Bezwykopowe technologie budowy i odnowy sieci wod-kan a emisja CO2

W ostatnich latach coraz większą wagę przywiązuje się do redukcji emisji dwutlenku węgla do atmosfery. Do znaczącej redukcji CO₂ może doprowadzić stosowanie – zamiast tradycyjnych technologii wykopowych – technologii bezwykopowych, zarówno przy budowie, jak i odnowie (naprawach, renowacjach, rekonstrukcjach i wymianach) przewodów infrastruktury podziemnej. Z dotychczasowych analiz wynika, że technologie bezwykopowe, co rzadko zdarza się w technice, są w większości przypadków bardziej efektywne kosztowo od technologii wykopowych, będąc jednocześnie szczególnie korzystnymi dla środowiska. Jest to kolejny argument za ich powszechniejszym stosowaniem.

Technologie wykopowe

Budowa nowych przewodów infrastruktury podziemnej metodą tradycyjną w wykopie stwarza wiele uciążliwości, opisanych m.in. w publikacjach [4, 7], a zilustrowanych na rys. 1, 2, 3, 4, 5, 6. Jednak czynnikiem niebranym dotychczas pod uwagę w analizie zalet technologii bezwykopowych jest problem emisji CO₂, występującej w trakcie stosowania technologii wykopowych. Technologie bezwykopowe  przyczyniają się bowiem do bardzo znaczącego zmniejszenia emisji CO₂ do atmosfery.

Technologie bezwykopowe

Technologie bezwykopowej budowy (m.in. mikrotunelowanie, przeciski hydrauliczne, przewierty sterowane, przeciski pneumatyczne itd.) i odnowy (naprawy, uszczelnienia, renowacje, rekonstrukcje i wymiany) stosowane są coraz powszechniej dzięki ich licznym zaletom technicznym oraz wysokiej efektywności  ekonomicznej. W wyniku stosowania technologii bezwykopowych unika się szeregu niekorzystnych czynników specyficznych dla technologii wykopowych. Technologie bezwykopowej budowy umożliwiają budowę przewodów infrastruktury podziemnej na długich odcinkach, np. przy metodzie przewiertu sterowanego na odcinkach o długości nawet ponad 3 km. Z kolei liczne technologie bezwykopowej odnowy przewodów infrastruktury podziemnej umożliwiają każdorazowo dobór odpowiednich technologii ich odnowy, co przyczynia się do dalszej wieloletniej i bezpiecznej eksploatacji.

Najnowsze technologie bezwykopowej budowy i odnowy przewodów infrastruktury podziemnej zostały szczegółowo opisane w publikacji [7]. W niniejszej analizie dotyczącej redukcji emisji CO₂ uwzględniono następujące technologie:

• bezwykopowej budowy metodą przewiertu sterowanego (HDD),
• bezwykopowej renowacji lub rekonstrukcji, wykonywanej jako tzw. długi Relining,
• bezwykopowej renowacji lub rekonstrukcji utwardzanymi in situ powłokami żywicznymi,
• bezwykopowej wymiany Pipebursting.

Opis analizowanych technologii

Technologia przewiertu sterowanego (rys. 7) polega na wykonaniu otworu pilotowego, a następnie, o ile istnieje taka potrzeba, jego rozwierceniu za pomocą rozwiertaka do wymaganej średnicy umożliwiającej od drugiej strony wywierconego otworu wciągnięcie do niego nowej rury (fot. 1). Sterowanie ma miejsce tylko w pierwszej fazie, tj. wykonywania otworu pilotowego. W zależności od średnicy wbudowywanego rurociągu stosowane są wiertnice małe (do o 200 mm), średnie (do o 500 mm) i duże (do o 1200 mm).

Technologię długiego Reliningu można wykonywać w wersji renowacyjnej (cienkiej powłoki) lub rekonstrukcyjnej (grubszej powłoki zastępującej pod względem  nośności istniejący przewód). Jest ona stosowana dla dowolnego zakresu średnic, najczęściej z użyciem rur polietylenowych lub innych, np. stalowych czy z żeliwa sferoidalnego. Pokazane na fot. 2 rury po ich zgrzaniu ze sobą na powierzchni terenu  są wciągane do wnętrza istniejącego kanału, a wolna przestrzeń międzyrurowa wypełniana jest najczęściej zaprawą cementową.

Technologia bezwykopowej wymiany przewodów Pipebursting polega na wprowadzeniu do istniejącego przewodu specjalnie skonstruowanej głowicy (na rys. 8 głowicy hydraulicznej), która przemieszczając się wzdłuż przewodu (rys. 8 – ciągnięta łańcuchem w kierunku wciągarki hydraulicznej), niszczy stary przewód, np. krusząc go. Zniszczone fragmenty przewodu są rozpychane na zewnątrz w kierunku gruntu, a bezpośrednio za głowicą wprowadzane są w miejsce zniszczonego przewodu nowe rury o tej samej lub większej średnicy.

Technologie Pipebursting stosowane są najczęściej dla średnic niszczonych przewodów 50–1000 mm. Umożliwiają często także powiększenie istniejącego przekroju, np. z 250 do 500 mm w przypadku opisywanej wersji Expandit. Technologia utwardzanych powłok żywicznych, nazywana w skrócie CIPP (od cured-in-place-pipe), jest obecnie najczęściej stosowaną technologią bezwykopowej renowacji i rekonstrukcji przewodów infrastruktury podziemnej. Polega na wprowadzeniu do odnawianego przewodu zaimpregnowanej żywicą powłoki z materiału tekstylnego (fot. 3 i 4), którą wypełnia się np. wodą lub sprężonym powietrzem, aby ściśle przylegała do ścianki odnawianego przewodu, a następnie utwardza się poprzez recyrkulację gorącej wody, pary wodnej lub naświetlanie promieniami ultrafioletowymi.

Technologie utwardzanych powłok żywicznych różnią się obecnie bardzo wieloma czynnikami, w tym m.in.:

• rodzajem materiałów tekstylnych nasączanych żywicami,
• rodzajem żywic stosowanych do nasączania materiałów tekstylnych,
• rodzajem folii ochronnych,
• sposobami nasączania powłok żywicznych,
• sposobami instalacji powłok nasączonych żywicami,
• sposobami utwardzania powłok żywicznych,
• innymi czynnikami, takimi jak np. zakres średnic stosowanych powłok, maksymalne długości jednorazowo instalowanych powłok czy parametry wytrzymałościowe utwardzanych powłok.

Technologię utwardzanych powłok żywicznych stosuje się w zakresie średnic 50–300 mm, dla dowolnych przekrojów poprzecznych, np. także jajowych czy prostokątnych, zarówno dla przewodów grawitacyjnych, jak i ciśnieniowych.

Redukcja emisji CO2 przy stosowaniu technologii bezwykopowych

W publikacji [1] zamieszczono informację o opracowanym w USA kalkulatorze emisji CO₂, który umożliwia ocenę „oszczędności” w zakresie emisji dwutlenku węgla przy stosowaniu technologii bezwykopowych. Opisywany kalkulator zaprojektowano do analizy typowych liniowych projektów z zastosowaniem przewodów o średnicach równych lub większych od 50 mm. Można dzięki niemu szacować ilość emitowanego CO₂, która pojawi się podczas stosowania tradycyjnej technologii wykopowej i czterech rodzajów technologii bezwykopowych opisanych wcześniej.

Technologie te ujęto w trzech grupach, biorąc pod uwagę ilość CO₂, która jest emitowana przy ich stosowaniu. Opracowaną metodę po raz pierwszy przetestowano na przykładzie instalacji rurociągu o długości 305 m i średnicy 300 mm, ułożonego pod nawierzchnią asfaltową. W obliczeniach uwzględniono grubość nawierzchni asfaltowej, głębokość zasypki i parametry podłoża. W analizowanym przykładzie odwadnianie nie było konieczne. Dzienne natężenie ruchu pojazdów oszacowano na 10 tys. pojazdów, po wcześniejszej sześciodniowej kontroli ruchu. Określono czasy przejazdu pojazdów od miejsca budowy do fabryki produkującej asfalt, zakładając, że usunięty asfalt ulegnie recyklingowi lub zostanie przetransportowany na wysypisko, oraz czasy przejazdu od miejsca, skąd nowe materiały są transportowane, na miejsce budowy, a także wiele innych parametrów.

W opisywanej metodyce uwzględnia się emisję CO₂ dla tradycyjnej metody wykopowej, dla ruchu ulicznego uwzględniającego pojazdy budowlane, maszyny, urządzenia i różne materiały (asfalt, żużel, materiały do wypełniania), określając ostatecznie całkowitą emisję CO₂. W analizowanym przykładzie okazało się, że przy zastosowaniu tradycyjnej metody wykopowej emisja CO₂ do atmosfery wyniesie 708,4 ton. Natomiast analiza technologii bezwykopowych wykazała znaczące redukcje emisji CO₂ do atmosfery, podane w tab. 1.

Analizując podany przykład, należy zwrócić uwagę na fakt, że dotyczy on niewielkiej inwestycji. Można się zatem w przypadku większych projektów spodziewać zdecydowanie wyższych redukcji emisji CO2.

Redukcja emisji CO2 przy zastosowaniu technologii utwardzanych powłok żywicznych

Analizy redukcji emisji CO2 dokonano także na przykładzie technologii z grupy utwardzanych in situ powłok żywicznych o nazwie starline [7, 8]. Jest ona stosowana w bezwykopowej odnowie przewodów wodociągowych i gazowych o średnicach dochodzących do 600 mm i ciśnieniach do 4 MPa. Jednorazowo może być zastosowana na odcinkach o długości do 500 m. W zależności od rodzaju zastosowanej tkaniny powłoka może bez powstawania fałd pokonywać łuki o kącie dochodzącym do 90°.

Analizowany przykład dotyczył bezwykopowej odnowy silnie skorodowanej magistrali wodociągowej DN 500 w Berlinie, wykonanej w 1926 r. [8] z rur z żeliwa szarego. Trasa rurociągu o długości 520 m przebiegała wzdłuż budynków szkolnych, a następnie czterech boisk sportowych. Jego lokalizacja sprawiła, że szukano technologii szybkiej w realizacji, którą zastosowano by w czasie przerwy wakacyjnej. Biorąc pod uwagę lokalne warunki, w tym istniejącą na rurociągu armaturę, odnowę wykonano na dwóch odcinkach o długościach 220 i 300 m, łącznie przy pięciu wykopach.

Stosując technologię bezwykopową zamiast wykopowej, uzyskano wielokrotnie krótszy czas realizacji i znaczące oszczędności kosztów, ponosząc jedynie 50–60% kosztów, które okazałyby się niezbędne przy zastosowaniu tradycyjnej technologii wykopowej. Uzyskano także wiele innych korzystnych efektów ekologicznych. Dokonano także analizy stopnia redukcji CO2 do atmosfery wynikającego z zastosowania technologii bezwykopowej. W porównaniu z tradycyjną metodą wykopową ilość robót ziemnych zmniejszyła się w analizowanym przykładzie do ok. 3%. Biorąc pod uwagę wyłącznie transport wywożonej przez ciężarówki ziemi, obliczono, że zastosowanie technologii bezwykopowej zredukowało emisję CO2 do atmosfery o 27,9 ton.

Uwagi końcowe

Zainteresowanie problemem emisji CO2 przy stosowaniu technologii bezwykopowych pojawiło się niemal jednocześnie w USA i Niemczech. Przykład niemiecki dotyczy wyłącznie analizy emisji CO2 do atmosfery w trakcie wykonywania robót ziemnych, amerykański z kolei dotyczy całego procesu technologicznego. Stąd też  znacznie wyższe oszczędności dotyczące redukcji emisji CO2 uzyskane w przykładzie amerykańskim. Różnice w uzyskiwanych wartościach emisji CO2 mogą być znaczne w zależności od bardzo wielu czynników, takich jak np. głębokość wykopu i średnica rurociągu (mające wpływ na ilość robót ziemnych), fakt występowania wód gruntowych oraz rodzaj zastosowanej technologii  odwadniania wykopów, lokalizacja rurociągu (pod nawierzchnią uliczną czy w terenie zielonym), natężenie ruchu pojazdów, odległości wywożenia gruntu z wykopu.

W dotychczasowych analizach porównawczych dotyczących technologii budowy przewodów infrastruktury podziemnej [3] z zastosowaniem technologii wykopowych i bezwykopowych brano pod uwagę:

1. bezpośrednie koszty robót, np. robót ziemnych, odwodnieniowych, deskowania wykopu, zagęszczania gruntu itp.,
2. koszty wynikające ze specyfiki robót w warunkach miejskich, np. koszty zniszczenia, a następnie odtworzenia nawierzchni ulicznej, koszty budowy tymczasowych kładek i zabezpieczeń wykopów itp.,
3. koszty społeczne, w tym m.in. koszty objazdów (np. związane z dodatkowym zużyciem paliwa, stratą czasu przez podróżujących pasażerów, zwiększone koszty wypadkowości). Jak wykazała powyższa analiza dotycząca problemu redukcji emisji CO₂ do atmosfery, kolejnym ważnym argumentem za stosowaniem technologii bezwykopowych, a jednocześnie czynnikiem, który powinien być dodatkowo uwzględniany w analizach kosztowych, jest redukcja emisji CO₂ do atmosfery.

Literatura

1.  Griffin J., Carbon Calculator Determines Trenchless Benefits, informacja techniczna.
2. GSTT, Und was passiert mit dieser herrlichen Baumallee, wenn Sie hier Erdleitungen verlegen oder sanieren lassen, informacja techniczna.
3. Kuliczkowski A., Optymalizacja kolektorów kanalizacyjnych przebudowywanych w warunkach miejskich, monografia nr 12, Politechnika Wrocławska, 1988.
4. Kuliczkowski A., Zalety bezwykopowych technik budowy i odnowy sieci podziemnych, „Inżynieria Bezwykopowa” nr 1/2007.
5. Kuliczkowski A., Technologie bezwykopowe budowy i odnowy sieci podziemnych, „Rynek Instalacyjny” nr 11/2009.
6. Kuliczkowski A., Zalety technik bezwykopowych na przykładzie przewodów wodociągowych, „Przegląd Komunalny” nr 5/2009.
7. Kuliczkowski A. i in., Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
8. Mattson B., High Performance Fabric In Old Piping: Quick, Durable Restoration Of Operational Safety, informacja techniczna.
9. Tractotechnik, Grabenlose Rohrerneuerung im Berstlining-Verfahren, prospekt.
10. Tractuell, Durch Team und Technik voll ausgelastet, nr 36/2003.