Zapobieganie zapadliskom nawierzchni ulicznych spowodowanym awariami przewodów kanalizacyjnych

Zapadanie się nawierzchni ulicznych ma istotny wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Awarie nawierzchni ulicznych często spowodowane są uszkodzeniami sieci infrastruktury podziemnej. W przypadku, gdy rurociągi, np. przewody wodociągowe [5], przepusty drogowe czy przewody kanalizacyjne [12] znajdujące się pod nawierzchnią ulegną awarii, mogą stanowić poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa ruchu drogowego. Największe zagrożenie zapadania się nawierzchni ulicznych stwarzają stare przewody, wybudowane z dawnych rur betonowych i kamionkowych [13, 14], o długim okresie eksploatacji. Również nowe przewody kanalizacyjne, wykonane z rur z tworzyw sztucznych [4], na skutek utraty stateczności (wyboczenie), mogą powodować osiadanie nawierzchni, a w konsekwencji jej uszkodzenie. Także ponadnormatywne ugięcia rur z tworzyw sztucznych [2], na przykład przewodów odwadniających wykonanych z rur PE-HD stosowanych przy budowie autostrad w USA (około 20% badanych rur miało ugięcia przekraczające dopuszczalną wartość ugięć wynoszącą w Ameryce Północnej 5%) zagrażały zapadnięciem się nawierzchni ulicznych

1. Uwagi wstępne

Awarie infrastruktury podziemnej, w tym przewodów kanalizacyjnych znajdujących się pod drogami, mogą prowadzić do występowania dużych zapadlisk. Najniebezpieczniejsze zawalenia nawierzchni ulicznych są spowodowane awarią kanałów ściekowych, które znajdują się głębiej niż pozostałe przewody podziemne i mają większe przekroje poprzeczne, szczególnie wtedy, gdy są to wielkowymiarowe kolektory kanalizacyjne. Zapadnięcia nawierzchni ulicznych są przyczyną zapadania się także samochodów i ludzi, którzy odnoszą przy tym różnego rodzaju obrażenia, a niekiedy nawet giną.

Poniżej, na podstawie dokonanej przez autorkę analizy ponad 100 przypadków zapadnięć nawierzchni ulicznych, spowodowanych uszkodzonymi lub nieszczelnymi kanałami ściekowymi, które wystąpiły w różnych krajach, zaprezentowano podział tych zapadnięć na sześć kategorii. Sformułowano także zalecenia, mające na celu zapobieżenie występowaniu zapadnięć nawierzchni ulicznych spowodowanych uszkodzeniami, w tym głównie nieszczelnościami przewodów kanalizacyjnych.

2. Proponowane kategorie awarii nawierzchni ulicznych spowodowane uszkodzeniami przewodów kanalizacyjnych

Zaproponowana kategoryzacja awarii nawierzchni ulicznych spowodowanych uszkodzonymi lub nieszczelnymi przewodami kanalizacyjnymi [8] opiera się na analizie ponad 100 zarejestrowanych przypadków zapadnięć nawierzchni ulicznych.

Zaproponowano dwa podstawowe kryteria:

– kryterium liczby wypadków śmiertelnych spowodowanych zapadnięciem się nawierzchni ulicznej,

– kryterium wielkości powierzchni uszkodzonej nawierzchni ulicznej.

Zapadnięcia nawierzchni ulicznych można również sklasyfikować w zależności od głębokości powstałego zapadliska, czy np. kosztu niezbędnych prac towarzyszących przywróceniu stanu nawierzchni i otaczającego jej sąsiedztwa z okresu przed wystąpieniem awarii, ale także z uwzględnieniem innych kosztów, np. kosztów naprawy uszkodzonych pojazdów, kabli energetycznych, kabli telekomunikacyjnych i innych uszkodzonych przewodów.

W tab. 1 przedstawiono zaproponowaną kategoryzację zapadnięć nawierzchni ulicznych dla kryterium liczby ofiar śmiertelnych, podając przykłady niektórych awarii nawierzchni ulicznych, a na rys. 1 pokazano trzy różne zapadnięcia nawierzchni ulicznych, począwszy od najmniejszego do bardzo poważnego.

3. Sposoby zapobiegania zapadnięciom nawierzchni drogowych spowodowanych awariami sieci kanalizacyjnych

3.1 Badania CCTV przewodów kanalizacyjnych

Kontrole stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych są skutecznym sposobem na ograniczenie ich awarii, a tym samym ograniczenie liczby zapadnięć nawierzchni ulicznych lub spowodowania, że będą one miały mniej poważne konsekwencje. Podstawowym i najczęściej stosowanym badaniem stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych jest metoda CCTV (ang. Closed-Circut Television). Badanie [10, 16, 17] wykonywane jest za pomocą kamer kanalizacyjnych przejezdnych wnętrzem kanałów, zdalnie sterowanych, wyposażonych bardzo często w głowicę obrotową (rys. 2), a niekiedy także w kamerę satelicką. Takie zestawy kamerowe są najbardziej rozpowszechnione i najczęściej stosowane.

Wiodący wkład w rozwój wiedzy dotyczącej badań przewodów kanalizacyjnych z zastosowaniem techniki CCTV oraz oceny ich stanu technicznego [10] wniosła Politechnika Świętokrzyska, w której badania te prowadzone są od roku 1991 do chwili obecnej.

W trakcie inspekcji kanału za pomocą techniki CCTV, oprócz obserwacji wizualnych, można prowadzić dodatkowe pomiary, takie jak:

– pomiar spadków,

– pomiar deformacji profilu kanału,

– pomiar wielkości uszkodzeń np. szczelin czy ubytków.

Najnowsze zestawy badawcze wyposażane są w kamery satelickie, umożliwiające w trakcie badania przewodu kanalizacyjnego także zbadanie podłączonych do niego przykanalików. Stosowane są również kamery skanujące wnętrza przewodów kanalizacyjnych.

W zdecydowanej większości przypadków brak jest możliwości dokonania dokładnej oceny bezpieczeństwa konstrukcji przewodów kanalizacyjnych wyłącznie w oparciu o wyniki ich badań techniką CCTV. Kamera kanalizacyjna pokazuje jedynie wnętrze kanału. Badanie kanału powszechnie stosowanymi kamerami CCTV nie dostarcza badającemu informacji o parametrach geometrycznych kanału, w tym grubości jego powłoki konstrukcyjnej, rodzaju złączy rur (dotyczy to głównie rur betonowych – czy jest złącze kielichowe, na styk czy na zakład), szczelności złączy rur w przypadku gdy zwierciadło wody gruntowej znajduje się poniżej dna kanału, rodzaju zastosowanego uszczelnienia na złączu (uszczelka gumowa czy np. sznur konopny z bitumem), o stanie technicznym zewnętrznej powłoki rur (która może być znacząco skorodowana), o sposobie posadowienia kanału (rodzaju podłoża – gruntowe czy betonowe oraz kącie posadowienia kanału na podłożu gruntowym), o rodzaju i parametrach gruntu otaczającego kanał, w tym o możliwości występowania pustek powietrznych lub rozluźnień gruntu na zewnątrz konstrukcji kanałowej.

Mimo to, bardzo często stosowane są badania CCTV, głównie dlatego, iż pozwalają one m.in. wykryć stany awaryjne lub przedawaryjne konstrukcji kanałowych oraz występowanie wad i nieprawidłowości typu hydrauliczno-eksploatacyjnego, takich jak osady denne, przerosty korzeni drzew wrastające do wnętrza kanału, rozsunięcia złączy rur, występowanie nieprawidłowego spadku podłużnego, nieprawidłowego podłączenia przykanalików do kanału, czy występowanie zjawiska infiltracji wód gruntowych do wnętrza kanału.

Badanie kanału techniką video umożliwia jego hydrauliczno-eksploatacyjną ocenę, a tylko w pewnych nielicznych przypadkach, gdy obserwuje się poważne uszkodzenia konstrukcyjne (pęknięcia, pęknięcia z przemieszczeniem spękanych fragmentów rur itp.) ocenę bezpieczeństwa jego konstrukcji. W przypadku braku uszkodzeń ewidentnie potwierdzających utratę nośności przez przewody kanalizacyjne nie można na podstawie badań CCTV dokonać oceny ich bezpieczeństwa konstrukcyjnego. Pomocne w zakresie pozyskania dodatkowych informacji o stanie technicznym przewodów kanalizacyjnych mogą być inne badania uzupełniające tę wiedzę lub wykonywanie ekspertyz konstrukcyjnych.

3.2 Inne badania przewodów kanalizacyjnych

Inne badania przewodów kanalizacyjnych można ująć w następujących grupach:

– metody elektromagnetyczne (np. przy użyciu georadarów przejeżdżających wnętrzem przewodów),

– metody akustyczne (np. z użyciem sonarów),

– metody ultradźwiękowe (np. Seismic Pulse Echo).

Większość tych metod została zaprezentowana w pracy E. Kuliczkowskiej w Technologii Wody nr 5/2015 [11]. Ważnym badaniem jest badanie szczelności przewodów kanalizacyjnych, szczególnie w przypadku, gdy zwierciadło wody gruntowej jest poniżej dna kanału. Można badać całe odcinki między kolejnymi studniami kanalizacyjnymi, poszczególne złącza rur, a także szczelność studni kanalizacyjnych. W badaniu szczelności przewodów kanalizacyjnych może być przydatna także metoda elektroskanowania (rys. 3) [3, 6].

Kolejnym przydatnym badaniem jest wykrywanie ewentualnych pustek powietrznych w gruncie spoistym wokół nieszczelnej konstrukcji kanałowej. Pustki powietrzne wokół rur zagrażają zapadnięciem się terenu. Przejezdne georadary [7, 11] przemieszczając się wnętrzem kanału (rys. 4), wykrywają pustki powietrzne. Posiadają one kamerę inspekcyjną, a także mogą mierzyć grubość ścian kanału, wykrywać wady w materiale konstrukcji oraz ustalać grubość otuliny zbrojenia.

W przypadkach, gdy zestaw kamerowy jest wyposażony w georadar, sonar czy laser, badanie przewodu kanalizacyjnego może umożliwić podczas jednego badania pozyskanie wielu istotnych dodatkowych informacji o stanie technicznym przewodów kanalizacyjnych, takich jak grubość ścian kanału, sprawdzenie czy występują pustki powietrzne w gruncie po zewnętrznej stronie kanału oraz czy przewód kanalizacyjny jest szczelny.

Aktualnie wprowadzono już do stosowania kamery kanalizacyjne z sonarem (określającym m.in. lokalizację i ilość osadu), laserem 3D (umożliwiającym uzyskanie dokładnego kształtu powierzchni rury), a także miernikiem stężenia H2S i temperatury ścieków. Niektóre z oferowanych kamer, oprócz sonaru, wyposażone są w urządzenie do ultraakustycznego określania grubości rur i dodatkowo posiadają opcję inspekcji falami elektromagnetycznymi, szczególnie przydatną przy badaniu kanałów wykonanych z rur z betonu sprężonego [11]. Opisane wyżej rozwiązania wskazują na wyraźnie obserwowany trend łączenia funkcji tradycyjnej kamery przejezdnej z innymi urządzeniami diagnostycznymi.

W chwili obecnej najtrudniejsza jest ocena stanu technicznego kanałów wykonanych z rur z betonu sprężonego. Z uwagi na specyfikę konstrukcyjną tych rur, w celu uzyskania ich pełnej diagnostyki wymagane jest zastosowanie aż czterech różnych technik badawczych, aby zrekompensować ograniczenia badawcze każdej z nich. Są to kolejno: wykrywanie akustyczne nieszczelności, system oceny wzrokowo-dźwiękowej, badanie elektromagnetyczne i metoda uderzeń/echo.

3.3 Ekspertyzy konstrukcyjne przewodów kanalizacyjnych

Ekspertyzy konstrukcyjne przewodów kanalizacyjnych są najbardziej kosztowne z uwagi na fakt, iż są one możliwe po wykonaniu określonych badań dopiero po odkopaniu kanału (rys. 5).

Konieczne jest wtedy wykonanie pomiarów geometrycznych kanału, badań parametrów materiałowych i wytrzymałościowych jego konstrukcji, wykonywanych najczęściej metodami nieniszczącymi oraz dokonanie oceny sposobu posadowienia kanału w gruncie. W przypadku kanałów żelbetowych istotne jest ustalenie rodzaju zastosowanych prętów zbrojeniowych (rodzaj stali, średnica prętów), odległości rozmieszczenia prętów zbrojeniowych oraz grubości otuliny zbrojenia. Wskazane jest także sprawdzenie szczelności złączy rur oraz sposobu ich uszczelnienia.

Istotne dla dokonania oceny bezpieczeństwa konstrukcji kanałowych są także geotechniczne badania gruntu wokół kanału. Badania te umożliwiają określenie rodzaju gruntu zasypowego oraz stopnia jego zagęszczenia. Wielkości te są niezbędne do ustalenia obciążeń oddziałujących na konstrukcję kanałową. Następnie należy wykonać obliczenia statyczno-wytrzymałościowe uwzględniając wpływy reologiczne, jakie zaszły w gruncie po wbudowaniu kanału. Realizacja tych obliczeń opisana jest o m.in. w pracy A. Kuliczkowskiego [15]. Obliczenia statyczno-wytrzymałościowe umożliwiają określenie współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego badanego kanału. Wykonywanie ekspertyz wskazane jest szczególnie w przypadku dużych kolektorów kanalizacyjnych, gdy nieznane są parametry materiałowo-wytrzymałościowe rur oraz sposób ich posadowienia na dnie wykopu, a także wtedy, gdy nie jest znana grubość ścian kanału, oraz to czy kanał jest szczelny. Ekspertyza konstrukcyjna zalecana jest także w przypadku modernizacji nawierzchni ulicznej oraz w innych sytuacjach powodujących zwiększenie się obciążeń oddziałujących na przewód kanalizacyjny. Wynik ekspertyzy konstrukcyjnej umożliwia podjęcie decyzji o doborze odpowiednich metod bezwykopowej odnowy przewodów kanalizacyjnych.

3.4 Bezwykopowa odnowa przewodów kanalizacyjnych

W przypadku stwierdzenia, w wyniku przeprowadzonych badań, uszkodzeń zagrażających bezpieczeństwu konstrukcyjnemu rur kanalizacyjnych lub wykrycia w nim nieszczelności, przewody kanalizacyjne należy poddać rehabilitacji, stosując metody wykopowe lub bezwykopowe, szczegółowo opisane m.in. przez A. Kuliczkowskiego oraz D. Steina [17, 18]. Metody te można ująć w sześciu grupach:

– bezwykopowe uszczelnianie (np. metody Penetryn, Posatryn, Seal-i-Tryn, Weco lub Amex),

– bezwykopowe naprawy (np. systemy Point-Liner, Quick Lock, Snap-Lock i Link-Pipe oraz różne roboty naprawcze),

– bezwykopowe wymiany (np. statyczny, hydrauliczny lub pneumatyczny Berstlining, Hydros lub Pipe Replacer),

– bezwykopowa rehabilitacja niekonstrukcyjna (powłoki cementowe lub poliuretanowe, cienkościenne powłoki z PE-HD, PP, PVC lub GRP, Rib Loc, Trolining i inne, cienkościenne powłoki CIPP),

– bezwykopowe rehabilitacje częściowo konstrukcyjne (np. częściowo konstrukcyjne powłoki CIPP, krótki lub długi relining za pomocą częściowo konstrukcyjnych rur PE-HD, PVC, PP, GRP lub innych),

– bezwykopowe rehabilitacje konstrukcyjne (w pełni konstrukcyjne metody CIPP, krótki lub długi relining za pomocą rur PE-HD, PVC, PP, GRP lub innych rur).

Dzięki zastosowaniu wyżej wymienionych metod – pod warunkiem poprawnego ich doboru – możliwa jest dalsza bezpieczna eksploatacja przewodów kanalizacyjnych przez różne okresy, w zależności od rodzaju materiałów zastosowanych w odnawianych powłokach, a tym samym zapobieżenie zapadaniu się nawierzchni ulicznych.

4. Uwagi końcowe

W niniejszym artykule zaproponowano podział zapadnięć nawierzchni ulicznych na sześć kategorii: nieistotne, marginalne, znaczne, poważne, bardzo poważne i katastrofalne, dla dwóch kryteriów, na podstawie analizy 100 przypadków, spowodowanych awariami przewodów kanalizacyjnych, które wystąpiły w różnych krajach.

Wszystkie analizowane zapadliska nawierzchni ulicznych były spowodowane niewykrytymi odpowiednio wcześniej uszkodzeniami przewodów kanalizacyjnych. Stąd też, niezwykle ważne jest zapobieganie wystąpieniu tychże awarii poprzez okresowe kontrolowanie stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych. Jednak kontrole CCTV nie zawsze są wystarczające. Często konieczne jest ich uzupełnienie badaniami szczelności przewodów, a także innymi badaniami wyżej opisanymi. Szczególnie ważne są ekspertyzy konstrukcyjne przewodów kanalizacyjnych, umożliwiające dokładne ustalenie współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur.

Przewody kanalizacyjne stwarzające zagrożenie zapadaniem się nawierzchni ulicznych należy wymienić, stosując metody wykopowe lub zastosować technologie bezwykopowej odnowy.

5. Literatura

[1] Ekes C., Neducza B., Krause R., Lee R.: Applications of pipe penetrating radar for advanced pipe condition assessments – Clark Regional Wastewater District (WA) Case Study, in Proc of the 24th International Conference “No-Dig 2014”, North American Society for Trenchless Technology, 2014, April 13-17, Orlando, Florida, USA, Paper MM-T1-02, 1-8.
[2] Gassman S., Schroeder A., Ray R.: Field performance of high density polyethylene culvert pipe. Journal of Transportation Engineering, 2005, 131(2), 160-167.
[3] Hansen Ch.: Quantification on the elimination of infiltration from pre – and post – rehabilitation, in Proc of the 32th International Conference “No-Dig 2014”, International Society for Trenchless Technology, October 13-15, 2014, Madrid, Spain, Paper 6A-2, 1-10.
[4] Kuliczkowska E., Gierczak M.: Buckling failure numerical analysis of HDPE pipes used for the trenchless rehabilitation of a reinforced concrete sewer, Engineering Failure Analysis, 2013, 32, 106-112.
[5] Kuliczkowska E., Kotwica K.: Konsekwencje awarii przewodów wodociągowych na wybranych przykładach. Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne, 3, 2017, s. 86-88.
[6] Kuliczkowska E., Mogielski K.: Diagnostyka stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych z zastosowaniem metody elektro-skanowania. INSTAL. Teoria i praktyka w instalacjach, 2014, nr 1, s. 37-41.
[7] Kuliczkowska E., Nadstawna E.: Diagnostyka przewodów kanalizacyjnych georadarami przemieszczającymi się w ich wnętrzu. INSTAL Teoria i praktyka w instalacjach, 2012, 2, s. 64-64.
[8] Kuliczkowska E.: An analysis of road pavement collapses and traffic safety hazards resulting from leaky sewers, The Baltic Journal of Road and Bridge Engineering, 2016, 11 (4), 251-258.
[9] Kuliczkowska E.: Katalog zdjęć własnych oraz zdjęć, na publikację których otrzymano zgodę, Kielce, 2019.
[10] Kuliczkowska E.: Kryteria planowania bezwykopowej odnowy nieprzełazowych przewodów kanalizacyjnych, monografia nr 42, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, 2008.
[11] Kuliczkowska E.: Metody oceny stanu technicznego i rehabilitacji magistral wodociągowych wykonanych z rur z betonu sprężonego, Technologia Wody, 2014, 5, 22-28.
[12] Kuliczkowska E.: The interaction between road traffic safety and the condition of sewers laid under roads, Transportation Research Part D, 48, 2016, 203–213.
[13] Kuliczkowska E.: Wyniki badań betonowych przewodów kanalizacyjnych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2007, nr 10, s. 23-30.
[14] Kuliczkowska E.: Wyniki badań kamionkowych przewodów kanalizacyjnych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2008, nr 12, s. 10-16.
[15] Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne, t.2, Projektowanie konstrukcji, monografia nr. 42, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, 2004.
[16] Madryas C., Przybyła B.; Wysocki L.: Badania i ocena stanu technicznego przewodów kanalizacyjnych, Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław 2010.
[17] Praca zbiorowa pod redakcją Andrzeja Kuliczkowskiego: Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.
[18] Stein D.: Instandhaltung von Kanalisation, 3th edition, Ernst & Sohn, A Wiley Company, Berlin 1999.

Emilia Kuliczkowska
Politechnika Świętokrzyska,
Wydział Inżynierii
Środowiska, Geomatyki
i Energetyki

Źródło: Forum Eksploatatora 2/2019