СПОСОБ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДА В ГРУНТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к технологии производства строительных работ и может быть использовано при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.

Известен способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте (см. проспект фирмы "Tracto-Technik", ФРГ), при котором трубу погружают в грунт открытым концом до выхода его на свободную поверхность. Затем на один из концов трубы устанавливают заглушку и через нее подают внутрь трубы текучую среду под давлением, например сжатый воздух или его смесь с водой, под действием которой грунтовый керн выдавливается через другой открытый конец. Однако область применения этого способа ограничена необходимостью забивания трубы на всю длину сооружаемого перехода. При больших длинах погружения внутри трубы образуется грунтовая пробка, препятствующая дальнейшему поступлению керна в трубу, вызывающая свайный эффект и практически останавливающая процесс погружения трубы в грунт. Для преодоления пробки требуется замена применяемого для прокладки трубы оборудования на более мощное, а после повторного ее возникновения - еще более мощное и т.д. Указанное обстоятельство ведет к большим энергозатратам и часто к необратимым деформациям погружаемой трубы или разрывам сварных швов, соединяющих отдельные секции трубы. Аналогично грунтовая пробка может образовываться и при выдавливании грунтового керна, если его длина превосходит определенное значение, зависящее от физико-механических свойств грунта и размеров трубы (диаметра и длины). Для продолжения процесса выдавливания в этом случае требуется более высокое давление текучей среды под давлением, что также приведет к отмеченным выше негативным явлениям.

Известен способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте (см. Н.Я. Кершенбаум и В. И. Минаев "Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом"// М. Недра, 1984 г., с. 26-30), позволяющий увеличить длину погружения трубы. При этом способе трубу погружают в грунт открытым концом путем приложения к другому концу виброударной нагрузки. Под действием этой нагрузки грунтовой керн движется в сторону, противоположную перемещению трубы. Реализация этого способа требует точной настройки и подстройки в процессе погружения трубы параметров процесса (частоты возмущений, значение их сил и т.д.) из-за различных физико-механических свойств грунтов. Кроме того, необходимые для осуществления этого способа динамические нагрузки имеют значительные величины, что часто ведет к необратимым деформациям и поломкам как трубы, так и применяемого оборудования.

Известен также способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте, использование которого позволяет увеличить длину погружения труб (см. а.с. СССР N 1041646, кл. E 02 F 5/18, E 02 D 17/166 от 17.03.79). По этому способу для увеличения длины погружения трубы грунтовый керн, образующийся в трубе, периодически разрушается и удаляется из трубы, чем снижается сопротивление погружению трубы в грунт. Для разрушения и удаления грунтового керна используется самопередвигающееся грунтозаборное устройство, состоящее из грунтозаборной емкости (желонки) и привода поступательного перемещения, в качестве которого используется самопередвигающийся пневмоударный механизм (пневмопробойник). Однако из-за цикличности процесса удаления керна из трубы значительных затрат времени на перемещение грунтозаборного устройства до грунта и транспортирования его в исходное положение, а также малых разовых объемов эвакуируемого грунта этот способ имеет низкую производительность.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предполагаемому изобретению является способ бестраншейной прокладки трубопроводов в грунте (см. Н.Я.Кершенбаум и В.И. Минаев "Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом"// М. Недра. 1984, с. 36-37), при котором трубу со встроенным в нее грунтопроводом, выполненным также в виде трубы, погружают в грунт открытым концом, формируют в упомянутом грунтопроводе грунтовый керн и удаляют его через тот же грунтопровод путем отрыва и выдавливания по частям по мере его образования текучей средой под давлением (сжатым воздухом), подаваемой в зону отрыва через инъектор, образованный межтрубным пространством между погружаемой трубой и грунтопроводом. Недостатком способа является большая энегроемкость процесса погружения трубы из-за значительного совместного лобового сопротивления погружаемой трубы и грунтового керна в грунтопроводе ввиду большой степени его обжатия и на преодоление сил трения грунтового керна о трубу.

Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением, является снижение энергоемкости процесса погружения трубы в грунт.

Она решается за счет того, что в известном способе бестраншейной прокладки трубопровода в грунте, при котором трубу погружают в грунт открытым концом, формируют грунтовый керн и удаляют его путем отрыва и выдавливания по частям по мере его образования текучей средой под давлением, подаваемой через инъектор в зону отрыва, грунтовый керн формируют непосредственно во внутреннем пространстве погружаемой трубы и выдавливают его по той же трубе, а инъектор вводят непосредственно в грунтовой керн.

Формирование грунтового керна непосредственно во внутреннем пространстве погружаемой трубы снижает затраты энергии за счет меньшего лобового сопротивления погружению и меньших сил трения, препятствующих движению керна в трубе, из-за меньшей степени его обжатия.

Выдавливание керна по погружаемой трубе также снижает энергозатраты из-за отмеченной выше меньшей степени обжатия керна. Этому же способствует и введение инъектора непосредственно в грунтовый массив.

Целесообразно на инъектор установить передвижной по его длине щит и производить отрыв удаляемой части керна на некотором расстоянии от переднего конца трубы. Это способствует более четкому формированию выдавливаемой части грунтового керна и созданию необходимого уплотнения между ней и трубой, а также препятствует прорыву текучей среды под давлением в затрубное пространство и между трубой и удаляемой частью керна.

Целесообразно в зону отрыва подавать, как минимум, две текучих среды под давлением с различными физико-механическими свойствами, например сжатый воздух и воду. Меняя их соотношение, можно вести процесс наиболее рационально при изменении физико-механических свойств грунта.

Целесообразно текучую среду под давлением подавать импульсно с переменным давлением, что интенсифицирует процесс отрыва и выдавливания керна.

Целесообразно в процессе удаления грунтового керна к трубе прикладывать динамические нагрузки, обеспечивающие снижение коэффициента трения, приводящее к ускорению процесса.

Целесообразно также инъектор закреплять в трубе и вводить в грунтовой керн одновременно с погружением трубы. Это позволит ускорить процесс за счет параллельного выполнения двух операций: погружение в грунт трубы и введение в грунтовый керн инъектора.

Известно устройство для подачи текучей среды под давлением в горные породы (см. "Нагнетание воды в угольные пласты для повышения безопасности горных работ"// Сборник. Недра. М. 1965, с. 118, рис. 7), содержащее инъектор, подключенный к источнику текучей среды под давлением в канал для подачи этой среды в горный массив. Инъектор вводится в предварительно пробуренную скважину и имеет герметизатор для зацепления в ней и предотвращение прорыва текучей среды под давлением. Недостатком его является сложная конструкция и необходимость проходки скважины для его установки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату устройством для осуществления заявляемого способа является устройство (см. Н.Я. Кершенбаум и В.И. Минаев "Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом"// М. Недра. 1984, с. 37, рис. 24), содержащее инъектор, подключенный к источнику текучей среды под давлением и имеющий каналы для подачи этой среды в грунтовый керн. Инъектор образован межтрубным пространством между погружаемой трубой и трубой-грунтопроводом, размещенной в первой с возможностью ограниченного перемещения назад и снабженной уплотнительным по ней поршнем, смонтированным на ее заднем конце, и клапанным затвором на переднем конце для плотного прилегания к элементам погружаемой трубы и образования канала для подачи текучей среды под давлением в грунтовой керн через межтрубное пространство от источника указанной среды. Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за наличия скользящих посадок, уплотнений и т.д. и, как следствие, малая надежность в работе.

Технической задачей, решаемой предполагаемым изобретением, является упрощение конструкции и повышение надежности устройства.

Это достигается тем, что в устройстве, содержащем инъектор, подключенный к источнику текучей среды под давлением и имеющий каналы для подачи этой среды в грунтовый керн, инъектор выполнен в виде трубы, соединенной с движителем поступательного перемещения.

Выполнение инъектора в виде трубы упрощает конструкцию, так как не требует сложных соединений и уплотнений. Герметизация происходит автоматически в процессе введения его в грунтовый керн. Соединение его с движителем поступательного перемещения также несложно и легко доступно для осмотра и ремонта.

Целесообразно выполнить движитель в виде самодвижущегося устройства ударного действия, например пневмопробойника. Это сокращает номенклатуру применяемого оборудования, так как для перемещения инъектора используется то же оборудование, что и для погружения трубы.

Целесообразно инъектор снабдить захватом, которым он будет закреплен на переднем конце трубы, а движителем поступательного перемещения инъектора будет служить сама погружаемая труба. Это позволит вводить инъектор в керн одновременно с погружением трубы, что, несмотря на некоторое увеличение лобового сопротивления трубы, значительно упрощает устройство и весь технологический процесс.

Целесообразно устройство снабдить амортизирующим элементом, через который инъектор соединить с захватом, что позволяет снизить нагрузки на элементы устройства.

Предлагаемый способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте реализуется следующим образом. Трубу открытым концом погружают в грунт любым известным способом (вдавливанием, ударами и т.д.). Грунт входит во внутренне пространство трубы и образует грунтовый керн. По мере увеличения длины керна из-за образования грунтовой пробки погружение трубы замедляется вплоть до полной остановки. Примерно в этот момент в грунтовый керн со стороны другого конца трубы вводят инъектор, соединенный с источником текучей среды под давлением (сжатый воздух, вода, их смесь и т.д.), любым известным способом (вдавливанием, ударами и т.д.). Не доводя инъектор до погруженного в грунт конца трубы его внедрение прекращают и включают источник текучей среды под давлением. Под действием этой среды часть грунтового керна открывается и выдавливается в сторону другого конца трубы вместе с инъектором до их полного выхода из трубы. Далее описанный процесс повторяется до полного погружения трубы. Низкая энергоемкость предлагаемого способа обусловлена формированием грунтового керна непосредственно в трубе, что снижает лобовое сопротивление и силу трения керна о трубу из-за меньшей степени его обжатия, а также силу трения отдаленной части керна о трубу при ее выдавливании из этой трубы, и введение инъектора непосредственно в грунтовый керн.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами конкретного исполнения.

На фиг. 1 показана операция введения инъектора в грунтовой керн, отрыва его части и выдавливания ее из трубы, а также устройство для осуществления этих операций с частичными разрезами; на фиг. 2 - также операции при использовании варианта устройства (нумерация идентичных элементов на фиг. 1 и 2 одинаковая).

Конкретный пример реализации способа осуществляется следующим образом. В грунтовый массив любым известным способом (вдавливанием, ударами и т.д.) погружают трубу 1 (см. фиг. 1) открытым концом. По мере образования грунтовой пробки движение трубы 1 постепенно замедляется вплоть до полной остановки. Для продолжения процесса необходимо удалить грунтовый керн из внутренней полости трубы 1. Для этого по дну трубы 1 запускают пневмозабойник 2, установленный на салазках 3, на верхней части которых смонтирован инъектор 4, сообщенный с источником текучей среды под давлением (на фиг. 1 не показан) и имеющий на переднем конце каналы 5 для подачи этой среды в грунтовый керн. При движении пневмопробойника 2 происходит внедрение инъектора 4 в керн. Величина внедрения регулируется передвижным щитом 6. Зная глубину погружения трубы 1, щит 6 устанавливают так, чтобы инъектор 4 не доходил до конца трубы 1, предотвращая тем самым прорыв текучей среды под давлением в затрубное пространство. После контакта упора 6 с керном пневмопробойник 2 выключают и в инъектор 4 подают текучую среду под давлением от источника. В качестве таковой могут быть использованы сжатый воздух, вода и их смесь различной концентрации, а также различные добавки к ним. Конкретная рецептура обуславливается конкретными физико-механическими свойствами грунта в месте прокладки трубопровода для обеспечения отрыва части керна 7 и снижения сопротивления его выдавливанию. давлению. Подачу текучей среды под давлением в инъектор 4 ведут импульсно с переменным давлением, т.е. используют насосы, компрессоры с большой неуравновешенностью по давлению или же в трубопровод, соединяющий инъектор 4 с источником текучей среды под давлением, встраивают генератор пульсаций давления. С начала подачи текучей среды под давлением в инъектор 4 и до окончания выдавливания части 7 керна к трубе 1 прикладывают динамические нагрузки. Например, в случае ударного погружения трубы оставляют включенным генератор ударных импульсов (пневмозабойник) или же включают вибратор (на фиг. не показан), закрепляя его предварительно на трубе 1. Под действием указанных факторов происходит отрыв части 7 от керна и движение ее вместе с инъектором 4 и пневмопробойником 2 к свободному концу трубы 1. Применение щита 6 способствует поддержанию переднего фронта части 7 керна и препятствует прорыву текучей среды под давлением. После этого цикл работы по погружению трубы повторяется.

Вариант конкретной реализации способа (см. фиг. 2) в общем идентичен описанному и отличается следующим. В качестве движителя инъектора 4 используется сама погружаемая труба 1. Для этого инъектор 4 снабжен на переднем конце захватом 8 с амортизирующим элементом 9 между ними. Здесь так же, как описано выше, при значительном замедлении или остановке погружной трубы 1 включают подачу текучей среды под давлением в инъектор 4 и описанным способом отделяют часть 7 керна и выдавливают ее наружу. Некоторое замедление процесса погружения трубы 1 за счет возрастания лобового сопротивления, вызванного наличием инъектора 4, компенсируется отсутствием затрат времени и энергии на подвод к керну и внедрению в него упомянутого инъектора 4.

Предлагаемое устройство для осуществления способа (см. фиг. 1) содержит инъектор 4, выполненный из трубы, один конец которой заострен и имеет каналы 5, сообщающие внутренне пространство с атмосферой, а другой сообщен с источником текучей среды под давлением (не показан). Вторым концом инъектор 4 жестко закреплен на пневмопробойнике 2, который аналогичным образом установлен на салазках 3. Между острым концом инъектора 4 и пневмопробойником 2 установлен с возможностью перестановки по длине щит 6, диаметр которого меньше внутреннего диаметра погружаемой трубы.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) работает следующим образом. При необходимости удаления части грунтового керна из погружной трубы щит 6 устанавливают на заданном расстоянии от острого конца инъектора 4. Пневмопробойник 2 с инъектором 4 запускают в трубу, перемещаясь в которой на салазках 3 он внедряет инъектор в грунтовый керн до встречи с ним щита 6. В этот момент пневмопробойник 2 отключают и подают в инъектор 4 текучую среду под давлением, которая поступает в грунтовой керн через клапаны 5. Происходит отрыв грунтового керна и выдавливание ее наружу вместе с пневмопробойником 2 и инъектором 4. В дальнейшем цикл работы устройства повторяется.

Вариант предлагаемого устройства (см. фиг. 2) в общем идентичен описанному и отличается следующим. Инъектор 4 через амортизирующий элемент 9 любого известного типа захватом 8 соединен непосредственно с погружаемым в грунт концом трубы.

Вариант предлагаемого устройства (см. фиг. 2) работает следующим образом. Инъектор 4 при погружении трубы движется вместе с ней. При этом амортизирующий элемент 9 смягчает динамические нагрузки на инъектор 4 и захват 8. При необходимости удаления части грунтового керна из погружаемой трубы в инъектор 4 подают текучую среду под давлением от ее источника, которая проникает в керн, отделяет часть его и выдавливает ее наружу, после чего источник текучей среды под давлением отключают. В дальнейшем цикл повторяется.

Способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте и устройство для его осуществления предназначены для строительства (прокладки) различных коммуникаций. Технической задачей является снижение энергоемкости погружения труб в грунт, упрощение конструкции и повышение надежности. Она решается за счет того, что в известном способе бестраншейной прокладки трубопровода в грунте, при котором труба погружается в грунт открытым концом, формируют грунтовой керн и удаляют его путем отрыва и выдавливания по частям по мере его образования текучей средой под давлением, подаваемой через инъектор. Грунтовой керн формируют непосредственно во внутреннем пространстве погружаемой трубы и выдавливают его по той же трубе, а инъектор вводят непосредственно в грунтовой керн. А в устройстве, содержащем инъектор, подключенный к источнику текучей среды под давлением, и имеющем каналы для подачи этой среды в грунтовый керн, инъектор выполнен в виде трубы, соединенной с движителем поступательного перемещения. Предложенные способы и устройство позволяет снизить энергозатраты на погружение труб или повысить производительность. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ бестраншейной прокладки трубопровода в грунте, при котором трубу погружают в грунт открытым концом, формируют грунтовый керн и удаляют его путем отрыва и выдавливания по частям по мере его образования текучей средой под давлением, подаваемой через инъектор, отличающийся тем, что грунтовый керн формируют непосредственно во внутреннем пространстве погружаемой трубы и выдавливают его по той же трубе, а инъектор вводят непосредственно в грунтовый керн. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на инъектор устанавливают передвижной по его длине щит и производят отрыв удаляемой части керна на некотором расстоянии от переднего конца трубы. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в зону отрыва подают, как минимум, две текучие среды под давлением с различными физико-химическими свойствами, например сжатый воздух и воду. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что текучую среду под давлением подают импульсно с переменным давлением. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в процессе удаления грунтового керна к трубе прикладывают динамические нагрузки. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что инъектор закрепляют в трубе и вводят в грунтовый керн одновременно с погружением трубы. 7. Устройство для бестраншейной прокладки трубопровода в грунте, содержащее инъектор, подключенный к источнику текучей среды под давлением и имеющий каналы для подачи этой среды в грунтовый керн, отличающееся тем, что инъектор выполнен в виде трубы, соединенной с движителем поступательного перемещения. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что движитель поступательного перемещения выполнен в виде самодвижущегося устройства ударного действия, например пневмопробойника. 9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что инъектор снабжен захватом, которым он закреплен на переднем конце трубы, а движителем поступательного перемещения инъектора служит погружаемая в грунт труба. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно снабжено амортизирующим элементом, через который инъектор соединен с захватом.