Оборудование для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций

При прокладке подземных коммуникаций под дорогами и дру­гими препятствиями все чаще прибегают к закрытому способу производства работ, называемому бестраншейным. В этом случае под землей сначала устраивают защитные кожухи, а затем в них прокладывают коммуникации.

Для кожухов диаметром до 273 мм используют, как правило, стальные бесшовные трубы, а для коммуникаций больших диа­метров — сварные трубы.

Закрытую прокладку подземных магистралей относительно небольшого диаметра выполняют главным образом проколом, продавливанием или горизонтальным бурением, тогда как при про­кладке коллекторов и тоннелей чаще прибегают к щитовым и штольневым методам подземной проходки.

Выбор способа бестраншейной прокладки коммуникаций (табл. 3.4) зависит от ее диаметра и длины, а также физико-механических свойств разрабатываемого грунта и условий его залегания.

Ограниче­ние диаметра трубы при проколе домкратом обусловлено тем, что грунт из скважины не удаляется, вследствие чего для осуществления прокола требуются значи­тельные усилия. В связи с этим длина прокола труб не превыша­ет 80 м.

Продавливание с извлечением из трубы грунтовой пробки мож­но применять практически в любых грунтах I — IV категорий для труб диаметром 800... 1 720 мм и при длине прокладки до 100 м.

Горизонтальное бурение позволяет прокладывать подземные коммуникации диаметром до 1 720 мм и длиной до 80 м, но в обводненных и сыпучих грунтах оно малоэффективно.

Микрощитовой способ применяют при необходимости проклад­ки подземных переходов значительных диаметров и длины.

При любом из бестраншейных способов прокладки труб внача­ле по обе стороны дороги отрывают рабочий и приемный котло­ваны, в которых затем монтируют необходимое оборудование. Раз­меры рабочего котлована зависят от диаметра прокладываемой скважины, глубины ее заложения и типа используемого оборудо­вания. Основным оборудованием при проколе трубами и продавливании их сквозь грунт являются направляющие рамы, гидравличе­ские домкраты, нажимные патрубки, шомпола, наконечники, грунтозаборные ковши, пневмопробойники, насосы, компрессо­ры и т.п., а при горизонтальном бурении — бурильные установки с собственными источниками механической энергии и необходи­мым набором бурильной оснастки.

Для уменьшения сопротивлений, возникающих при проколе грунта вдавливанием, трубу оборудуют конусным наконечником (рис. 3.17, а, б, г), расширительными поясами с заглушками (рис. 3.17, в), при небольшой длине прокола используют трубы с от­крытым концом (рис. 3.17, д, е) или применяют другие варианты оснащения.

Рис. 3.17. Наконечники для бестраншейной прокладки труб проколом:

а — конусный заостренный; б — конусный с усеченной вершиной; в — конец трубы с приварной заглушкой; г — конусный со штырем; д — кольцевой нож с внутренним скосом кромок; е — кольцевой нож с косым срезом торца и внут­ренним скосом кромок

При проколе грунта трубы, образующие кожух, вдавливают в грунт поочередно.

Способ гидропрокола использует кинетическую энергию струи воды, выходящей под давлением из расположенной впереди про­давливаемой трубы специальной конической насадки. Струя воды, выходящая из насадки под давлением, размывает в грунте отвер­стие, в которое подают звенья труб. К достоинствам гидропрокола относят относительную простоту ведения работ и довольно высо­кую скорость проходки (до 4 м/ч). Недостаток метода — сравни­тельно небольшая длина скважины (не более 30 м), высокая ве­роятность ее отклонения от проектной оси и загрязнение рабоче­го котлована большим количеством шлама, вытекающего из сква­жины.

При бестраншейной прокладке подземных коммуникаций в несвязных песчаных, супесчаных и плывунных грунтах широко используется способ вибропрокола, главной особенностью которо­го является придание прокладываемой трубе продольно направ­ленных колебаний. Способом вибропрокола прокладывают трубо­проводы диаметром до 500 мм на длину 35...60 м.

Прокладываемую трубу с закрепленным на одном конце ин­вентарным наконечником другим концом устанавливают в наго­ловнике ударной приставки вибромолота (рис. 3.18).

Под действием ударных импульсов в сочетании со статическим вдавливанием, обеспечиваемым гидравлическим, винтовым или канатно-блочным механизмом, трубы, секция за секцией, после­довательно внедряются в грунт.

Рис. 3.18. Установка для прокладки труб вибропроколом: 1 - источник импульсов (компрессор или маслонасосная станция); 2 — рабочий забой; 3 — вибромолот; 4 — рама; 5 — наголовник; 6 — труба; 7 — финишный забой

Для бестраншейной прокладки труб диаметром от 63 до 400 мм широко применяются пневмопробойники. Проходку с помощью пневмопробойников применяют для устройства сквозных и глухих горизонтальных и наклонных скважин с уплотненными стен­ками длиной до 50 м, через которые прокладывают трубопроводы. Прокладка трубопровода или кабеля с помощью пневмопробойника состоит из двух этапов. На первом этапе по трассе, преду­смотренной проектом, прокладывают пионерную скважину. За­тем к рабочему оборудованию в точке выхода скважины на повер­хность или в финишный забой крепят расширитель, к которому в свою очередь крепят прокладываемую трубу или кабель, после чего рабочее оборудование с трубой или кабелем вытягивается станком в стартовый забой или в точку на поверхности, откуда начиналась проходка. Расширитель представляет собой своеобраз­ный буровой инструмент, расширяющий скважину до диаметра, чуть большего диаметра протаскиваемой трубы. Иногда к расши­рителю подают бентонитовый раствор, размывающий породу, снижающий трение трубы о стенки скважины и укрепляющий их.

При бестраншейной прокладке способом продавливания откры­тый конец прокладываемой трубы, снабженный ножом, вдавли­вают в массив грунта, а грунт, поступающий в трубу, либо разра­батывают и удаляют из рабочего забоя, либо после окончания проходки выдавливают в финишный забой, откуда его также уда­ляют. Иногда применяют гидроразмыв грунта и удаление его из забоя в виде пульпы либо с помощью шнека. Продавливание по­зволяет прокладывать трубы диаметром 400... 1 220 мм на длину до 100 м при средней скорости 12... 15 м в смену. При продвиже­нии трубы преодолевают усилия трения грунта по ее наружному контуру и врезания ножевой части в грунт.

Для продавливания труб применяют нажимные насосно-домкратные установки из нескольких гидродомкратов усилием по 500... 3 000 кН каждый и ходом штока 1,1...2,1 м. Число домкратов

При проходке скважин диаметром 50... 1420 мм на длину до 500 м широко применяют установки горизонтального направленно­го бурения, которые позволяют прокладывать скважины по криволинейной трассе, обходя препятствия, и затягивать в них любые виды коммуникаций, в том числе при прокладке под водными преградами (реки и озера). При бестраншейной прокладке коммуникаций с применением установок наклонного горизонтального направленного бурения сначала на расчетной глубине пробуривается пилотная скважина. Бурение ведется буровой головкой диаметром 60...150 мм, установленной на конце полой штанги, вращаемой механизмом станка. Штанга состоит из отдельных сек ций, навинчиваемых одна на другую по мере увеличения длины скважины.

Перед бурением готовят небольшой забой для входа бурового снаряда под расчетным углом. Сама установка во время бурения находится на дневной поверхности, но ее фиксируют относительно пробуриваемой скважины в соответствии с ее конструкцией. Фиксируют установку забиванием в грунт анкерных креплений или заворачиванием в грунт с помощью гидромоторов винтовых фиксаторов.

После того как секция приводной штанги уйдет в скважину на всю длину, напорный механизм, осуществляющий осевую подачу бурового инструмента, отводят по направляющим в крайнее заднее положение и на задний торец приводной штанги навинчивают дополнительную секцию, комплект которых хранится в специальной кассете, установленной на станке. Затем бурение продолжается.

Специальная ультразвуковая или электромагнитная аппаратура позволяет постоянно отслеживать с дневной поверхности положение бурового снаряда. При отклонении буровой головки от заданной траектории вращение штанги приостанавливают иударным импульсами забивают буровую головку в грунт. Благодаря асимметричной форме долота (рис. 3.19) оно при поступательном движении без одновременного вращения отклоняется в ту или иную сторону (направление отклонения регулируется поворотами штанги на часть оборота). После того как траектория бурильного снаряда вернется к расчетной, бурение возобновля­ется.

Рис. 3.19. Типы долот для горизонтального бурения:

1 — буровая штанга с долотом; 2 — 5 — долота для различных грунтов и условий проходки

После выхода буровой головки в заданную точку ее снимают и к приводной штанге присоединяют расширитель, к которому с помощью вертлюга (серьга, допускающая осевое вращение за­крепляемого объекта) присоединяют трубопровод или кабель. За­тем колонну приводных штанг начинают, вращая, вытягивать из пилотной скважины. Расширитель, вращаясь, расширяет пилотную скважину до диаметра трубы, которая на вертлюге втягивает­ся вслед за ним в скважину. В процессе бурения пилотной скважи­ны и ее расширения по полым приводным штангам к буровой головке и расширителю подается под давлением до 80 МПа бен­тонитовый раствор, который предотвращает обрушение стенок скважины и облегчает затягивание в скважину трубы или кабеля.

Управлять движением буровой головки при бурении пилотной скважины помогает компьютерная навигационная система. Зонд, установленный внутри буровой головки, соединен кабелем с бло­ком обработки информации в кабине оператора. Блок обрабаты­вает сигналы, поступающие от зонда, и выводит их на экран пе­ред оператором в виде чисел, оценивающих соответствие факти­ческого и расчетного положений буровой головки. При отклоне­нии направления движения буровой головки от проектной траек­тории оператор приостанавливает вращение буровых штанг и при­водит в действие механизм их вдавливания без вращения, в ре­зультате чего буровая головка из-за своей несимметричной фор­мы отклоняется в нужном направлении.

Еще одним эффективным методом бестраншейной прокладки подземных магистралей является «раскатка» пилотной скважины. В отличие от бурового инструмента, который разрушает грунт и извлекает его из скважины, раскатчик раздвигает породу, вдав­ливая ее в стенки образующейся скважины. Благодаря этому прочность грунтовых стенок скважины становится сопоставимой с прочностью бетонной трубы и грунт в скважине, устроенной с помощью раскатчика, не проседает, что способствует сохранно­сти проложенных в ней коммуникаций.

Раскатчик также пригоден для устройства набивных свай, ан­керов, «стен в грунте», зондирования и глубинного уплотнения грунтов и многих других строительных и ремонтных работ. В част­ности, применение раскатчика позволяет значительно упростить ремонт старых магистралей без проведения открытых земляных работ. Раскатчик, ввинчиваясь в старую трубу, разрушает ее и од­новременно затягивает внутрь новую.

Проходку скважин этим способом выполняют с помощью специальных грунтораскатывающих установок с режущей рабочей головкой, оборудованной ножами пропеллерного типа.

Для проходки в грунтах скважин диаметром свыше 300 мм широкое применение нашли микрощиты. Их отличительной осо­бенностью является то, что они позволяют устраивать скважины в любых грунтах и практически любой длины. Как правило, микрощит комплектуют установкой для приготовления и подачи бен­тонитового раствора в забой и удаления шлама из скважины, на­ходящейся вне забоя. Как и при забивке труб, проходка скважины микрощитом (рис. 3.20) предусматривает устройство стартового и финишного забоев, но работа оборудования основана на ином принципе действия. Грунт разрушает режущий инструмент буро­вой головки, вращение которой совмещено с ее осевой подачей.

Рис. 3.20. Микрощит для проходки горизонтальной скважины:

1 — двигатель с трансмиссией; 2 — обсадная труба; 3 — буровая штанга; 4 - винтовой конвейер; 5 — установка для приготовления и подачи в забой бентонитового раствора и удаления шлама; 6 — буровая головка

Диаметр скважины, остающейся после разрушения грунта, превышает диаметр обсадной трубы, что в значительной степени об­легчает ее подачу в пробуриваемое отверстие. По мере удлинения скважины буровую штангу с винтовым конвейером и обсадную трубу наращивают со стороны установки. В забой подают бентони­товый раствор, снижающий силы трения инструмента и обсадной трубы о грунт и облегчающий эвакуацию разрушенной породы винтовым конвейером из внутренней полости рабочего оборудо­вания. Высокую точность проходки скважины обеспечивает как качество предварительной установки оборудования в стартовом забое, так и система наведения, оснащенная задатчиками курса. Щитопроходческие работы выполняют обычно в три стадии. На первой (подготовительной) устраивают монтажную или на­чальную шахту для опускания щита в забой, подключают к ста­ционарной электросети или устанавливают автономные источни­ки энергии, устраивают вентиляцию и т. п. Прокладывают также пути для откатки грунта, оборудуют стройплощадку. В начальной шахте устраивают свайный упор и монтируют на проектной от­метке проходческий щит. На второй стадии начинают проходку — передвижку щита, включающую в себя разработку грунта в забое, продвижение щита, монтаж блочной или возведение монолит­ной обделки. На третьей стадии выполняют отделочные работы, состав которых зависит от назначения скважины.