СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ГОРНОЙ ВЫРАБОТКИ ИЛИ ТОННЕЛЯ Российский патент 1998 года по МПК E02D29/63 

Изобретение относится к разработке полезных ископаемых на шельфе и континентальном склоне океана (нефтяных, газовых, газонефтяных, газоконденсатных залежей и др. ), к проведению транспортных тоннелей (в том числе ж/д) под дном океана между материком и островом или островами; к проведению подводных тоннелей между материком или островом и мелководьем с последующим возведением искусственного острова на мелководье (с целью освоения дна мирового океана) и т.п.

Предлагаемый способ относится также к межотраслевой проблеме таких отраслей, как горная, нефтяная, газовая, надводный и подводный транспорт, стройиндустрии и т.п.

Известен традиционный способ проведения шельфовых горных выработок (ГВ) и тоннелей под нормальным давлением с применением горных комбайнов или БВР, в том числе щитовой способ.

Недостатки этого способа следующие:
- в горной выработке в ограниченном пространстве осуществляются все операции технологического процесса проведения ГВ;
- материалы, оборудование, механизмы, персонал, запчасти, секции крепи, транспорт горной массы и материалов располагаются в ограниченном пространстве ГВ;
- скорость проведения ГВ до 800 м/мес. при протяженности парных ГВ от берега 27 км, что явно недостаточно при длине подводной трассы 100 км и более.

Предлагался способ укладки подводного тоннеля на дно океана, но такие недостатки, как возможность повредить якорем корабля крепь тоннеля, так и наличие только одной защиты от прорыва воды, не позволили реализовать этот способ укладки.

С целью устранения этих недостатков разработан и освоен способ опускных секций в подводную траншею (см. В.М. Ауэрбах и др. "Сахалин пока остров..." Журнал "Подземное пространство мира". Тоннельная ассоциация. Изд-во Центр. ТИМР. 1995, N 1, с. 28 - 37).

Способ опускных секций осуществляется по специальной технологии и "поточной" схеме: по мере изготовления тоннельных секций они доставляются к створу тоннеля и погружаются на дно вскрытой подводной траншеи. После стыковки соседних секций их засыпают грунтом и камнем и устраивают сопряжения с подрусловым участком тоннеля, сооружаемым щитовым способом (см. там же, с. 35 - 36).

Данный способ имеет теоретические преимущества, а также следующие недостатки:
1) несовершенная схема стыковки секций (на дне океана), выражающаяся в том, что каждая индивидуальная секция имеет с каждой стороны торцовую диафрагму, опорные консоли, устройство по стягиванию секций, эхолот, опорные блоки, гидроцилиндры, подходные шахты, балластные емкости, насос, сжатый воздух (см. там же, рис. 6, с. 36);
2) несовершенная схема индивидуального опускания секций в траншею, для чего используются следующие оборудование и механизмы: портальная рама, визирная мачта, лебедки, контрольная кабина, понтоны, тросовые оттяжки, подвески, опорные балки, якоря (см. там же, рис. 5, с. 36);
3) несовершенная схема формирования подводной траншеи и ее закладки секций после их стыковки на дне океана характеризуется незначительной глубиной опускания секций.

В итоге эти недостатки сводят на нет теоретические преимущества перед традиционным способом.

Известен (см. авт. св. СССР N 935621, БИ N 22, от 15.06.82, РФ) способ возведения подводного тоннеля для добычи нефти и газа из морских месторождений, включающий изготовление на береговой монтажной площадке опускных секций, спуск секций на воду, транспортирование их к месту погружения, контролирование стыковки секций и обустройство буровым и добычным оборудованием, при этом монтажные площадки размещают выше уровня воды, а акваторию связывают с морем посредством водовыпуска с затвором, а по мере изготовления секций возводят водонепроницаемое ограждение по периметру монтажной площадки.

Недостатки этого способа следующие: излишняя схема берегового создания секций, включающая наличие временных перегородок по торцам, спуск секций на воду и под воду, транспортировку секций к месту погружения, необходимость береговой монтажной площадки и т.п.

Устраняет вышеуказанные недостатки способ прокладки тоннеля через водную преграду, включающий монтаж секций тоннеля, рытье траншеи на дне водоема, опускание секций тоннеля на дно траншеи, стыкование секций тоннеля, отличающийся тем, что с целью повышения производительности способа секции тоннеля монтируют на плавбазе и стыкуют секции посредством эластичных вставок, опускание тоннеля на дно траншеи производят посредством гидроусилителей, начиная с крайней секции. Сверху тоннель засыпают грунтом.

Известен также способ (см. Журнал "Наука и жизнь", 1986, N 12, с. 15), который аналогичен способу (см. там же, с. 28 - 37) для водных преград небольшой глубины, и состоит из следующих операций: на палубе раскладывают блоки, их сваривают между собой, заделывают швы спецраствором, на дне тоннеля укладывают полотно в сборе, на ж/д полотно опускается техника, гидроусилители для монтажа тоннеля, то есть для фиксации блоков в нужном положении; готовая часть тоннеля сдвигается к норме; просушка швов и окраска тоннеля; тоннель идет непрерывной лентой. На дне водной преграды при помощи земснаряда разрабатывается траншея; плавзавод кормой подводится к берегу; при помощи гидророликов над палубой поднимают тоннель на 2 см, спускают при помощи эл. лебедок. Тоннель вытаскивается по траншее; тоннель продолжает наращиваться, при достижении берега по рельсам вводятся спецвагоны для установки тоннеля на место; сверху тоннель засыпается грунтом; при достижении ПГВ поднимается тоннель над палубой при помощи гидророликов на 2 см и носовыми лебедками, установленными на плавзаводе, вытаскивают его из-под тоннеля 2.

Для удобства монтажа в тоннель монтируется мягкая вставка; по мере готовности тоннеля он спускается в траншею с жесткой фиксацией ед. длины. Когда плавзавод достигнет другого берега, разрабатывается грунт до береговой отметки ПГВ на ширину, равную двойной ширине плавзавода, чтобы можно было вывести его в водоем.

Этот способ имеет преимущества:
- тоннель монтируется и стыкуется на плавбазе, а не на берегу и не в воде;
- тоннель укладывается лентой, а не индивидуальными секциями;
- все операции делаются под нормальным давлением.

Способ имеет следующие недостатки:
1) он предусматривает прокладку тоннеля через водную преграду, а не проведение подводной горной выработки для разработки месторождений нефти и газа;
2) прокладка тоннеля ведется через водную преграду, а не на мелководье;
3) секции тоннеля монтируют на плавбазе, что соответствует монтажу ж/б блоков, то есть предлагается технология сборного варианта монтажа каждой секции тоннеля, а не технология монолитного варианта с помощью опалубки; последний имеет ряд преимуществ перед технологией сборного варианта;
4) секции тоннеля монтируются на плавбазе, то есть утверждается, что создается плавбаза, на которой собирается тоннель, что обуславливает операцию, которая связана с дополнительной разработкой грунта, равной ширине двойной ширины плавзавода и лишней балластной цистерне;
5) стыкуют секции посредством эластичных вставок, которые могут применяться с ж/б блоками, на небольшой глубине водоема;
6) опускание тоннеля на дно траншеи производят посредством гидроусилителей. Однако последние упоминаются только в операции для фиксации блоков в нужном положении, т. е. для фиксации блока относительно последнего. Самая ответственная операция - это фиксация блока относительно уже установленной (как бы "якорной") секции с учетом расположения стенок траншеи.

Все это возможно при предварительной прокладке траншеи и небольшой глубине воды и при возможности визуального наблюдения за проведением этой операции. Эти ограничения резко снижают темпы прокладки тоннеля и не исключают просчеты в параметрах прокладки, так как отсутствует автоматический контроль за выполнением этой операции.

Более того, опускание тоннеля гидроусилителями предполагает автоматизацию и компьютеризацию этой операции и при этом плавбаза должна строго соблюдать свое месторасположение относительно проложенного и наращиваемого тоннеля;
7) сверху тоннель засыпают грунтом, причем не указано, когда эта операция осуществляется. Однако она производится при наличии в тоннеле нормального давления, что указывает на область небольших глубин океана и утяжеление конструкции тоннеля;
8) дополнительная операция предусматривает ввод спецвагонов с грузом для прижатия к грунту тоннеля, так как предусмотрен "сухой" способ прокладки тоннеля;
9) гидроролики излишни;
10) для удобства монтажа в тоннель монтируется мягкая вставка. Данная вставка имеет место, преградой является река, небольшой залив, а не океан;
11) наличие секции тоннеля, собранной из блоков прямоугольного сечения, то есть для небольших глубин.

Этот способ принят за прототип.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что секции крепи горной выработки или тоннеля производят секционный опалубкой по монолитной технологии у плавбазы выше уровня воды и стыкуют секции посредством секционных универсальных шарниров, а опускание созданной цепи секций на дно траншеи осуществляют с опорой на закрепленную ("якорную") секцию в траншеи и направляющую (для цепи секций) у "земснаряда", который производит выемку траншеи одновременно с дифференцируемой закладкой закрепляемой секции этим же грунтом (породой), при помощи бесконечной тяговой цепи, замкнутой в вертикальной плоскости. Секции крепи горной выработки или тоннеля, расположенные на дне океана, предварительно заполняют морской водой (под давлением), которая перед эксплуатацией выработки или тоннеля откачивается, а ранее траншея с секциями посекционно заполняется (одновременно с выемкой породы) водонепроницаемым компонентом, на который вслед закладывается слой разрушенной породы с цементирующими добавками, а сверху - оставшийся грунт (порода).

На фиг. 1 изображена плавбаза, вид в плане; на фиг. 2 - плавбаза, вид сбоку; на фиг. 3 - плавбаза, фронтальный вид; на фиг. 4 - плавбаза, вид с кормы; на фиг. 5 - секция крепи горной выработки или тоннеля, произведенная по монолитной технологии; на фиг. 6 - то же, вид сбоку; на фиг. 7 - то же, часть, универсальный шарнир, разрез; на фиг. 8 - схема проведения подводной ГВ или тоннеля, вид сбоку; на фиг. 9 - то же, вид в плане; на фиг. 10 - схема взаиморасположения связующей (плавбазы и "земснаряда") и цепи секций, разрез; на фиг. 11 - схема расположения траншеи и секции крепи при "сухом" варианте, разрез; на фиг. 12 - то же, при "мокром" варианте; на фиг. 13 - то же, при водонепроницаемом компоненте; на фиг. 14 - то же, при закладке разрушенной породы с цементирующими добавками; на фиг. 15 - то же, при закладке грунта - "сухой" вариант; на фиг. 16 - то же, при "мокром" варианте; на фиг. 17 - схема на фиг. 8 с расположением нефтепромысла в ГВ и схема бурения эксплуатационных скважин в нефтепласт.

Способ проведения подводной горной выработки или тоннеля под дном океана с разработкой траншеи и опускными секциями с последующей их закладкой содержит следующие технологические операции:
1. У созданной плавбазы (фиг. 1 - 4) производят по монолитной технологии с помощью секционной опалубки 2 выше уровня воды секции крепи 3.

2. Секции 3 стыкуют посредством секционных универсальных шарниров 4 (фиг. 5 - 7) непосредственно в опалубке 2, каждая секция опалубки состоит из внутренней и внешней частей.

3. Каждая готовая (крайняя) секция 3, расположенная у носовой части плавбазы 1 в опалубке 2 и связанная с другими шарнирно 4, перемещается с помощью направляющей 5 посредством бесконечной тяговой цепи 6 с секционными захватами, замкнутой в вертикальной плоскости, в сторону кормы до ее конца, где внутренняя опалубка секции отделяется, складывается и перемещается по внутреннему пространству опалубок к освобожденному месту крайней носовой будущей секции крепи 3, а внешняя часть секционной опалубки также отделяется от секции, которая выходит за пределы плавбазы 1 и другим внешним путем приходит на стыковку с внутренней ее частью в исходное положение.

4. Опускание секций (фиг. 8 - 9), собранных вышеуказанными операциями в цепь 7 секций, на дно траншеи 8 осуществляют с опорой на закрепленную, как бы "якорную", секцию 9 в траншее при наличии жесткой направляющей 10 и гибкой связующей 11 (для цепи 7), соединенных с "земснарядом" 12 и плавбазой 1, при помощи бесконечной тяговой цепи 6 плавбазы. Цепь 7 скользит по направляющей 10 и связующей 11.

5. Каждая секция 13 (фиг. 8), которая выходит за пределы кормы плавбазы, освобождается от опалубки 2, а по внутреннему пространству "неподвижных" (относительно друг друга) секционных опалубок подаются внутренние компоненты секции крепи, например ж/д полотно в сборе и т.п., которые устанавливаются в секции, секция 13 готова к спуску.

6. На дне океана "земснаряд" 12 производит выемку траншеи одновременно с дифференцированной закладкой секции 14 с добавками, поступающими по связи 11, и перемещается вдоль трассы траншеи. Компоненты и цементирующие добавки закладки, как и энергия, свежий воздух и т.д., перемещаются из плавбазы 1 к "земснаряду" 12 и траншее 8.

7. Первоначальная операция присоединения к сухопутной части 15, разрабатываемой традиционным способом, состоит в следующем.

Плавбаза 1 с помощью опалубки 2 производит цепь секций, располагающихся над уровнем воды, длиной, равной сумме длин плавбазы и цепи 7.

Из плавбазы аналогично поступают связующие 11 необходимой длины с помощью внутреннего пластинчатого конвейера и соединяются с цепью 7.

Затем плавбаза 1 кормой подходит к берегу, и стыкуется цепь 7 секций с сухопутной частью 15, а "земснаряд" 12 начинает проводить траншею по породам с коэффициентом крепости по шкале проф. М.М.Протодьяконова 1 - 3 (при большей величине коэффициента скорости проведения ГВ снижаются). Далее следуют технологические операции 4 - 6, где начальной "якорной" секцией служит секция 15.

8. Конечная операция присоединения к аналогичной части другого берега заключается в следующем.

Плавбаза 1 останавливается на определенном расстоянии до берега с рассчетом, что уже созданная цепь 7 и секции в пределах плавбазы достигают "сухопутной" намеченной части секций. Затем отсоединяются (выше уровня воды) связующие 11 от плавбазы, отводятся в сторону и закрепляются у плавбазы, из которой выпускается другая часть связующих длиной около длины плавбазы и устанавливается около секций 3 в пределах плавбазы. Эти связующие 11 стыкуются между собой и опускаются на воду. По мере движения "земснаряда" 12 в траншею укладывается цепь 7, а связующие 11 перемещаются (вариант 1) лебедками на берег, периодически они отсоединяются и складируются в плавбазе 1.

"Земснаряд" 12 прокладывает до берега траншею и производит закладку, а плавбаза стоит на фиксированном месте.

9. С целью достижения большей глубины океана секции, расположенные на дне траншеи 8 океана, предварительно заполняют морской водой (под давлением столба воды, меньшего глубины заложения секций), которая позволяет каждой секции прочно осесть на дно траншеи. Траншея с секцией 14 заполняется водонепроницаемым компонентом (фиг. 12), уровень которого несколько повышают и превышают высоту секций (фиг. 13), на которой закладывается слой разрушенной породы с цементирующими добавками (фиг. 14), а сверху - оставшийся грунт (порода) (фиг. 16).

По истечении времени водонепроницаемый компонент и порода с цементирующими добавками твердеют и воспринимают совместно с боковыми породами траншеи давление воды.

10. После чего и перед эксплуатацией ГВ или тоннеля воду откачивают.

11. Проведение подводной ГВ 16 (фиг. 17) есть продолжение основного ствола 17 шельфовой нефтешахты 18, которая по сути есть альтернатива морской платформе.

В ГВ 16 располагают нефтепромысел с оборудованием, с помощью которого бурят эксплуатационные скважины 19 в нефтепласт 20 по традиционной технологии (с некоторыми отклонениями). Стрелка - свежая струя воздуха, стрелка с кружочком - транспорт нефти и газа.

При этом сечение ГВ есть величина не постоянная, а переменная.

Такие проблемы, как бурение скважин из горизонтальных ГВ (подводных) и обеспечение безопасности работ, исключающих пожары и взрывы в шахте, не представляют технических трудностей. Способ имеет еще ряд преимуществ перед морской платформой, например увеличение коэффициента извлечения нефти, и т. п.

Область применения способа:
1. Удаленность от берегам - до 100 - 300 км.

2. Глубина океана - до 1000 м.

3. Запасы нефти и газа 10 - 100 млн. т.у.т. и более.

4. Продолжительность строительства ГВ или тоннеля 1 - 3 года.

5. Сечение ГВ в свету 30 - 120 м².

6. Коэффициент крепости породы дна - до 1 - 3.

Экономическое обоснование способа, в первую очередь, основано на высокой скорости проведения ГВ и тоннелей (до 5 - 10 км/мес), что позволит "замораживать" финансы на малое время (1,5 - 3,5 года) с вытекающими последствиями и достигать больших глубин океана.

Изобретение предназначено для разработки месторождений нефти и газа на шельфе и для строительства тоннелей на дне океана. Способ заключается в создании секций крепи по монолитной технологии с помощью секционной опалубки и их стыковке в пределах плавбазы. Состыкованные секции, образующие непрерывную ленту. опускают на дно и укладывают в траншею, которую проводят на дне одновременно с укладкой секций крепи и их засыпкой грунтом. Перед укладкой на дно секции крепи могут быть заполнены водой, которая откачивается перед эксплуатацией горной выработки или тоннеля. Способ позволяет снизить сроки строительства тоннеля или горной выработки при одновременном увеличении глубины их проведения. 1 з.п. ф-лы. 17 ил.

1. Способ проведения подводной горной выработки или тоннеля, включающий создание и стыковку секций крепи горной выработки или тоннеля в пределах плавбазы, проведение траншеи на дне океана, опускание ленты секций крепи на дно траншеи, начиная с крайней секции, и засыпку секций крепи грунтом, отличающийся тем, что секция крепи горной выработки или тоннеля изготовляют по монолитной технологии с помощью секционной опалубки в пределах плавбазы выше уровня воды и стыкуют между собой посредством секционных универсальных шарниров, опускание ленты секций крепи на дно траншеи осуществляют при помощи бесконечной тяговой цепи, размещенной в пределах плавбазы и замкнутой в вертикальной плоскости, с опорой на закрепленную в траншее секцию и направляющую, расположенную у земснаряда, при этом проведение траншеи осуществляют одновременно с дифференцируемой закладкой и засыпкой грунтом закрепленной секции крепи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед укладкой секции крепи горной выработки или тоннеля в траншею их заполняют морской водой под давлением меньшим по сравнению со столбом воды от уровня моря до траншеи, а траншею заполняют частично водонепроницаемым компонентом, после укладки засыпку секций крепи производят послойно породой или грунтом, причем в первый слой размещают породу или грунт с цементирующими добавками, при этом перед эксплуатацией тоннеля воду из секций крепи откачивают.