5.9.3 Машины для бестраншейной прокладки труб методом виброударного прокола

Метод виброударного прокола заключается в проходке гори­зонтальных скважин путем радиального уплотнения грунта ко­нусным наконечником под действием виброимпульсов, сообща­емых наконечнику вибромолотом горизонтального действия.

Существуют две схемы выполнения работ этим методом:

разработка горизонтальной скважины забойным проходческим снарядом с последующей прокладкой в эту скважину трубы;

проходка горизонтальной скважины с одновременной проклад­кой трубы при помощи ударного механизма, укрепленного на ее внешнем конце.

Первая схема применяется в однородных связных грунтах, вторая предпочтительна в разнородных с каменистыми включе­ниями и несвязных (осыпающихся) грунтах, а также при повы­шенных требованиях к прямолинейности проходки.

Наиболее распространенными и надежными забойными про­ходческими снарядами являются пневмопробойники конструкции Новосибирского института горного дела. Схема одного из них приведена на рис. 28.

Рис. 28. Схема пневмопробойника конструкции Новосибир­ского института горного дела:

1-корпус; 2-накавальня; 3-поршень ударник; 4-патрубок; 5-гайка;

6-клапан; 7-шланг;

А-передняя камера пневмопробойника; В-полость пневмопробой-

ника по которой перемещается поршень-ударник; С-окна полости В

Пневмопробойник состоит из корпуса 1 с наковальней 2 на забойном конце. Внутри корпуса находится массивный поршень-ударник 3 с полостью В в задней части, снабженной радиально расположенными окнами С. Эта полость называется задней ка­мерой в отличие от передней камеры А, образуемой пространством между внутренними стенками передней части корпуса и пор­шнем-ударником. В заднюю камеру входит патрубок 4, укреплен­ный резьбовой частью в гайке 5, представляющей собой задний наконечник пневмопробойника. Гайка соединяется с корпусом при помощи резьбы и имеет отверстия для выпуска в атмосферу отработавшего воздуха.

С внешней стороны отверстий расположен клапан 6, свободно выпускающий воздух из пробойника и закрывающий выходные отверстия при падении давления внутри него. Патрубок соединен со шлангом 7, по которому поступает сжатый воздух от компрес­сора. Вращая шланг в ту или другую сторону и тем самым ввин­чивая или вывинчивая патрубок из гайки, можно изменять поло­жение последнего относительно поршня-ударника. Нагнетаемый от компрессора сжатый воздух, проходя по патрубку, поступает в заднюю камеру и, давя на поршень-ударник, разгоняет его. Двигаясь вперед, поршень ударяет по наковальне, сообщая кор­пусу пробойника ударный импульс.

Непосредственно перед моментом удара окна С в задней части поршня минуют торец патрубка и оказываются открытыми для выхода воздуха в переднюю камеру. Вошедший в нее воздух за­ставляет поршень вернуться в прежнее положение. При этом в конце обратного хода окна С оказываются за расширенной частью патрубка и сообщают переднюю камеру с внутренней по­лостью пробойника, имеющей выход в атмосферу. Давление в пе­редней камере падает, а поступающий из патрубка в заднюю камеру воздух снова разгоняет поршень вперед, одновременно отталкивая корпус пробойника назад (через патрубок). Под дей­ствием ударов поршня по наковальне пробойник движется впе­ред. При необходимости сообщить ему обратное движение вра­щают шланг и вывинчивают патрубок до достижения им крайнего заднего положения, обозначенного на схеме штрихпунктиром (см. рис. 28). В этом случае поршень будет наносить удары своей затылочной частью по гайке, не касаясь наковальни, и про­бойник начнет двигаться назад. Чтобы получить скважину боль­шего диаметра, чем корпус пробойника, последний снабжается съемным уширителем. Сущность виброударной проходки по этой схеме состоит в следующем (рис. 29). Труба-кожух снабжена, как и при обычном проколе, глухим конусным наконечником и соединена с корпусом. Внутри корпуса помещен вибромолот, со­стоящий из оснащенного бойком вибратора направленного дейст­вия, упирающегося бойком в наковальню и поджатого с проти­воположной стороны пружинами. Наковальня жестко соединена с трубой-кожухом, являющимся погружаемым элементом.

Рис. 29. Схема прокладки трубы-кожуха виброударной установкой

Совершая под действием возмущающей силы горизонтальные колебания, вибромолот, сжимая пружины, отходит от наковальни и затем наносит по ней удар. Сообщив таким образом трубе ударный импульс, он снова отрывается от наковальни, сжимает пружины и снова наносит по ней удар под действием изменив­шей знак возмущающей силы и силы упругодеформированных пружин. В период отрыва от наковальни вибромолот стремится выдернуть трубу из грунта той долей возмущающей силы, кото­рая пропорциональна деформации пружин.

Таким образом, он оказывает на трубу два вида воздействия: ударное, направленное в сторону забоя, и выдергивающее (через пружины), направленное в обратную сторону.

Нанося удары по наковальне, вибромолот принуждает погру­жаемый элемент перемещаться к забою, внедряться в грунт со скоростями большими, чем скорости ранее известных способов проходки без приложения дополнительного статического усилия Отсутствие необходимости в дополнительном статическом усилии в значительной степени упрощает производство подготовительно-заключительных работ и применяемое оборудование, что удешев­ляет стоимость прокладки труб. При этом методе, в отличие от других способов прокола, появляется возможность выложить и сварить заранее всю колонну труб и затем проводить непрерыв­ную проходку без периодического наращивания трубопровода из отдельных звеньев. Этот фактор в сочетании с повышенными ско­ростями проходки приводит к сокращению времени строительства и уменьшению возможности искривления оси скважины при про­ходке.

5.10 Машины для бестраншейной прокладки труб методом продавливания

5.10.1 Машины для прокладки труб методом статического продавливания

Метод статического продавливания подразумевает прокладку труб открытым концом при помощи статически приложенной на­порной силы. Под ее действием труба врезается в грунтовой мас­сив забойным концом, снабженным кольцевым наконечником или без него. В начале процесса внедрения трубы-патрона в грунт напорное усилие направлено в основном только на преодоление сил бокового сопротивления, так как силами лобового сопротив­ления можно пренебречь из-за их малости по сравнению с пер­выми.

Находящийся в объеме будущей скважины грунт поступает внутрь трубы. По мере поступления грунтового керна сила тре­ния о внутреннюю поверхность трубы начинает препятствовать его свободному перемещению. Для преодоления этого сопротивления приходится увеличивать напорную силу, увеличивая тем самым реактивную силу, под действием которой грунтовый керн посту­пает в трубу и перемещается вдоль нее. С увеличением этой силы в трубу принудительно поступают новые порции грунта, вызывая некоторое уплотнение керна и появление силы бокового распора, приводящей к возрастанию давления грунта на внутренние стенки трубы. Вследствие этого увеличивается сила трения, которая, в свою очередь, повышает сопротивление перемещению керновых масс вдоль трубы, приводя к последующему увеличению необхо­димого напорного усилия, влекущего за собой увеличение усилий бокового распора, дальнейшее увеличение сил трения и т. д. В ре­зультате грунт в трубе уплотняется, а необходимое для проходки напорное усилие резко возрастает. Наконец, продвижение керна прекращается, и забойный конец трубы-патрона оказывается за­битым плотной грунтовой пробкой. Напорное усилие достигает максимальной величины. Дальнейшая проходка идентична про­цессу прокола: новые порции грунта в трубу не поступают, а выдавливаются в стороны, радиально уплотняя прилегающие слои грунтов. Это явление называется свайным эффектом, так как про­ходка полным сечением подобна забивке сваи. На практике, чтобы уменьшить реакцию бокового распора, иногда применяют кольце­вые наконечники, создающие первоначальный зазор между внут­ренними стенками трубы и поступающим в нее керном. Однако заметного положительного эффекта такие наконечники не дают. Они лишь несколько снижают первоначальную силу трения грунта о внутреннюю полость трубы, но не могут ликвидировать ее сов­сем. В результате уплотнение керна все равно происходит. При этом наконечник увеличивает начальное лобовое сопротивление. Для того чтобы избежать свайного эффекта и успешно продол­жать процесс продавливания, необходимо периодически по мере уплотнения разрушать грунтовой керн и удалять его из трубы.

В зависимости от способа разработки и удаления грунта продавливание считается ручным или механизированным, однако схемы производства работ в том и другом случае аналогичны. Подготовительные работы по устройству котлованов и монтажу оборудования производятся в той же последовательности, что и при проколе. Отличием является установка оборудования для пе­риодического подъема из рабочего котлована грунта (рис. 30), эвакуированного из разрабатываемой скважины (краны «Пио­нер», «Москвич»» или автокран).

Рис. 30. Схема прокладки труб методом продавливания:

1—труба-патрон; 2 — направляющая рама; 3 — сменные нажимные элементы, позволяю­щие производить эвакуацию грунта на поверхность; 4 — гидродомкрат; 5 — упорная стенка; 6 — насосная станция для привода гидродомкрата; 7—подъемный кран

В качестве источника усилия, необходимого для продавлива­ния труб, применяются мощные гидравлические домкратные уста­новки, состоящие из двух — восьми домкратов типа ГД-170/1150. Необходимые усилия для продавливания труб на длину 40 м состав­ляют при диаметре труб до 820 мм от 600 до 1400 кН, а при диа­метре от 820 до 1620 мм — от 1400 до 3000 кН.

Современное оборудование, реализующее метод продавлива­ния, в большинстве своем характеризуется низкой производитель­ностью проходки из-за цикличности процесса и большого объема подготовительных работ по отрытию котлованов и укреплению их стенок. Однако метод продавливания является одним из са­мых надежных методов прокладки трубопроводов большого диаметра, а перечисленные недостатки устраняются по мере модер­низации старого и создания нового оборудования.

Проходку с ручной разработкой и эвакуацией грунта можно допускать в крайних случаях, как аварийную, при встрече с не­предвиденным препятствием в виде крупного обломка горной по­роды, выходе из строя забойного рабочего органа или транспор­тера. При этом диаметр трубы должен быть не менее 1020 мм.

Рабочие органы для разработки грунта в машинах статиче­ского продавливания выполняют в виде резцовых головок или экс­каваторных ковшей с гидроприводом: первые могут быть вмон­тированы в забойную часть трубы-кожуха практически любого диаметра, а вторые — при диаметре не менее 1020 мм. Для про­кладки труб-кожухов диаметром 1020 мм и менее предпочтитель­нее использовать резцовую головку в сочетании со шнековым транспортером, для больших диаметров — резцовую головку или экскаваторные ковши в сочетании с ленточными транспортерами или совковыми желонками (выполнены в виде полукруглого от­крытого совка, периодически подводимого под резцовую головку). Причем в ряде случаев совковые желонки как более универсаль­ные транспортирующие устройства, удобные в транспортировке и не зависящие от длины трубы-патрона, имеют существенные преи­мущества перед транспортерами непрерывного действия, уступая им, однако, в производительности.

Особое место занимают желонки в виде полых цилиндров с от­крытым передним торцом (стаканы), делающие ненужным применение специальных грунторазрабатывающих рабочих органов. Различают два типа желонок: пассивного и активного действий. Первый тип представляет собой металлический стакан, перемещае­мый канатами к переднему торцу трубы-кожуха и прижимаемый к внутренней стороне кольцевого забойного наконечника таким образом, чтобы передняя кромка стакана вошла в кольцевую по­лость между стенками трубы и обечайкой кольцевого наконеч­ника (рис. 31, а). При этом стопорный рычаг, установленный; в задней части стакана, срабатывает, как «защелка», и упирается в упорный уступ, приваренный на нижней внутренней образую­щей трубы-кожуха (существуют и другие схемы крепления). Те­перь труба-патрон, вдавливаясь в грунт, будет перемещаться с желонкой как одно целое, пока грунтовый керн не заполнит же­лонку. Затем натяжением каната стопорный рычаг сбрасывается с упора, и наполненная грунтом желонка тем же канатом извлека­ется на поверхность. Второй тип представляет собой полый ци­линдрический стакан, диаметр которого на 200 мм меньше диа­метра трубы-кожуха, а длина соответствует 2,5—3 диаметрам, что позволяет использовать его в роли запорного клапана, перекры­вающего в аварийной ситуации (встреча с «плывуном» — разжи­женным грунтом) внутреннее сечение трубы. В задней части ста­кана имеются рассекатель и два симметричных окна для разгрузки от грунта (рис. 31, б). Сзади к стакану прикреплен ви­бромолот горизонтального действия с электроприводом (или пневмопробойник при малых диаметрах трубы-кожуха).

Рис. 31. Желонки для эвакуации грунта из трубы-кожуха пассивного (а) и активного (б) действия

При проходке трубу-кожух внедряют в грунт на определенное расстояние («заходку»), а затем к ее забойному концу канатом (посредством неподвижного блока, монтированного вверху внут­ренней забойной части трубы-кожуха) подают желонку,- которая под действием ударов вибромолота легко внедряется в заполнив­ший трубу-кожух грунтовый керн и забирает основную его часть. После этого желонку при помощи другого каната перемещают к заднему торцу трубы-кожуха, где под действием ударов вибро­молота грунт высыпается через окна желонки на дно траншеи по обе стороны от трубы-кожуха. В зависимости от типа разраба­тываемого грунта желонка может разрабатывать грунт как внутри трубы, так и перед ней.

Длину образующегося в процессе продавливания грунтового керна регулируют в зависимости от грунтовых условий (перед началом проходки) выбором места крепления внутри трубы-ко­жуха неподвижного блока.

Процесс проходки состоит из отдельных периодически повто­ряющихся циклов, в которых каждое внедрение в грунт трубы-кожуха на 1—5 диаметра чередуется с выбором грунтового керна виброударной желонкой, причем при необходимости в забойной части трубы-кожуха всегда может оставаться грунтовая пробка длиной 1—3 диаметра, исключающая отбор лишнего грунта и тем самым возможность образования пустот в грунтовом массиве, вызывающих осадку полотна дороги.

Несмотря на то что желонка второго типа более сложна, она в то же время более универсальна при проходке широкого диа­пазона грунтов, делая возможным проходку даже гравелистых грунтов и грунтов с крупными обломочными включениями, обычно являющихся препятствием при проходке другими методами про­давливания.

Конструктивно очень сложно реализовать методы продавли­вания с разработкой и эвакуацией грунта желонками при диа­метре трубы-кожуха менее 630 мм.

Гидроразработка и эвакуация грунта могут обеспечить пере­нос грунтовой пульпы на расстояние в несколько сотен метров, но требуют значительного расхода воды. Последнее обстоятель­ство делает ее рациональной только при сооружении переходов под дном водоемов. В ряде случаев этот метод проходки под водоемами является единственно приемлемым.

Пневморазработка эффективна в основном в сыпучих грунтах. Однако при определенных условиях, характеризующихся высокой кинетической энергией воздушной струи, возможно разрушение связных грунтов. Разрушенный грунт размельчается, перемешива­ется с воздухом и транспортируется воздушной струей. Для того чтобы транспортировка была возможна, скорость воздушного по­тока должна составлять не менее 30 м/с.