СПОСОБ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБ В ГРУНТЕ Российский патент 1995 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для бестраншейной прокладки труб в грунтовом массиве с использованием упругого миграционного геоэффекта, позволяющего снизить энергоемкость способа и повысить производительность. Известен способ бестраншейной прокладки труб в грунте, включающий проходку горизонтальных скважин в направлении проектной оси прокладываемой трубы [1]. Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не использует вибровоздействия для управления состоянием и свойствами грунтового массива в процессе прокладки труб.

Известен также способ бесштраншейной прокладки труб в грунте, согласно которому по внутренней полости прокладываемой трубы на забой перемещают ударно-вибрационный грейфер, по проектной оси прокладываемого трубопровода образуют выработку ударно-вибрационным внедрением грунтозаборника грейфера в грунтовый массив, трубу с открытым передним концом погружают в образованную грунтозаборником выработку приложением к ее заднему торцу осевого усилия, грейфер с заполненным грунтозаборником извлекают из внутренней полости трубы, после извлечения его из трубы его разворачивают в вертикальное положение и осуществляют разгрузку грунтозаборника в ударном режиме [2]. Известный способ трудоемок, нетехнологичен, не позволяет управлять состоянием и свойствами грунтового массива и не использует в процессе прокладки труб вибровоздействия в выбранном диапазоне частот.

Цель изобретения - повышение эффективности и снижение энергоемкости.

Достигается это тем, что перед внедрением грунтозаборника грейфера в грунтовый массив параллельно проектной оси прокладываемой трубы бурят до коренных или скальных пород два ряда вертикальных скважин, обустраивают скважины и определяют основную частоту вибровоздействия на горный массив, при этом расстояние между смежными скважинами в каждом ряду составляет не менее три и не более пяти длин волн основной частоты, излучаемой в массив, затем в пробуренных скважинах размещают виброисточники невзрывных колебаний, оси которых ориентируют в направлении действия максимальных главных напряжений в массиве, причем оси источников колебаний, которые расположены по разные стороны от проектной оси прокладываемой трубы, ориентируют навстречу друг другу, а после этого одновременно возбуждают в источниках колебания с уровнем напряжений в знакопеременной упругой волне не менее 0,3 и не более 0,6 от уровня разрушающих напряжений для слагающих массив грунтов и через скважины в грунтовый массив нагнетают разупрочняющие растворы с добавкой не менее 3% и не более 5% поверхностно-активных веществ, затем осуществляют поэтапное вибрационное воздействие на массив частотой на первом этапе от 60 до 1500 Гц, подачу в скважины при достижении в массиве напряжений, равных 0,5 от разрушающих рабочей жидкости с добавлением кварцевого песка, и последующее вибрационное воздействие на втором этапе частотой, равной частоте колебаний локального участка грунта в месте прокладки трубы, причем вибрационное воздействие на массив на первом этапе осуществляют в течение времени, при котором прочность грунта на разрыв снизится не менее чем на 20% и не более чем на 60% от первоначальной, а вибрационное воздействие на массив на втором этапе осуществляют в течение времени, при котором в грунтовом массиве деформации сжатия сменят деформации растяжения, после чего нагнетание в грунтовый массив разупрочняющих растворов осуществляют с частотой 150 Гц, причем в скважины при нагнетании рабочей жидкости добавляют 2% поверхностно-активных веществ, а размер частиц кварцевого песка или других минеральных добавок составляет не менее 0,03 мм и не более 0,15 мм. Нагнетание разупрочняющих растворов в грунтовый массив осуществляют попеременно из каждого ряда скважин, которые расположены по разные стороны от проектной оси прокладываемой трубы, при этом вибровоздействия на грунтовый массив из каждого ряда скважин не превышает времени (Т) мигpации флюидов-жидкостей и газовоздушных компонент, содержащихся в порах и трещинах грунтового массива, которое определяют из выражения: Т = Л/Ф, где Л - путь проходимый упругой волной в одном направлении, м; Ф - скорость миграции флюидов под воздействием упругой волны, м/с.

При развороте грейфера в вертикальное положение и разгрузке его грунтозаборника в виброгрейфере возбуждают колебания с частотой, равной частоте собственных колебаний виброгрейфера при этом вибровоздействия на грейфер осуществляют до полной очистки его грунтозаборника от грунта.

В качестве разупрочняющего раствора используют раствор поверхностно-активных веществ, в качестве разупрочняющего раствора - раствор гидроокиси натрия, в качестве разупрочняющего раствора - раствор гидроокиси натрия с метанолом. Перед нагнетанием в грунтовый массив разупрочняющих растворов последние нагревают до 80^оС. Перед нагнетанием в грунтовый массив на разупрочняющие растворы воздействуют ультразвуковыми колебаниями до снижения вязкости растворов не менее чем на 10% и не более чем 80%.

На фиг.1 приведена схема осуществления способа.

Она имеет 1 - локальный участок грунтового массива, 2 - скважины для размещения виброисточников, 3 - виброисточники, 4 - упруговязкое тело, 5 - компрессор высокого давления -ЭУ-5 или ЭУ-7, 6 - электронный пульт управления для синхронизации работы группы виброисточников, 7 - микро-ЭВМ, 8 - виброгрейфер, 9 - слой редкоземельного вещества, 10 - источник возбуждающего напряжения.

Способ осуществляют следующим образом. С помощью датчиков давления горных пород, устанавливаемых в контрольную скважину, определяют поле напряжений и векторы минимального и максимального главных напряжений в локальном участке грунтового массива, где нужно осуществить прокладку труб. По торцам участка, на котором производят укладку труб, на удалении от места прокладки в 3-5-ть длин волн основной частоты, излучаемой в грунтовой массив, бурят скважины 2, глубиной до коренных или скальных пород Ф300-500 мм и размещают в них невзрывные виброисточники колебаний 3. Скважины 2 при размещении в них виброисточников 3 заполняют упруговязким телом 4, в качестве которого используют мокрый песок, и другие минеральные добавки, причем акустическое сопротивление материала упруговязкого тела 4 выбирают примерно равным величине акустического сопротивления грунта, в котором пробурена скважина, что позволяет вводить упругую энергию в массив с максимальным КПД. Подавая от компрессора высокого давления 5 импульс сжатого воздуха, возбуждают посредством источника 3 упругие колебания в диапазоне от 60 до 1500 Гц и осуществляют синхронизацию этих колебаний с использованием электронного пульта управления 6 и микро-ЭВМ 7. Время синхронной работы группы виброисточников зависит от обводненности грунтов и их физико-механических свойств. Оси источников 2, расположенных с шагом 7-12 м, параллельно на торцах участка в скважинах 2 ориентируют навстречу друг другу и последовательно с помощью источников возбуждают упругие колебания сначала с одной стороны локального участка грунтового массива, а затем - с другой, причем время вибровоздействия с каждого торца участка выбирают, исходя из оптимальных условий волнового подобия - соотношения длины упругой волны и размеров неоднородности, с которой взаимодействует упругая волна, и время вибровоздействия на грунтовый массив из каждого ряда скважин не превышает времени Т-мигpации флюидов-жидкостей и газовоздушных включений, содержащихся в порах и трещинах пород или грунта, которое определяют из выражения Т = Л/Ф, где Л - путь проходимый упругой волной, м; Ф - скорость миграции флюидов под воздействием упругой волны, м/с. Перед внедрением грунтозаборника в грунтовый массив возбуждают в нем упругие колебания, причем вибровоздействия осуществляют в несколько этапов:
вначале воздействуют на грунтовой массив с частотой от 60 до 1500 Гц в совокупности с нагнетанием в массив разупрочняющих растворов и вибровоздействия осуществляют в течение времени, при котором прочность грунта снизится на 20-60% от первоначальной;
затем переходят на частоту, равную частоте колебаний грунтового массива и вибровоздействия, осуществляют в течение времени, при котором в грунтовом массиве деформации сжатия сменят деформации растяжения, что соответствует оптимальной проницаемости грунта;
затем вибровоздействия прекращают и переходят на частоту вибровоздействия, равную 150 Гц, в совокупности с нагнетанием в массив перед внедрением виброгрейфера разупрочняющих растворов, что способствует резкому увеличению производительности труда за счет снижения прочности грунта на разрыв от 10 до 60% по сравнению с первоначальной, что проверено методом гидроразрыва до и после вибровоздействия.

Чтобы нагнетаемые растворы обладали большей диффундирующей способностью и способствовали большему охвату нагнетаемыми растворами, в них добавляют 50-75% газовых компонент под давлением 3-5 атм, причем при низких скоростях инжекции нагнетают в грунтовой массив - азот, а при высоких - углекислый газ.

Чтобы виброгрейфер работал в резонансном режиме, на его поверхность наносят слой редкоземельного вещества, например, интерметаллические соединения типа: RFe₂:МгFe₂, ТьFe₂, HoFe₂, ВгFe₂, ТмГе₂ подводят к слою электроды, подают на него возбуждающее напряжение от источника 10 и возбуждают упругие колебания в широком диапазоне частот от Герц до десятков и более кГц, что в особенности важно при внедрении и разгрузке виброгрейфера в грунтовом массиве.

При распространении энергия волны переходит из одних участков массива в другие и на пути распространения волны образуются волны сжатия и растяжения. Под воздействием мощных вибрационных нагрузок при прохождении упругой волны через участки нагретых пород или грунтов свыше 30^оС имеют место кавитационные явления, то есть в зоне разрежения упругой волны возникают гидроразрывы-мельчайшие пузырьки, заполненные газом и паром и схлопывающиеся в зоне сжатия упругой волны, вследствие чего резко - на несколько порядков - проницаемость грунтового массива и снижается прочность грунта на разрыв от 10 до 60% по сравнению с первоначальной. В качестве разупрочняющих растворов используют ПАВ, гидроокись натрия или гидроокись натрия с метанолом, нагретых до 80^оС. Для снижения вязкости нагнетаемых растворов и увеличения глубины их проникновения в грунтовой массив на них воздействуют ультразвуковыми колебаниями в диапазоне 1-20 кГц, вследствие чего вязкости этих растворов снижается от 10 до 80%.

Таким образом, предварительное разупрочнение грунтового массива перед внедрением виброгрейфера в заданном направлении и последующая его работа в резонансном режиме при его внедрении и разгрузке способствует значительному повышению эффективности за счет снижения энергоемкости.

Использование способа позволит значительно сократить затраты времени при прокладке труб под инженерными сооружениями, снизить энергоемкость способа и увеличить устойчивость прокладываемых труб с грунтовым массивом за счет нагнетания в затрубное пространство скрепляющих растворов по сравнению с имеющимися способами прокладки труб.

Сущность изобретения: согласно способу бестраншейной прокладки труб в грунте по внутренней полости прокладываемой трубы на забой перемещают ударно-вибрационный грейфер. Затем осуществляют разупрочнение грунтового массива и по проектной оси прокладываемого трубопровода образуют выработку ударно-вибрационным внедрением грунтозаборника в грунтовый массив. Трубу с открытым передним концом погружают в образованную выработку. Грейфер с заполненным грунтом грунтозаборником извлекают из внутренней полости трубы и осуществляют разгрузку грунтозаборника в ударном режиме. Для разупрочнения грунтового массива параллельно оси прокладываемой трубы бурят два ряда скважин. В пробуренных скважинах размещают невзрывные пневматические источники колебаний. Одновременно возбуждают в источниках колебания и через скважины нагнетают разупрочняющие растворы. Затем осуществляют поэтапное вибрационное воздействие на массив. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБ В ГРУНТЕ, согласно которому по внутренней полости прокладываемой трубы на забой перемещают ударно-вибрационный грейфер, по проектной оси прокладываемого трубопровода образуют выработку ударно-вибрационным внедрением грунтозаборника в грунтовый массив, трубу с открытым передним концом погружают в образованную грунтозаборником выработку приложением к ее заднему торцу осевого усилия, грейфер с заполненным грунтом грунтозаборником извлекают из внутренней полости трубы, после извлечения грейфера из трубы его разворачивают в вертикальное положение и осуществляют разгрузку грунтозаборника в ударном режиме, отличающийся тем, что перед внедрением грунтозаборника грейфера в грунтовый массив параллельно оси прокладываемой трубы бурят до коренных или скальных пород два ряда вертикальных скважин, обустраивают скважины и определяют основную частоту вибровоздействия на горный массив, при этом расстояние между смежными скважинами в каждом ряду составляет не менее 3 и не более 5 длин волн основной частоты, излучаемой в грунтовый массив, затем в пробуренных скважинах размещают невзрывные пневматические источники колебаний, оси которых ориентируют в направлении действия максимальных главных напряжений в массиве, причем оси источников колебаний, которые расположены по разные стороны от проектной оси прокладываемой трубы, ориентируют навстречу одна другой, а после этого одновременно возбуждают в источниках колебания с уровнем напряжений в знакопеременной упругой волне не менее 0,3 и не более 0,6 от уровня разрушающих напряжений для слагающих массив грунтов и через скважины в грунтовый массив нагнетают разупрочняющие растворы с добавкой не менее 3% и не более 5% поверхностно-активных веществ, затем осуществляют поэтапное вибрационное воздействие на массив частотой на первом этапе в диапазоне от 60 до 1500 Гц, подачу в скважины по достижении в массиве напряжений, равных 0,5 разрушающей рабочей жидкости с добавлением кварцевого песка, и последующее вибрационное воздействие на втором этапе частотой, равной частоте колебаний локального участка грунта в месте прокладки трубы, причем вибрационное воздействие на массив на первом этапе осуществляют в течение времени, при котором прочность грунта на разрыв снизится не менее чем на 20% и не более чем на 60% от первоначальной, а вибрационное воздействие на массив на втором этапе осуществляют в течение времени, при котором в грунтовом массиве деформации сжатия сменят деформации растяжения, после чего нагнетание в грунтовый массив разупрочняющих растворов осуществляют с частотой 150 Гц, причем в скважины при нагнетании рабочей жидкости добавляют 2% поверхностно-активных веществ, а размер частиц кварцевого песка или других минеральных добавок составляет не менее 0,03 мм и не более 0,15 мм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагнетание разупрочняющих растворов в грунтовый массив осуществляют попеременно из каждого ряда скважин, которые расположены по разные стороны от проектной оси прокладываемой трубы, при этом вибровоздействия на грунтовый массив из каждого ряда скважин не превышает времени T миграции флюидов жидкостей и газовоздушных компонент, содержащихся в порах и трещинах грунтового массива, которое определяют из выражения
T = Л/Ф,
где Л - путь, проходимый упругой волной в одном направлении, м;
Ф - скорость миграции флюидов под воздействием упругой волны, м/с. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при развороте грейфера в вертикальное положение и разгрузке его грунтозаборника в виброгрейфере возбуждают колебания с частотой, равной частоте собственных колебаний виброгрейфера, при этом вибровоздействие на грейфер осуществляют до полной очистки его грунтозаборника от грунта. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют раствор поверхностно-активных веществ. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют раствор гидроокиси натрия. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве разупрочняющего раствора используют раствор гидроокиси натрия с метанолом. 7. Способ по пп.1, 4, 5 или 6, отличающийся тем, что перед нагнетанием в грунтовый массив разупрочняющих растворов последние нагревают до 80^oС. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед нагнетанием в грунтовый массив на разупрочняющие растворы воздействуют ультразвуковыми колебаниями до снижения вязкости растворов не менее чем на 10% и не более чем на 80%.