СПОСОБ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК E02D3/12 

Изобретение относится к строительству, а именно к технологиям и устройствам для закрепления грунта путем введения в него закрепляющих веществ через полый буровой став.

Известен способ закрепления грунтов, включающий бурение скважины, герметизацию ее устья и нагнетание в скважину закрепляющего вещества через полый буровой став при его подъеме (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971. - c.137).

Известно устройство для осуществления данного способа, включающее полый буровой став с буровым наконечником, уплотнитель в виде герметичной трубы, сальник-вертлюг и питающую магистраль (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971. - c.137).

Недостаток данного способа и устройства заключается в его низкой эффективности из-за неудовлетворительной герметизации зоны нагнетания, ввиду отсутствия перекрытия именно верха зоны нагнетания, и низкой производительности вследствие больших затрат времени собственно на сам процесс бурения грунта гладким буровым ставом, монтаж уплотнителя и прочее.

Наиболее близким к изобретению является способ закрепления грунта, включающий бурение скважины полым шнековым буровым ставом, содержащим по крайней мере один перфорированный шнек, и нагнетание в грунт закрепляющего вещества посредством питающей магистрали, с перекрытием верха зоны нагнетания в процессе бурения путем перемещения разрыхленного грунта и его уплотнения над перфорированным шнеком на начальном этапе и последующее перемещение, находящегося в скважине уплотненного грунта на последнем этапе (А.С. СССР №1113475, кл. E02D 3/12, 1984 г.).

Известно также устройство для осуществления данного способа, включающее уплотнитель, полый шнековый буровой став с буровым наконечником и сальником-вертлюгом для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль, состоящий из отдельных проходных шнеков, по крайней мере один из которых выполнен перфорированным, содержащих трубу с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль и реверсивные замковые соединения (А.С. СССР №1113475, кл. E02D 3/12, 1984 г.).

Недостаток этого способа и устройства заключается в низкой эффективности из-за больших затрат времени и энергии на выполнение переподъема бурового става при перемещении разрыхленного грунта в верхнюю часть скважины и его уплотнения над перфорированным шнеком, необходимости установки уплотнителя на всех без исключения грунтах, а также повышенного износа непрерывной винтовой спирали шнека вследствие того, что последняя вторично разрушает и перемещает сверху вниз уплотненный грунт (пробку), зачастую с наличием абразива, находящегося в закрепляющем веществе. При этом расположение отверстий перфорированного шнека в средней части межвиткового пространства непрерывной винтовой спирали не исключает случаев их забивания буровым шламом в процессе бурения, что ухудшает качество закрепления грунта, а отсутствие каких-либо ориентиров расположения отверстий в устройстве, находящемся в скважине, затрудняет осуществление направленной инъекции.

Изобретение направлено на повышение эффективности способа закрепления грунта и устройства для его осуществления, за счет того, что при реализации способа закрепления грунта, включающего бурение скважины полым шнековым буровым ставом, содержащим по крайней мере один перфорированный шнек, и нагнетание в грунт закрепляющего вещества посредством питающей магистрали с перекрытием верха зоны нагнетания в процессе бурения путем перемещения разрыхленного грунта и его уплотнения над перфорированным шнеком на начальном этапе и последующее перемещение находящегося в скважине уплотненного грунта на последнем этапе, на начальном этапе разрыхленный грунт перемещают в нижнюю часть скважины и уплотняют его посредством реверсирования полого шнекового бурового става, а на последнем этапе находящийся в скважине уплотненный грунт перемещают снизу вверх вместе с извлекаемым из скважины полым шнековым буровым ставом, при этом закрепляющее вещество нагнетают с возможностью избирательного действия в виде инъекционных струй, которые перемещают в диаметральной плоскости зоны нагнетания посредством поворота в реверсивном направлении полого шнекового бурового става через определенные промежутки времени, причем закрепляющее вещество нагнетают одновременно на всю толщину зоны нагнетания вокруг перфорированного шнека. Кроме того, на начальном этапе в зависимости от свойств и состояния грунта в скважину подают дополнительно порции заполнителя в виде бурового шлама или песка. Также на последнем этапе уплотненный грунт перемещают после отрыва грунтовой пробки от стенок скважины путем придания полому шнековому буровому ставу рабочего направления вращения. Также грунт закрепляют с использованием на одной буровой установке по меньшей мере двух полых шнековых буровых ставов, которые поочередно соединяют с одной питающей магистралью, при этом в период ожидания выравнивания избыточного давления после нагнетания закрепляющего вещества в первом полом шнековом буровом ставе, бурение новой скважины осуществляют вторым полым шнековым буровым ставом.

При этом в устройстве для закрепления грунта, включающем полый шнековый буровой став с буровым наконечником и сальником-вертлюгом для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль, состоящий из отдельных проходных шнеков, по крайней мере один из которых выполнен перфорированным, содержащих трубу с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль и реверсивные замковые соединения, в межвитковом пространстве проходного шнека, размещенном над перфорированным шнеком, закреплен с возможностью поворота и перекрытия указанного пространства при реверсивном вращении полого шнекового бурового става криволинейный скребок, охватывающий трубу проходного шнека по наружному диаметру в направлении реверсивного вращения полого шнекового бурового става, а отверстия на трубе перфорированного шнека выполнены по ее длине последовательно, с шагом, кратным шагу непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, и размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°, при этом один из рядов ориентирован на концы непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, внутрь отверстий установлены с возможностью принудительной эвакуации при помощи закрепляющего вещества эластичные пробки, а сами отверстия размещены под нерабочей поверхностью непрерывной винтовой спирали и снабжены по периметру защитным козырьком. Кроме этого, все проходные шнеки, включая перфорированный, имеют одинаковую длину. Также один конец криволинейного скребка шарнирно закреплен на трубе проходного шнека, а второй образует с ее наружной поверхностью гарантированный зазор. Также поворот криволинейного скребка при реверсивном вращении полого шнекового бурового става ограничен посредством упоров, закрепленных соответственно на рабочей и нерабочей поверхностях непрерывной винтовой спирали проходного шнека.

Указанный способ закрепления грунта и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность закрепления грунта за счет повышения долговечности полого шнекового бурового става, снижения энергоемкости и увеличения производительности путем уменьшения времени создания и последующего транспортирования уплотненного грунта (пробки) на начальном и последних этапах, а также за счет улучшения условий эвакуации эластичных пробок из отверстий перфорированного шнека и обеспечения хорошего качества закрепления грунта, в том числе за счет совершенствования схемы обработки зоны нагнетания. Этому же способствует и выполнение вышеуказанных работ вторым полым шнековым буровым ставом.

На фиг.1 показан полый шнековый буровой став в момент окончания процесса бурения на полную глубину зоны нагнетания I (после кратковременной очистки скважины); на фиг.2 показан полый шнековый буровой став в момент формирования грунтовой пробки; на фиг.3 показан полый перфорированный шнек; на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.3; на фиг.5 показан полый проходной буровой шнек с криволинейным скребком; на фиг.6 - разрез по Б-Б на фиг.5.

Устройство для осуществления способа включает полый шнековый буровой став с буровым наконечником 1 и сальником-вертлюгом 2 для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль 3. Полый шнековый буровой став состоит из отдельных проходных шнеков 4, из которых по крайней мере один выполнен перфорированным 5, содержащих трубу 6 с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль 7 и реверсивные замковые соединения 8. В межвитковом пространстве проходного шнека 4, размещенном над перфорированным шнеком 5, закреплен с возможностью перекрытия указанного пространства при реверсивном вращении полого шнекового бурового става криволинейный скребок 9, у которого один конец 10 шарнирно связан с трубой 6 проходного шнека 4 и охватывает ее по наружному диаметру в направлении вращения полого шнекового бурового става, а другой 11 образует с наружной поверхностью этой трубы 6 гарантированный зазор δ. Поворот криволинейного скребка 9 при реверсивном вращении полого шнекового бурового става ограничен посредством упоров 12, размещенных соответственно на рабочей 13 и нерабочей 14 поверхностях непрерывной винтовой спирали 7 проходного шнека 4. По длине трубы 6 перфорированного шнека 5 выполнены последовательно отверстия 15, с шагом кратным шагу непрерывной винтовой спирали 7 перфорированного шнека 5, которые размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°. При этом один из рядов ориентирован на концы 16 непрерывной винтовой спирали 7 перфорированного шнека 5. Внутрь отверстий 15 установлены с возможностью принудительной эвакуации при помощи закрепляющего вещества эластичные пробки 17. Причем отверстия 15 размещены под нерабочей поверхностью 14 непрерывной винтовой спирали 7 и снабжены по периметру защитным козырьком 18.

Осуществляется способ следующим образом. На начальном этапе при помощи вращательно-подающего механизма буровой установки (не показан) производят бурение скважины полым шнековым буровым ставом на полную глубину зоны нагнетания I (количество перфорированных и полых проходных шнеков определяется проектом), в процессе которого криволинейный скребок 9 постоянно прижат к наружной поверхности трубы 6 непрерывным потоком разрыхленного грунта, перемещаемого рабочей поверхностью 13 непрерывной винтовой спирали 7 от бурового наконечника 1 снизу вверх к устью скважины 19. После достижения проектной глубины подача шнекового бурового става выключается без прекращения его вращения, и осуществляется кратковременная очистка скважины (прошуровка) главным образом в зоне нагнетания I (фиг.1). Выбуренный в этот период грунт складируется вблизи устья 19 скважины в виде бурового шлама 20. Затем к верхнему концу полого шнекового бурового става (или к полому шпинделю вращателя) присоединяется сальник-вертлюг 2 с питающей магистралью 3 для подачи закрепляющего вещества в скважину. После этого осуществляется реверсирование полого шнекового бурового става, в процессе которого производится перекрытие верха зоны нагнетания I путем перемещения разрыхленного грунта, находящегося на рабочей поверхности 13 непрерывной винтовой спирали 7, из верхней части скважины в ее нижнюю часть. Вследствие наличия гарантированного зазора 8 между наружной поверхностью трубы 6 и концом 11 криволинейного скребка 9 движущейся вниз грунт поворачивает криволинейный скребок 9 относительно шарнира 10 до контакта с упорами 12. Криволинейный скребок 9 перекрывает своим телом межвитковое пространство непрерывной винтовой спирали 7 и обеспечивает уплотнение движущегося вниз грунта, формирующегося над перфорированным шнеком 5 в виде грунтовой пробки 21 (фиг.2). В зависимости от проектных решений, свойств и состояния грунта в скважину могут подаваться дополнительно порции заполнителя в виде бурового шлама 20 или песка, локализующие, в случае необходимости, места прорыва грунтовой пробки 21 закрепляющим веществом.

После перекрытия верха зоны нагнетания I приступают непосредственно к нагнетанию закрепляющего вещества через питающую магистраль 3 и сальник-вертлюг 2 внутрь полого шнекового бурового става. В первый момент подачу закрепляющего вещества производят с давлением, превышающим проектное, для надежной эвакуации эластичных пробок 17 из отверстий 15 перфорированного шнека 5. Причем защитные козырьки 18 при бурении в сложных условиях, например вязкие грунты, нарушают сплошность потока транспортируемого грунта и снижают силы сцепления последнего с трубой 6, что облегчает эвакуацию эластичных пробок 17 из отверстий 15. Этому же способствует и размещение отверстий 15 перфорированного шнека 5 под нерабочей поверхностью 14 непрерывной винтовой спирали 7, т.е. в зоне наименьших давлений от движущегося разрыхленного грунта. При этом с целью избирательного воздействия инъекционными струями определенного ряда отверстий на закрепляемый участок зоны нагнетания I, вращение полого шнекового бурового става прекращают по мере уплотнения грунтовой пробки (определяется по нагрузке привода), ориентируясь на концы 16 непрерывной винтовой спирали 7 верхнего проходного шнека 4, находящегося над устьем 19 скважины. При выполнении же ускоренной объемной инъекции грунта в зоне нагнетания I нагнетание закрепляющего вещества ведут одновременно на всю толщину данной зоны вокруг перфорированного шнека 5 путем ее послойной обработки инъекционными струями, также с возможностью избирательного действия вследствие известной их направленности (под углом 120°), перемещаемыми в диаметральной плоскости зоны нагнетания I посредством поворота в реверсивном направлении полого шнекового бурового става через определенные промежутки времени до момента возникновения давления отказа. При этом расположение отверстий 15 вышеуказанным образом является наиболее рациональным, так как оно не только технологично по своей сути при изготовлении и позволяет повысить прочность трубы 6 перфорированного шнека 5 из-за увеличения расстояния между соседними отверстиями 15, которых в диаметральной плоскости оказывается не более одного, но и при прочих равных условиях (например, ограничение габарита длины шнека) обеспечивает наибольшее количество отверстий 15 в одноименном ряду на трубе 6 перфорированного шнека 5 и более равномерную обработку зоны нагнетания I вокруг перфорированного шнека 5 в процессе его поворота. Это в процессе нагнетания грунта способствует его гидроразрыву не только в закрепляемых слоях (пластах) 22, но и в межпластовом пространстве 23 зоны нагнетания I, т.е. в вертикальной плоскости, что в свою очередь снижает случаи защемления подземных вод в закрепляемом грунте, вспучивание грунтов и позволяет получить монолитную структуру, близкую к ячеистой.

На последнем этапе по окончании нагнетания закрепляющего вещества при необходимости извлечения полого шнекового бурового става из скважины ему придают рабочее направление вращения, позволяющее отвести криволинейный скребок 9 от стенок скважины и сорвать пробку 23. При этом перемещение находящегося в скважине уплотненного грунта (пробки) 23 на данном этапе осуществляют снизу вверх, без его вторичного разрушения непрерывной винтовой спиралью 7, т.е. вместе с извлекаемым при подъеме из скважины полым шнековым буровым ставом. После извлечения проходной шнек 4 с грунтовой пробкой 23 очищают и устанавливают криволинейный скребок 9 в исходное положение. Перфорированный шнек 5 также очищают от остатков закрепляющего вещества и на место эвакуированных (оставшихся в скважине) пробок 17 устанавливают новые. Устройство готово к бурению следующей скважины.

При закреплении грунтов с большим временем ожидания выравнивания избыточного давления, их закрепление осуществляют с использованием, по меньшей мере, двух полых шнековых буровых ставов, соединяемых поочередно с одной питающей магистралью 3. При этом в период ожидания выравнивания избыточного давления после нагнетания в первом шнековом буровом ставе сальник - вертлюг 2 перекрывают и отсоединяют от него питающую магистраль 3, а буровую установку перемещают на новое место бурения и начинают бурение вторым полым шнековым буровым ставом, к сальнику-вертлюгу 2 которого и присоединяют данную магистраль 3 перед нагнетанием.

Изобретение относится к строительству, а именно к технологиям и устройствам для закрепления грунта путем введения в него закрепляющих веществ (ЗВ) через полый шнековый буровой став (ПШБС). Способ закрепления грунта включает бурение скважин (С) ПШБС, содержащим по крайней мере один перфорированный шнек (ПФШ) 5, и нагнетание в грунт 3В посредством питающей магистрали (ПМ) 3 с перекрытием верха зоны нагнетания (ЗН) I на начальном этапе (НЭ) путем перемещения разрыхленного грунта в нижнюю часть С и его уплотнения посредством реверсирования ПШБС без его переподъема, а перемещение находящегося в С уплотненного грунта (грунтовой пробки) 21 на последнем этапе (ПЭ) осуществляется снизу вверх без его разрыхления вместе с извлекаемым ПШБС из С, при этом нагнетание 3В ведут одновременно на всю толщину ЗН I вокруг ПФШ 5 путем ее послойной обработки инъекционными струями с возможностью избирательного действия, перемещаемыми в диаметральной плоскости ЗН I посредством поворота в реверсивном направлении ПШБС через определенные промежутки времени. При этом на НЭ в С могут подаваться дополнительно порции заполнителя в виде бурового шлама 20 или песка, а на ПЭ перемещение находящегося в С уплотненного грунта 21 начинают после отрыва грунтовой пробки (грунта 21) от стенок С путем придания ПШБС рабочего направления вращения кратковременно. Причем закрепление грунта с большим временем ожидания выравнивания избыточного давления после нагнетания осуществляют с использованием на одной буровой установке последовательно по меньшей мере двух ПШБС, соединяемых поочередно с одной ПМ З. Устройство для реализации способа включает ПШБС с буровым наконечником 1 и сальником-вертлюгом 2 для подачи 3В через ПМ З, состоящий из отдельных проходных шнеков одинаковой длины (ПШ) 4, по крайней мере один из которых выполнен ПФШ 5, содержащих трубу (Т) 6 с одинаковым наружным диаметром (НД), непрерывную винтовую спираль (НВС) 7 и реверсивные замковые соединения 8. В межвитковом пространстве ПШ 4, размещенном над ПФШ 5, закреплен с возможностью перекрытия указанного пространства при реверсивном вращении ПШБС криволинейный скребок (КС) 9, у которого один конец шарнирно связан с Т 6 ПШ 4 и охватывает ее по НД в направлении реверсивного вращения ПШБС, а другой образует с наружной поверхностью этой Т 6 гарантированный зазор 8. Поворот КС 9 при реверсивном вращении ПШБС ограничен посредством упоров 12, размещенных на рабочей 13 и нерабочей (НП) 14 поверхностях НВС 7 ПШ 4. По длине Т 6 ПФШ 5 последовательно выполнены отверстия (О) 15, которые размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°. При этом один из рядов О ориентирован на концы 16 НВС 7 ПФШ 5, а внутрь О установлены с возможностью принудительной эвакуации при помощи ЗВ эластичные пробки 17. Также О размещены под НП 14 НВС 7 ПФШ 5 и снабжены по периметру защитным козырьком 18. Способ закрепления грунта и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность закрепления грунта за счет повышения долговечности ПШБС, снижения энергоемкости и увеличения производительности вышеуказанных работ. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ закрепления грунта, включающий бурение скважины полым шнековым буровым ставом, содержащим по крайней мере один перфорированный шнек, и нагнетание в грунт закрепляющего вещества, посредством питающей магистрали, с перекрытием верха зоны нагнетания в процессе бурения путем перемещения разрыхленного грунта и его уплотнения над перфорированным шнеком на начальном этапе и последующее перемещение находящегося в скважине уплотненного грунта на последнем этапе, отличающийся тем, что на начальном этапе разрыхленный грунт перемещают в нижнюю часть скважины и уплотняют его посредством реверсирования полого шнекового бурового става, а на последнем этапе находящийся в скважине уплотненный грунт перемещают снизу вверх вместе с извлекаемым из скважины полым шнековым буровым ставом, при этом закрепляющее вещество нагнетают, с возможностью избирательного действия, в виде инъекционных струй, через отверстия на трубе перфорированного шнека, выполненные по ее длине последовательно, с шагом, кратным шагу непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, и размещенные в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°, при этом один из рядов ориентирован на концы непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, причем струи перемещают в диаметральной плоскости зоны нагнетания посредством поворота в реверсивном направлении полого шнекового бурового става через определенные промежутки времени, а закрепляющее вещество нагнетают одновременно на всю толщину зоны нагнетания вокруг перфорированного шнека.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на начальном этапе, в зависимости от свойств и состояния грунта, в скважину подают дополнительно порции заполнителя в виде бурового шлама или песка.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на последнем этапе уплотненный грунт перемещают после отрыва грунтовой пробки от стенок скважины путем придания полому шнековому буровому ставу рабочего направления вращения.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что грунт закрепляют с использованием на одной буровой установке по меньшей мере двух полых шнековых буровых ставов, которые поочередно соединяют с одной питающей магистралью, при этом в период ожидания выравнивания избыточного давления после нагнетания закрепляющего вещества в первом полом шнековом буровом ставе, бурение новой скважины осуществляют вторым полым шнековым буровым ставом.5. Устройство для закрепления грунта, включающее полый шнековый буровой став с буровым наконечником и сальником - вертлюгом для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль, состоящий из отдельных проходных шнеков, по крайней мере один из которых выполнен перфорированным, содержащих трубу с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль и реверсивные замковые соединения, отличающееся тем, что в межвитковом пространстве проходного шнека, размещенном над перфорированным шнеком, шарнирно закреплен одним концом с возможностью поворота и перекрытия указанного пространства при реверсивном вращении полого шнекового бурового става криволинейный скребок, охватывающий трубу проходного шнека по наружному диаметру в направлении реверсивного вращения полого шнекового бурового става, а отверстия на трубе перфорированного шнека выполнены по ее длине последовательно, с шагом, кратным шагу непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, и размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°, при этом один из рядов ориентирован на концы непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, внутрь отверстий установлены с возможностью принудительной эвакуации при помощи закрепляющего вещества эластичные пробки, а сами отверстия размещены под нерабочей поверхностью непрерывной винтовой спирали и снабжены по периметру защитным козырьком.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что все проходные шнеки, включая перфорированный, имеют одинаковую длину.7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что один конец криволинейного скребка шарнирно закреплен на трубе проходного шнека, а второй образует с ее наружной поверхностью гарантированный зазор, при этом поворот криволинейного скребка при реверсивном вращении полого шнекового бурового става ограничен посредством упоров, закрепленных соответственно на рабочей и нерабочей поверхностях непрерывной винтовой спирали проходного шнека.