поддерживаются во время работы кранами или их устанавливают на неподвижных рамах.
Для уменьшения сил трения грунта по металлу трубы, которые являются главными составляющими сопротивления вдавливанию труб, диаметр скважин принимают на 50–70 мм больше диаметра прокладываемых труб. Кроме того, с этой целью иногда поверхность труб покрывают полиэтиленом, глинистыми или глинистонефтяными растворами.
Тема 6.5. Машины и оборудование для гидромеханизации земляных работ
Введение. Общие схемы разработки грунтов
Гидромеханизация – особый вид механизации земляных работ, при котором все операции процесса (разработка, транспортировка и укладка грунта) или некоторые из них выполняют с помощью воды. При этом от забоя к месту укладки подается смесь грунта и воды, называемая пульпой. Этот непрерывный процесс обеспечивает комплексную механизацию земляных работ.
Преимущества гидромеханизации земляных работ состоят в высокой производительности оборудования и труда с подачей грунта на большие расстояния, возможности разработки грунта из-под воды, естественного уплотнения укладываемого намывом грунта и в возможности разделения его на фракции. Необходимо, однако, учитывать, что производительность и стоимость гидромеханизированных земляных работ в значительной мере зависят от местных условий. Эффективность гидромеханизации понижается, когда уровень отвала оказывается выше уровня места разработки грунта, а также при высокой стоимости электроэнергии в данной местности и значительном удалении источника водоснабжения от разрабатываемого забоя Кроме того, способ гидромеханизации применим не для всех групп грунта. Плохо поддаются такой разработке грунты, содержащие большое количество камней, а также плотные глинистые.
Различают два способа гидромеханизации земляных работ – закрытый (подводный) и открытый. При закрытом способе применяют плавучие землесосные установки, снабженные всасывающей трубой, которую опускают на дно водоема. Водяным потоком, всасываемым землесосом, захватывают со дна грунтовые частицы и образовавшуюся пульпу перекачивают по трубам к месту отвала, где частицы оседают, а вода уходит из них.
При открытом способе грунт размывают гидромониторами. К ним под напором, создаваемым обычно центробежными насосами, подают воду, которая и размывает грунт, обращая его в пульпу. Пульпа стекает к месту отвала самотеком по канавам и лоткам, чаще же ее подают принудительным способом по трубам под напором, создаваемым грунтовыми насосами.
С учетом этих двух способов оборудование для механизации работ тоже подразделяют на две группы: для землесосных и для гидромониторных работ. Особую группу составляет вспомогательное оборудование.
В первую группу входят землесосные снаряды (автономные и с питанием от береговых энергетических систем), во вторую – гидромониторы, насосные и землесосные установки. Водоводы и пульповоды, а также перекачивающие землесосные установки включают в обе группы. К вспомогательному
314
оборудованию относят плавучие краны, трубоукладчики, бульдозеры, транспортные тракторы, буксирные суда и др.
Наиболее распространен в строительстве землесосный способ, которым выполняется более 95% всех гидромеханизированных работ.
Такой способ широко применяют при намыве территорий, возведении намывных сооружений и выемке котлованов в гидротехническом строительстве, для добычи и переработки песчано-гравийных материалов.
Трудоемкость работ и удельный расход электроэнергии при гидромониторном способе более высокие, чем при землесосном. Только в особо благоприятных природно-геологических условиях гидромониторный способ может дать высокие технико-экономические показатели. Размывать грунт гидромонитором можно также при погружении опускных колодцев и кессонов, что значительно увеличивает скорость их опускания.
Принципиальное устройство землесосных снарядов
Землесосный снаряд представляет собой землеройную машину непрерывного действия, предназначенную для разработки грунта в подводном забое и перемещения его к месту укладки. Это плавучий агрегат, оборудованный рядом специальных устройств (рис. 6.28). К ним относятся грунтозаборное устройство, предназначенное для непрерывного отделения грунта от массива забоя, грунтовый насос, всасывающий и перекачивающий пульпу, всасывающий пульпопровод – трубопровод, соединяющий грунтозаборное устройство с грунтовым насосом, напорный пульпопровод, предназначенный для соединения грунтового насоса с береговыми пульпопроводами.
Рис. 6.28. Схема землесосного снаряда:
1 – грунтозаборное устройство, 2 – лебедка; 3 – напорный пульпопровод, 4
– свайный ход, 5 – плавучий пульпопровод; 6 – грунтовой насос, 7 – всасывающий пульпопровод, 8 – корпус
Землесосный снаряд имеет также устройство для рабочих перемещений, обеспечивающее непрерывный контакт грунтозаборного устройства с разрабатываемым грунтом (оперативные лебедки и свайное оборудование). Силовые установки снаряда используют для приведения в действие грунтового насоса (главная машина), дизель-электрические установки – для приведения в действие механизмов рабочих перемещений, для освещения, водоснабжения и бытовых нужд.
Грунтозаборные устройства могут быть двух типов: для непосредственного
315
всасывания без предварительного разрыхления грунта и с каким-либо рыхлителем, повышающим интенсивность грунтозабора. Основной частью этого устройства является наконечник, в зев которого при работе грунтового насоса поступает вода. Скорость движения воды возрастает с приближением к зеву наконечника, достигая в его плоскости 1,5–2 м/с. Струи воды, попадающие на грунт, размывают его и увлекают во всасывающее отверстие; в грунте образуются фильтрационные потоки, увлекающие частицы грунта.
Зону, в пределах которой частицы грунта перемещаются в сторону всасывающего отверстия, называют сферой всасывания. Обычно она распространяется не более чем на 1 м от зева наконечника.
Способ непосредственного всасывания грунта из-под воды достаточно эффективен при разработке неслежавшихся песков. Поэтому грунтозаборные устройства большинства земснарядов, предназначенных для работы в плотных и связных грунтах, оснащают разрыхлителями, которые разрушают грунт непосредственно перед всасывающим отверстием. По принципу действия разрыхлители можно разделить на два класса – гидравлические и механические.
Устройство и принцип действия гидравлического рыхлителя (одного из типов) показаны на рис. 6.29. Такие разрыхлители просты по устройству и надежны в эксплуатации, однако они эффективны лишь при работе в гравелистых грунтах.
Рис. 6.29. Схема всасывающего наконечника:
1 – всасывающая труба; 2 – всасывающий патрубок. 3 –сопла, 4 – коллектор; 5 –труба для подачи воды
Для разработки связных грунтов применяют механические рыхлители (фрезерные, роторно-ковшовые, вибрационные и т. п.), наиболее распространенными типами которых являются фрезерные. При вращении они отделяют от дна водоема грунтовую стружку, увлекаемую потоком воды во всасывающую трубу. Эта труба входит внутрь фрезы, а подача грунта к всасывающему отверстию обеспечивается соответствующим наклоном ножей Конструкции фрез весьма разнообразны.
Схема фрезерного рыхлителя приведена на рис. 6.30.
316
Рис. 6.30. Схема фрезерного рыхлителя:
1 – фреза. 2 – всасывающее отверстие, 3 – всасывающая труба, 4 – ножи, 5
– ребра ступицы, 6 – направление перемещения фрезы
Фрезу укрепляют на конце вала, идущего от двигателя. Мощность двигателя рыхлителя обычно составляет 25–50% мощности, потребляемой грунтовым насосом. Скорость резания его – 1,25-1,5 м/с, что при диаметре рыхлителя 2 м соответствует частоте вращения 12–14 об/мин.
В результате движения грунтозаборного устройства, оснащенного фрезерным рыхлителем, удаляется стружка грунта, поперечное сечение которой на рис. 6.30 заштриховано. После этого землесосный снаряд подают вперед на расстояние
, а грунтозаборное устройство перемещают в обратном направлении Рыхлители вращаются в одном направлении; поэтому при перемещении их в одну сторону грунт срезается ножами снизу вверх или вподрез При обратном движении грунт срезается сверху вниз – внакат. Работа вподрез несколько эффективнее, так как при вращении фрезы разрыхлитель прижимается к дну прорези.
При работе внакат рыхлитель, при попадании на камень или участок с плотным грунтом, может приподняться и катиться по его поверхности. Вследствие этого при резании внакат производительность землесосного снаряда получается меньшая, чем в первом случае.
Водогрунтовую смесь всасывает грунтовый насос или, как его называют, землесос Он представляет собой центробежный насос, состоящий из корпуса и вращающегося в нем рабочего колеса, которое укреплено на валу двигателя Основное отличие грунтовых насосов от центробежных для перекачки чистой воды заключается в том, что их конструкция рассчитана на пропуск крупнообломочных и абразивных материалов.
Схема устройства насоса приведена на рис. 6.31. К всасывающему пульпопроводу присоединяют патрубок насоса, прикрепленный к насосу по оси рабочего колеса. Рабочее колесо состоит из лопастей и двух дисков Диск, расположенный со стороны входного патрубка, имеет отверстие, через которое пульпа поступает на лопасти крыльчатки. Второй диск оснащен ступицей, насаженной на конец вала С противоположной от всасывающего патрубка стороны корпус насоса закрывают крышкой, которую снимают лишь при осмотре или замене рабочего колеса. Сальниковое уплотнение, предотвращающее просачивание воды из насоса, находится между ступицей и задней крышкой корпуса – там, где проходит вал.
317
Рис. 6.31. Грунтовой насос:
1 – лопасти; 2 – всасывающий патрубок; 3, 5 – диски рабочего колеса; 4 – корпус; 6 – трубка для подачи воды; 7 – ступица; 8 – вал; 9 – сальниковое
уплотнение; 10 – крышка корпуса; 11 – отливной канал. Стрелками показаны направления движения пульпы
Врезультате вращения рабочего колеса пульпа, заполняющая внутреннюю полость корпуса, отбрасывается от центра насоса к концам лопастей и направляется в отливной канал. Вследствие этого в центральной части насоса образуется зона пониженного давления, в которую под влиянием атмосферного давления устремляется пульпа от всасывающего патрубка.
Внутреннюю поверхность корпуса насоса, соприкасающуюся с частицами грунта, защищают от износа прочной облицовкой из марганцовистой или хромоникелевой стали. Облицовывают также всасывающий патрубок.
Для обеспечения исправной работы грунтового насоса систематически проверяют состояние облицовки и зазоры между рабочим колесом и корпусом. Изношенные части облицовки восстанавливают или заменяют.
Размещать грунтовый насос можно на палубе землесосного снаряда или в трюме, а также на несущей конструкции грунтозаборного устройства ниже поверхности воды. Вследствие этого длина всасывающего пульпопровода, т. е. участка, расположенного между грунтозаборным устройством и грунтовым насосом, зависит от расположения последнего. Обычно грунтовые насосы размещают в трюме, вблизи уровня воды. В этом случае глубина разработки, определяемая атмосферным давлением, не превосходит 7–8 м. В последнее время широко распространены землесосные снаряды, в которых насосы расположены вблизи заборного устройства (погружные насосы). При этом у всасывающего патрубка может возникать иногда незначительное положительное давление. Это обеспечивает устойчивую работу грунтового насоса на высоких консистенциях пульпы при большой глубине разработки.
Впроцессе работы всасывающий пульпопровод с грунтозаборным устройством должен иметь возможность подниматься и опускаться, т. е. совершать рабочие движения в вертикальной плоскости, а также изменять свое положение относительно корпуса землесосного снаряда и располагаемого в нем участка напорного пульпопровода. Конструкция их соединения должна обеспечивать возможность таких движений и вместе с тем герметичность. Гибкие соединения выполняют в виде металлического шарового шарнира, а
318
иногда в виде специального резинового рукава. Шланговые резиновые соединения уменьшают гидравлические потери в пульпопроводе, монтировать их значительно проще, чем шаровые, однако последние более износоустойчивы и надежны.
Напорный пульпопровод землесосного снаряда обычно состоит из двух основных участков – внутреннего, находящегося внутри снаряда, и внешнего, плавучего, поддерживаемого на поверхности водоема с помощью поплавков, понтонов и т. п. Звенья плавучего пульпопровода соединяют между собой, а также с внутренним участком напорного пульпопровода с помощью гибких устройств, что обеспечивает всему снаряду необходимую подвижность и маневренность.
Плавучие пульпопроводы предназначают для транспортировки водогрунтовых смесей к месту укладки, причем дальность транспортирования может достигать нескольких километров. Процесс перемещения пульпы по пульпопроводу называют рефулированием. Рефулировать можно почти все виды грунта; гравелистые же и каменистые грунты перемещать таким способом нецелесообразно вследствие сильного износа грунтового насоса и пульпопровода. При перемещении грунтов на небольшое расстояние в некоторых случаях можно обойтись без плавучего пульпопровода. Пульпу можно выбрасывать на расстояние 30–40 м в виде струи через коническую насадку или на расстояние до 15 м непосредственно с конца укороченного пульпопровода. Однако на выброс пульпы через насадки затрачивается очень много энергии: по сравнению с транспортированием пульпы обычным пульпопроводом для перемещения ее выбросом нужен напор в 15–20 раз больший. Поэтому использовать конические насадки целесообразно лишь там, где плавучий пульпопровод применить нет возможности.
Рабочие перемещения землесосных снарядов должны обеспечивать движение грунтозаборного устройства в горизонтальной плоскости. При этом движение должно осуществляться по заданным траекториям с регулируемой скоростью, без холостых ходов, т. е. движения грунтозаборного устройства по выработанным участкам забоя.
Впоследние годы применяют три способа рабочих перемещений земляных снарядов: канатный, свайно-канатный и свайный. Каждый способ может осуществляться по нескольким схемам в зависимости от характера работ, выполняемых земснарядом. В соответствии с этими схемами земснаряд с грунтозаборным устройством может перемещаться поступательно вдоль своей продольной оси или поперек нее; может совершать веерное движение, поворачиваясь относительно неподвижной точки или, оставаясь на месте, поворачивать в горизонтальной плоскости грунтозаборное устройство и т. д. Большая часть землесосных снарядов с грунтозаборным устройством в процессе работы движутся по дугам окружностей. Их центрами служат сваи, опущенные
вгрунт.
Всостав свайного устройства входят две сваи, расположенные в кормовой части снаряда, и лебедки, с помощью которых он совершает повороты. Сваи поднимают и опускают в грунт попеременно, что дает возможность поворачивать землесосный снаряд относительно их поочередно.
На рис. 6.32 сплошными линиями показано первоначальное положение
319