Обоснование выбора базовой установки

До появления машин, позволяющих прокладывать инженерные коммуникации бестраншейным образом, работы производились так называемым " открытым" способом. Этот способ предусматривал вскрытие грунтов (рытье траншеи) на необходимую глубину, проведение таких мероприятий, как: подготовка траншеи для прокладки трубопровода (как правило, это выравнивание дна траншеи); создание песчаной постели; непосредственно сама прокладка трубопровода или кабеля; засыпка проложенных коммуникаций инертным материалом; окончательная засыпка траншеи; восстановление растительного слоя или дорожного полотна.

Работа по прокладке коммуникаций траншейным способом являлась наиболее затратной, так как необходимо было создавать дополнительные временные сооружения, да и в целом ущерб, наносимый окружающей среде, не поддавался экономическому анализу.

Бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций позволяет производить работы без нарушения режима функционирования объектов находящихся в пределах производимых работ. Технология бестраншейной прокладки трубопровода является альтернативной традиционному траншейному методу и позволяет преодолевать преграды, встречающиеся на пути трубопровода (реки, дамбы, дороги, железнодорожные насыпи и т.д.), без нарушения режима их функционирования. Если речь идет о городских условиях, то нет необходимости вскрывать дороги, разрушать целостность скверов и парков, перекрывать движения транспорта и создавать неудобства для пешеходов. А в сложных гидрогеологических условиях бестраншейные технологии практически незаменимы, вследствие отсутствия необходимости проведения работ по водопонижению.

При бестраншейной прокладке коммуникаций используются следующие технологии:

§ технология прокола;

§ технология горизонтально-направленного бурения (ГНБ);

§ технология продавливания стальных футляров;

§ технология микротоннелирования.

Метод управляемого прокола может применяться для прокладки полиэтиленовых или стальных трубопроводов или футляров для газо- и водоснабжения, канализации, кабелей различного назначения. Работы выполняются как в городах и населенных пунктах, так и при переходах под автомобильными или железными дорогами.

Сердцем установки управляемого прокола является силовой гидроцилиндр усилием порядка 40 тонн, чаще всего, с полным штоком для размещения буровых штанг и присоединенным перекашивающимся захватом штанг.

Наконечник буровой головки имеет скошенную поверхность и при задавливании отклоняет буровую колонну в сторону. Оператор с помощью георадара видит, как необходимо повернуть головку, чтобы выправить траекторию в нужную сторону. При задавливании штанг с вращением буровая колонна движется прямолинейно.

Рис. 1. Наконечник буровой головки с пилотной штангой, производства фирмы Vermeer

После выхода в приемном котловане буровая головка заменяется на конический расширитель (риммер), и обратным ходом штанг с уплотнением грунта пилотная скважина расширяется до необходимого диаметра. Одновременно или после расширения в скважину протаскивается труба. Прокалывающая установка работает без буровых растворов, так как стенки скважины держатся за счет уплотненного слоя грунта; она может использоваться и зимой – при работе ниже уровня промерзания грунта.

Отличительные особенности установки управляемого прокола:

§ компактная, недорогая, мощная, лёгкая в транспортировке;

§ вращающийся шток позволяет контролировать направление;

§ для установки требуется очень небольшая стартовая яма. [1]

В настоящее время установки для прокола горной породы выпускаются не только за рубежом, но и в России.

Использование установок управляемого прокола основывается на способности неустойчивых горных пород (глинистые, песчаные и др.) уплотняться вокруг скважины, образуемой в породном массиве при внедрении в него буровой головки со штангами, а на последующем этапе конического расширителя. Под действием внедряемого в массив бурового инструмента (буровой головки, конического расширителя) расстояние между частицами породы уменьшается, и она становится более плотной. По завершению проходки скважины и установки труб (рабочих или футляров) в окружающем породном массиве происходят восстановительные деформации. Они приводят с течением времени к обжиму труб породой и вовлечении их в совместную с ним работу.

Однако, существует возможность просадки горной породы, приводящая к деформации, а иногда даже и к разрушению трубы.

Решением данной проблемы является прокладка трубопроводов методом прокола с созданием защитной породобетонной оболочки методом ГСЦ.

Установки для прокола состоят из следующих основных узлов:

- домкратная станция;

- маслостанция с приводом от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания;

- набор бурового инструмента (пилотные штанги, пилотные головки, расширители и др.);

- система беспроводной локации (в отдельных установках).

Главным элементом установки, обеспечивающим внедрение в массив буровой головки и штанг, а также расширителей при увеличении диаметра скважины, является гидродомкрат с полым штоком, установленный на раздвижной домкратной раме, оснащенной передним и задним упорами. Конструктивные решения гидродомкрата позволяют обеспечить перемещение в прямом и обратном направлении става штанг и его вращение совместно с пилотной головкой (для установок предусматривающих направленный прокол).

Таблица 1

Технические характеристики прокалывающих установок

Рис. 1 Установка направленного прокалывания УП-30

а) б)

Рис. 2. Установка управляемого прокола P80 Ditch Witch в стартовом котловане

В зависимости от типа горной породы рекомендуется применять различные типы пилотных головок, которые отличаются друг от друга своей длиной, при этом головки с наибольшей длиной предназначены для применения в наиболее слабых породах.

Пилотный став из буровых штанг, проходит через полый шток гидродомкрата, при этом передача усилий, необходимых для его перемещения, обеспечивается с помощью специальных захватов.

Буровые штанги соединяются между собой с помощью резьбовых соединений с использованием специального ключа внутри домкратной рамы в зоне перед штоком гидроцилиндра.

Расширители представляют собой стальную конструкцию в форме усеченного конуса в его передней части, соединяемой с первой штангой пилотного става и цилиндра в его задней части, служащей для уплотнения породного массива и закрепления протягиваемого трубопровода. Диаметр расширителя принимается на 20-30% больше диаметра прокладываемого за ним трубопровода. При необходимости прокладки трубопроводов большего диаметра допускается использование расширителей от установок направленного бурения.

Передача реактивных усилий от гидродомкрата на стену котлована (крепь шахты) осуществляется через инвентарные (переднюю, и заднюю) стальные плиты и деревянные щиты из сосновых досок толщиной 50 мм, прокладываемые между названными плитами и стеной котлована.

Система управления движением пилотной головки базируется на наличии в составе установки системы локации, механизма поворота пилотного става, а также конструктивных особенностей ее формы (скошенный наконечник).

Скос на боковой части пилотной головки обеспечивает условия для изменения направления ее движения. При задавливании пилотного става без вращения он отклоняется в направлении, противоположном скосу, а при задавливании с вращением пилотный став, движется прямо.

Система локации состоит из передатчика, смонтированного в пилотной головке и приемного устройства, перемещаемого на поверхности оператором. Приемное устройство обеспечивает информацией о фактическом местоположении буровой головки, угле ее наклона и поворота.

В зависимостиот глубины прокладки трубопровода могут применяться различные типы передатчиков и приемных устройств: до глубины 6, 5 м -передатчик 85BRP и приемное устройство 66ТКР, до глубины 10м-передатчик 85BRPH и приемное устройство 66TKR и т.д.

Гидроструйная цементация пород (ГСЦ) является одной из перспективных технологий при решении сложных технических задач в различных областях строительства, геотехники и фундаментостроения.

Применение метода ГСЦ для закрепления слабых пород приводит к значительному улучшению их физико-механических свойств: пылевато-глинистые породы – уменьшается деформативность, увеличивается сопротивление сдвигу; несвязные песчаные породы – повышается прочность, снижается водопроницаемость. [10]

К преимуществам технологии ГСЦ можно отнести следующие:

- высокая скорость выполнения работ по закреплению массива;

- принципиальная возможность размещения оборудования в стесненных условиях (в этом случае необходимо использовать специализированную малогабаритную установку, а весь инъекционный комплекс может располагаться на некотором удалении);

- возможность закрепления любого исходного массива слабой породы (от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов), как по показателям прочности, так и обводненности;

- отсутствие значительных динамических нагрузок на закрепляемый массив (что особенно важно при работе на небольших глубинах под зданиями и сооружениями);

- чрезвычайно высокая предсказуемость результатов укрепления пород (что позволяет уже на этапе проектирования достаточно точно рассчитать геометрические и прочностные характеристики создаваемой подземной конструкции, и соответственно - трудозатраты, материалы и стоимость работ).

Комплект технологического оборудования, необходимый для производства работ по ГСЦ пород с использованием варианта однокомпонентной технологии, как технологии наиболее простой для реализации и одновременно имеющей значительные потенциальные возможности, состоит из источника водоцементной суспензии высокого давления и буровой установки со специализированным навесным оборудованием [16-21].

Источник водоцементной суспензии высокого давления, в свою очередь, включает в себя следующие основные элементы: цементировочный насос высокого давления, миксерная станция, силос для хранения цемента. Все перечисленные элементы объединяются при помощи системы трубопроводов.

В России в настоящее время отсутствует производство специальных буровых установок для реализации технологии ГСЦ.

За рубежом технология ГСЦ применительно к строительной отрасли, развивается крайне интенсивно. Лидерами в производстве бурового оборудования для ГСЦ являются Италия, Япония, Германия [22, 23, 27].

Характерными примерами выпускаемого бурового оборудования являются следующие машины.

Буровая установка RAPTOR TWS 1400 фирмы Tecniwell, Италия (рис. 2), предназначенная для работ по укреплению пород с поверхности, устройства микросвай и ГСЦ массива.

Рис. 3. Буровая установка RAPTOR TWS 1400

Организация работ по прокладке трубопровода методом прокола включает в себя следующие этапы:

1. Организация строительных площадок стартового и приемного котлованов (шахт). Размеры стройплощадок зависят от их технологического назначения, длин звеньев и диаметров прокладываемых труб, глубины их заложения. Минимально необходимые размеры стройплощадок стартового котлована (шахты) составляют 8 х 10 м.

2. Отрывка котлованов или проходка шахт.

3. Монтаж оборудования, который включает в себя:

- установку в котловане домкратной рамы, проверка, ее положения с помощью геодезических инструментов, окончательное раскрепление.

- подключение гидрокоммуникаций маслостанции и домкратной системы;

- проверку работы гидросистемы установки.

4. Прокладка пилотного става в пределах интервала трассы от стартового до приемного котлованов (шахт).

5. Замена в приемной шахте буровой головки на расширитель со струеформирующей насадкой необходимого диаметра с прикрепленным к нему отрезком прокладываемой трубы длиной 0, 5-2, 0 м или концом трубы, уложенной в виде бухты на специальном барабане, расположенном на поверхности вблизи котлована (шахты), подача водоцементоной суспензии через буровые штанги к расширителю.

6. Увеличение диаметра пилотной скважины с одновременным протягиванием трубопровода и созданием защитной породобетонной оболочки в пределах интервала длины между котлованной (шахтами). Одновременно с протягиванием в приемной котловане (шахт) осуществляется с помощью сварки или иным способом соединение звеньев прокладываемых труб.

7. Демонтаж установки.

Из анализа представленных выше установок для прокола, я выбрал установку УП-40. Это объясняется тем, что данная установка является более простой в эксплуатации и более дешевой в сравнении с её западными аналогами.

Струйная цементация позволяет улучшить прочностные и деформационные свойства любых сжимаемых дисперсных грунтов как природного, так и техногенного происхождения. Натурные испытания грунтобетонных массивов, проведенные на различных объектах подземного строительства, показали, что в зависимости от инженерно - геологических условий несущая способность отдельного цилиндрического элемента массива (сваи), выполненных методом струйной цементации, составляет 30 - 50 т [11, 12].

Ниже (табл. 1.1.) приведены средние значения предела прочности на одноосное сжатие грунтового массива, закрепленного методом ГСЦ, в зависимости от исходного грунта [13].

Таблица 1.1.

Прочность грунтобетонного массива

Рис. 4. Технологическая последовательность получения закрепленного массива способом ГСЦ:

а - бурение пилотной скважины; б – разрушение и перемешивание грунта водоцементной суспензионной струей; в - извлечение буровой колонны из закрепленного массива: 1 – базовая буровая установка; 2 – буровой став; 3 – буровой инструмент; 4 – грунтовый массив; 5 – закрепленный грунтовый массив; 6 – горная выработка

2. ОПИСАНИЕ БАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

Установка для прокладки магистралей методом направленного прокола
УП-40 предназначена для бестраншейной управляемой прокладки трубопроводов различного технологического назначения и оболочек для инженерных коммуникаций (линий связи и управления; силовых электрокабелей и др.) в насыпных породах и породах с коэффициентом крепости f=2 по шкале Протодьяконова, при проведении работ в условиях умеренного климата.

Установка обеспечивает выполнение следующих операций, связанных с прокладкой трубопроводов бестраншейным способом:

- создание необходимого осевого усилия на забой при проколе породы передовой штангой;

- поворот штанги с пилотной головкой в осевом направлении с целью обеспечения направленного прокола;

- расширение скважины обратным ходом до проектного сечения, с одновременной прокладкой технологического трубопровода или оболочки для инженерно- технических коммуникаций;

- замена трубопровода методом разрушения старого и прокладки нового.

Основные параметры установки приведены в таблице 1.

Таблица 2

В качестве рабочей жидкости должны применяться масла:

- при положительных температурах воздуха: МГЕ-46В (МГ-30у) ТУ 38 001347-83 (МГ-46-В ГОСТ 17479.3-85), И-30А ГОСТ 20799-88;

- при отрицательных температурах воздуха: ВМГЗ ТУ 38 101479-86 (МГ-15-В(с) ГОСТ 17479.3-85).

Установка для прокладки магистралейметодом направленного прокола состоит:

Из домкратной станции с опорными плитами и маслостанции. Маслостанция соединена с домкратной станцией двумя рукавами высокого давления условным проходом dу16 длиной по 15000 мм.

Домкратная станция состоит из одного гидроцилиндра закреплённого на раме при помощи цапф, выдвижной рамы и захвата прикреплённого к штоку гидроцилиндра. Шток гидроцилиндра выполнен полым (диаметр 70 мм) для подачи через него штанг диаметром до 65 мм. На корпусе рамы и захвата расположены опоры, в которые устанавливается тяга, обеспечивающая поворот продавливаемой штанги в осевом направлении, благодаря чему возможно управление проколом. Следует отметить, что для осуществления управляемого прокола необходимо наличие комплекта «RD385- для направленного бурения».

Управление гидроцилиндрами производится дистанционно при помощи специального выносного пульта распределителем Рн203, установленным на маслостанции. Рабочие линии распределителя соединены с соответствующими полостями гидроцилиндра рукавами высокого давления через специальные муфты, которые при их рассоединении не допускают утечки масла из гидросистемы, а напорная и сливная линии соединены с маслостанцией.

Маслостанция представляет собой отдельный транспортный узел. На раме установлен маслобак Б1 емкостью 120 литров, пускатель с реле тепловой зашиты, насосный блок и защитные панели. Насосный блок состоит из насоса 210.16.12.01 Н1, соединенного с электродвигателем при помощи упругой кулачковой муфты.

Для настройки рабочего давления и защиты гидросистемы от перегрузок на маслостанции установлен предохранительный клапан КП1 и манометр МН1. Предохранительный клапан настроен на заводе изготовителе на рабочее давление 19 МПа (190 кг/см²).

Для заправки гидросистемы на линии всаса насоса имеется штуцер (М30´ 1, 5) с пробкой, а также вентиль разгрузки предохранительного клапана.

Гидросистема от загрязнения защищена тремя фильтрами, установленными на заливной горловине бака Ф3, в линии всаса Ф1 и в линии слива Ф2.