsze metody zostają
określone dzięki obliczeniu ryzyka związanego z projektem. Do-
kładne dane dotyczące projektu pokazano w tab. 1.
Dane zawarte w tabeli zostały wprowadzone do programu TAG
i zestawione z pięcioma metodami, które uznano za technicznie od-
powiadające warunkom projektu. Do instalacji nowej linii rurociągu
wybrano dwie metody, zaś do renowacji wykładziną – trzy. Każdą
z nich, razem ze związanym z nimi ryzykiem, zestawiono w tab. 2.
TAG, ze względu na długość odcinka, określa wykop otwarty
jako metodę o niższym przewidywalnym ryzyku przy instalacji
dodatkowego równoległego rurociągu, niż gdyby ten sam pro-
jekt prowadzono za pomocą wiercenia sterowanego. Wierce-
nie sterowane można prowadzić jedynie na długości maksimum
90 m, czyli wielkości bliskiej omawianemu przypadkowi. Z dru-
giej strony, metoda otwartego wykopu może być trudniejsza, jeśli
weźmiemy pod uwagę podnoszenie się wód gruntowych i ko-
nieczność odbudowania naruszonej powierzchni po zakończeniu
projektu. Również głębokość, na jakiej osadzony jest rurociąg,
znacznie utrudnia technicznie przeprowadzenie otwartego wyko-
pu. Tym samym, jeśli pod uwagę weźmiemy stopień zagrożenia
dla środowiska i czynnik głębokości, a dane te potraktujemy jako
główne wskaźniki ryzyka, wyniki wyniosą odpowiednio: 2,65 dla
wiercenia sterowanego i 3,26 dla wykopu otwartego. Oznacza to,
że w omawianym przypadku metoda bezwykopowa będzie prefe-
rowanym rozwiązaniem. Do wykonania renowacji rękawem roz-
patrzono trzy metody. Berstliningowi hydraulicznemu i pneuma-
tycznemu przyznano podobną wartość ryzyka. Z danych zawartych
w tab. 2 wynika, że zastosowanie inlinera zostało ocenione jako mniej
ryzykowne niż budowa drugiej linii. Do podobnych wniosków do-
szli także kanadyjscy inżynierowie, którzy do renowacji w praktyce
z powodzeniem wykorzystali pneumatyczne wciskanie rury.
TAG jest w pełni skomputeryzowanym oprogramowaniem do
oceniania różnych metod konstrukcji i instalacji oraz naprawy lub
wymiany infrastruktury i obiektów podziemnych. Dzięki wykorzy-
staniu obszernej wbudowanej bazy danych, w sposób praktyczny
i przyjazny użytkownikowi ogranicza ilość informacji koniecz-
nych do wprowadzenia do programu. Interaktywny zestaw pytań,
z przykładowymi odpowiedziami do wyboru, ułatwia pracę z pro-
gramem osobom o niewielkiej wiedzy i doświadczeniu z metoda-
mi bezwykopowymi. Analiza przypadków udowadnia, że TAG jest
wiarygodnym i użytecznym narzędziem, stanowiącym dla inżynie-
ra pomoc w wyborze optymalnej metody konstrukcji.
Długość
85 m
Głębokośc
6,5 m
Głębokość GWT
4,26 m
Średnica rury zewnętrznej
2000 mm
Materiał rury zewnętrznej
kamionka
Średnica nowej rury
3000 mm
Materiał nowej rury
PVC i HDPE
Dokładność trasy przewiertu
5 – bardzo wysoka
Dokładność profilu
4 - wysoka
Typ gleby 1
Zbita glina (50%)
Typ gleby 2
Średni piasek (30%)
Typ gleby 3
Żwir (20%)
Nadmierne osiadanie
nie
Zwiększanie rury > 2.5 rozmiaru
nie
Dopuszczalny stopień drążenia
Ciągłe drążenie
Dostępność terenu
Średnia dostępność (teren
mieszkalny)
Nowe metody instalacji
Wartość ryzyka
Otwarty wykop
2.24
Pilot Tubing
2.78
Metody wymiany rękawem
Wartość ryzyka
Pneumatyczne
1.85
Hudrauliczne
1.85
Statyczne
2.24
Tab. 1.
Tab. 2.