СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛОДЦЕВ И ВЫЕМОЧНЫЙ КОМБАЙН ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2015 года по МПК E21D23/00 

Изобретение относится к горной технике, в частности к изготовлению открытых подземных сооружений методом "сверху-вниз" с возможностью строительства над ними наземных сооружений разнообразного назначения: подземные, наземные и комбинированные автомобильные паркинги, хранилища, промышленные производственные помещения и т.п. в условиях городской застройки или при иных ограничениях размера стройплощадки и самого сооружения.

Известен и широко применяется в мировой практике строительства метод "стена в грунте", при котором контур колодца ограничивается по периметру устраиваемыми в грунте бетонными колоннами, металлическими, композитными или пластмассовыми профилями, после чего грунт, находящийся внутри контура, извлекается с помощью известной землеройной техники (экскаваторы, грейферы, транспортеры и т.п.). Для закрепления водонасыщенных грунтов используется метод их цементации инжекцией бентонита. Для подъема рыхлого грунта на технологическую высоту существует большое количество разнообразной строительной техники, как, например, погрузчики, экскаваторы, транспортеры, нории и т.д.

Известна методика укрепления стенок туннелей, шахт и колодцев конструкциями, собираемыми из тюбингов или с помощью образования монолитной бетонной оболочки между грунтом и опалубкой, которые осуществляются после этапа рыхления дресвы и удаления ее из шахты или колодца.

При изготовлении вертикальных колодцев, котлованов или шахт наличие временного разрыва между этапом рыхления грунта и укрепления стенок создает риск обрушения (осыпания) стенок и засыпания всего проходческого комплекса с возможностью его выхода из строя.

Известен способ укрепления грунта перед его разработкой различными способами с использованием машины для струйной цементации грунтов SANY SJ510 http://www.sanyr.ru/m/products/product31/.

Известная буровая установка SANY SJ510 предназначена для инжектирования бентонита струйным способом, смонтирована на самоходном гусеничном шасси, а нагнетание бентонитового раствора в закрепляемый грунт осуществляется через специальную буровую головку, закрепленную на штанге определенной длины, причем конфигурация области впрыскивания бентонитового раствора может изменяться за счет наклона штанги.

Недостатком известной буровой установки является то, что существующие конструкции ограничивают глубину инжектирования бентонита и при необходимости работы в колодце ограниченного диаметра, глубина которого превышает глубину бентонитонасыщенной зоны, приходится извлекать землеройный агрегат, устанавливать бентонитовую установку, которую потом опять извлекать для замены на землеройный агрегат, что практически невозможно.

Известен проходческий комбайн 1ГПКС из mehanik.com.ua/load/kombain_prokhodcheskij_1gpks_s_gidroprivodom_khod ovoj_chasti/8-1-0-173, предназначенный для осуществления горизонтальных или наклонных горных выработок, с ходовой частью гусеничного типа, пригодной для маневрирования комбайна, погрузочным органом для погрузки отбитой горной массы на конвейер и ее эвакуации, и рабочим органом с буровой головкой шарошечного типа. Недостатком комбайна является невозможность рыхления грунта по кругу малого диаметра с выборкой дресвы из-под самого комбайна, невозможность работы в условиях заглубленной ограниченной строительной площадки и неприспособленность конструкции комбайна для транспортировки отбитой горной массы из глубины колодца по вертикали.

Известна нория ленточная ковшовая У13УН175 - www.komsomol., поднимающая грунт ковшовым экскаватором, лента которого размещена в двух (восходящем и нисходящем) коробах, исключающих высыпание грунта вовне. Указанная нория так же, как и аналогичные ей устройства, изготовляется определенных габаритов и не предусматривает изменения (увеличения) высоты транспортирования грунта при условии опускании нории в колодец или в шахту вслед за углубляющимся землеройным агрегатом.

Известен принятый нами за прототип стволопроходческий комбайн (Горная энциклопедия. М. Советская энциклопедия. Под редакцией Е.А. Козловского. 1984-1991. geolog/4824/), сущность работы которого состоит в том, что отбитая исполнительным органом горная порода смешивается с водой, а образованная таким образом пульпа эвакуируется из разрабатываемой полости ствола. При заглублении стволопроходческий комбайн опускается вниз на канатах лебедок, установленных на поверхности. Конструкция комбайна обеспечивает возможность бетонной обделки ствола шахты.

Основным недостатком прототипа является выемка грунта либо разрушенной горной породы в виде пульпы, что при сооружении колодца (шахты) требует большого дополнительного подвода воды, эвакуации пульпы, экологической обработки пульпы, большого количества транспорта для ее вывоза, т.е. операций, обеспечение которых внутри насыщенного строениями жилой зоны сопряжено с большими затратами, а зачастую неприемлимо.

К недостаткам прототипа следует отнести также неприспособленность комбайна к выполнению гидрозащиты полости ствола шахты от прорыва грунтовых вод, малую компактность его составных частей, затрудняющую его транспортирование, а также существенные размеры строительной площадки, зачастую неприемлемые для конкретной городской застройки.

Задачей заявляемого технического решения является создание механизированного способа сооружения вертикальных цилиндрических колодцев требуемой глубины и фиксированного заказываемого диаметра, облицованных сплошной бетонной оболочкой или оболочкой из сборных тюбингов путем использования выемочного комбайна, позволяющего производить строительство в условиях ограниченной строительной площадки, например, внутри городской застройки, допускающего синхронизированную по времени с основным циклом проходки обделку стенки колодца сборными тюбингами или монолитным железобетоном, а также, при необходимости, насыщение зоны разработки грунта бентонитовым раствором с целью гидрозащиты внутренней полости колодца, осуществляемого с применением компактных узлов и агрегатов, перевозимых и хранимых в стандартных контейнерах, которые на время строительства используются под производственные помещения (мастерские, бытовки, складские помещения и т.д.).

Технический результат заявляемого изобретения состоит в улучшении технологичности сооружения вертикальных цилиндрических колодцев с тюбинговой или железобетонной обделкой стен путем использования выемочного комбайна, объединяющего в своей конструкции большинство функций, реализуемых в настоящее время отдельными машинами и агрегатами, и достижение вследствие этого синергетического эффекта, проявляемого в компактности расположения техники на строительной площадке и минимизации размеров самой стройплощадки, возможности возведения сооружения в условиях существующей плотной застройки с минимальным ограничивающим воздействием на функционирование уже действующих служб, организаций, работников и жильцов; сокращения времени проведения работ, сокращения количества обслуживающего персонала, возможность многократного использования всех модулей комплекса.

Кроме того, изобретение направлено на расширение области использования, поскольку предлагаемая конструкция крепления дополнительных модульных секции нории допускает сооружение колодца любой глубины при соответствующем заглублении комбайна.

Кроме того, изобретение направлено на расширение области использования, поскольку замена несущей траверсы и опорных рам на однотипные иных габаритов позволяет создать унифицированный ряд машин для сооружения колодцев определенного диапазона диаметров.

Кроме того, изобретение направлено на снижение расходов на обустройство строительной площадки, поскольку для этой цели могут быть использованы транспортные контейнеры, в которых перевозятся компоненты землеройной машины.

При применении брикетирования извлеченного грунта могут быть снижены расходы на обустройство территории вокруг изготовленного колодца путем применения для этой цели земляных брикетов, а также расходы по вывозу и утилизации неиспользованного извлеченного грунта.

Заявляется выемочный комбайн для сооружения вертикальных цилиндрических колодцев, который содержит рабочие органы для дробления грунта, устройства для перемещения и подъема грунта на поверхность и укрепления стен, включает в себя треугольную платформу, снабженную тремя сдвоенными гусеничными ходами с индивидуальными электроприводами, способную перемещаться вокруг вертикальной оси и в заданном направлении; стартовую раму, к которой крепятся направляющие для перемещения по ним опорных рам; несущую траверсу треугольной платформы с перемещающимися по ней либо одной, либо двумя бурильными головками, соединенными с совками и закрепленными на них звездочками-метателями; приемную воронку для сбора и перегрузки дресвы в норию, наращиваемую модульными секциями по мере углубления в грунт; транспортер с регулируемым наклоном, передающий поднятую норией дресву на разгрузку, инжекторные блоки для закачки бентонита в водонасыщенный грунт для его закрепления.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показан общий вид заявляемого выемочного комбайна в положении, когда рытье колодца окончено и предстоит разборка и поэлементное извлечение частей машины на поверхность, где:

1 - платформа:

2 - сдвоенные гусеничные ходы;

3 - направляющие;

4 - бурильная головка;

5 - совок;

6 - звездочки-метатели;

7 - ленточный транспортер;

8 - приемная воронка;

9 - нория;

10 - опорные рамы;

11 - компенсационный блок;

12 - стартовая рама;

13 - инжекторные блоки;

14 - перекидные кожухи;

15 - опорное бетонное кольцо;

16 - самая нижняя опорная рама, которая является одновременно площадкой для произведения бетонирования (бетон-палуба);

17 - направляющие.

На Фиг. 2 изображен продольный разрез изготовленного колодца,

где:

18 - стенки колодца из монолитного бетона или тюбингов;

19 - коллектор для сбора жидкости (конденсата);

20 - брикетированная дресва, которой заполнено пространство, ранее занятое бурильным агрегатом выемочного комплекса.

На Фиг. 3 изображен пример логистики компонентов заявляемого устройства, предусматривающий разборку выемочного комбайна на агрегаты, которые будут размещаться для транспортировки в стандартных контейнерах, которые после сборки комбайна будут использоваться как подсобные строительные помещения.

Технология сооружения вертикальных цилиндрических колодцев состоит в том, что проводят разрыхление и подъем грунта на поверхность, укрепление стен путем создания оболочки из сборных тюбингов или монолитного бетона. Предварительно укрепленный бентонирующими раствором грунт разрыхляют на необходимую глубину, перемещая выемочный комбайн по диаметру. Разрыхленный грунт (дресву) непрерывно подбирают совковыми устройствами и без превращения его в пульпу эвакуируют его сначала ленточными транспортерами во вращающуюся приемную воронку, а из нее на поверхность неповорачивающейся сборной норией, наращиваемой модульными секциями по мере заглубления комбайна, при этом сборную норию фиксируют по оси образующейся полости колодца специальными опорными рамами. Постоянное углубление комплекса и нории в грунт при пошаговом наращивании нории новыми модулями обеспечивает непрерывную эвакуацию дресвы (за исключением времени остановки на переналадку) за счет наличия на оконечности нории транспортера с переменным наклоном, который подхватывает выбрасываемую норией дресву при любом ее положении относительно верхнего среза колодца. Поднятый грунт либо вывозят, либо при необходимости брикетируют для последующего заполнения внутренних полостей колодца, а стенку колодца в процессе работ укрепляют сборными тюбингами или заливают пространство между грунтом и опалубкой, установленной на опорной раме (бетон-палубе), быстротвердеющим бетоном. Грунт может подаваться на выгрузку в отвал, непосредственно в самосвал или на машину для брикетирования извлеченного грунта. Брикеты могут быть использованы в неответственных строительных работах как компактный наполнитель удобной формы непосредственно на месте строительства или другими потребителями.

Для сооружения вертикальных цилиндрических колодцев требуемой глубины и фиксированного заказываемого диаметра, облицованных сплошной бетонной оболочкой или оболочкой из сборных тюбингов, применяется специализированный самоходный гусеничный выемочный комбайн, оборудованный одной или двумя бурильными головками, снабженный системой подбора грунта, а также инжекторными блоками для укрепления окружающего грунта бентонитовым раствором на любой глубине ее нахождения, при этом эвакуация дресвы на поверхность осуществляется входящими в состав этой машины ленточными транспортерами и сборной норией, секции которой наращиваются по мере заглубления машины и фиксируются специальными опорными рамами в полости колодца, причем, при необходимости, поднятый грунт может быть либо вывезен за пределы стройплощадки, либо брикетирован для последующего заполнения земляными брикетами предусмотренных внутренних полостей колодца и других объектов, а стенка колодца укрепляются сборными тюбингами или подвергаются непрерывной железобетонной обделке, производимыми со специальной бетон-палубы комбайна.

Все узлы и агрегаты машины изготовляются в модульном исполнении и перевозятся в собранном виде в стандартных контейнерах, которые в процессе строительства могут служить для складских, ремонтных и бытовых целей (Фиг. 3).

Выемочный комбайн в общем случае изображен на Фиг. 1. Основой выемочного комбайна является платформа 1, которая может перемещаться на трех сдвоенных гусеничных ходах 2, каждый из которых приводится в движение собственным электродвигателем. Сдвоенные гусеничные ходы 2 позволяют осуществлять вращение платформы вокруг вертикальной оси создаваемого колодца, а сама платформа может накреняться относительно вертикали. Эта способность используется для корректировки положения вертикальной оси машины относительно оси колодца. На платформе 1 закреплены направляющие 3, по которым перемещается одна или две бурильные головки 4 (в рассматриваемом случае одна). Бурильная головка 4 может быть последовательно зафиксирована на направляющих 3 в различных положениях, что позволяет разрыхлить грунт на всей площади обрабатываемого днища колодца. В каждом зафиксированном положении бурильной головки 4 платформа 1 совершает полный оборот вокруг вертикальной оси, при этом бурильная головка 4 рыхлит грунт на глубину 300 мм. Разрыхленный грунт (дресва) совком 5 и закрепленными на нем звездочками-метателями 6 забрасывается на составной ленточный транспортер 7, который доставляет грунт в приемную воронку 8. В приемную воронку 8. В приемную воронку 8 своим башмаком входит нория 9, при этом она опирается на шаровой погон, закрепленный на приемной воронке 8. При этом платформа 1 может вращаться относительно своей вертикальной оси, общей с норией 9, но сама нория 9 зафиксирована от вращения опорными рамами 10 и может перемещаться только в вертикальном направлении по мере заглубления машины вниз. В конструкцию нории 9 входит компенсационный блок 11, представляющий собой складывающийся транспортер, способный при раскрытии компенсировать разность расположения дополнительных секций нории 9 по высоте, образовавшуюся при наращивании нории 9 из-за заглубления комбайна. Сопряжение дополнительных секций норий с целью пересыпания грунта с транспортера нижней секции на верхнюю осуществляется с помощью перекидных кожухов 14, позволяющих сопрягать разнонаправленные короба дополнительных секций. Опорные рамы 10, первоначально собранные на стартовой раме 12 в пакет, последовательно сквозь стартовую раму 12 опускаются в полость колодца по мере ее заглубления. Стартовая рама 12 монтируется на предварительно сформированном на месте колодца опорном бетонном кольце 15, внутренний диаметр которого позволяет пройти сквозь него и землеройной машине, и опорным рамам 10. Первая, самая нижняя опорная рама 16 является одновременно площадкой для произведения бетонирования (бетон-палуба) и содержит устройства, необходимые для этой операции. Все опорные рамы 10 связаны между собой направляющими 17 и имеют возможность телескопически смещаться относительно друг друга на некоторую величину по вертикали. Ближняя к поверхности опорная рама 10 связана со стартовой рамой 12. Перемещение опорных рам 10 осуществляется по мере заглубления комбайна. На время проведения бетонных работ или по иной технологической надобности опорные рамы 10 могут быть закреплены на вертикальной бетонной стенке колодца после ее отверждения, для чего в необходимом месте устраивается выход арматуры. На платформе 1 установлены также инжекторные блоки 13, которые в случае опасности пересечения колодцем водоносных слоев земли используются для установки водозащитной бентонитовой преграды в районе дна колодца. Инжекторные блоки 13 шприцуют необходимую область вокруг колодца, инжектируя в нее бентонит, при этом бурильная головка 4 выводится из соприкосновения с грунтом, а платформа 1 проворачивается вокруг вертикальной оси.

Помимо описанных основных агрегатов на землеройной машине в зависимости от конкретной конструкции могут быть размещены устройства (системы) для аварийного спасения персонала при форс-мажоре: вентиляции, газового анализа, пожаротушения, водооткачивания, осветительное, сигнализационное оборудование, гидростанция, дизель-генератор, электрические кабели, маслопроводные шланги, магистрали подачи цемента и бентонита, пульты и оборудование управления.

На территории стройплощадки должны быть оборудованы подъездные пути для автотранспорта и эстакада для погрузки грунта на вывоз, или в брикетировочный пресс.

После выбора строительной площадки и оформления необходимых разрешений на производство работ осуществляется очистка предоставленной площади, перенос имеющихся коммуникаций и сооружение традиционными методами опорного бетонного кольца 15, внутри которого выполняется выемка, в которой собирается комбайн. Строительная площадка ограждается пустыми контейнерами для перевозки компонентов комбайна, в которых устраиваются бытовки, медпункт, биотуалет, складские помещения и ремонтная мастерская. На свободном пространстве устанавливается дизель-генератор, трансформаторная подстанция (по необходимости), оборудование для содержания и закачки в магистрали машины бетона и бентонитового раствора, эстакада для погрузки извлеченного грунта в автотранспорт либо в брикетировочный пресс. Оборудуется место для временного хранения излишков извлеченного грунта. Вокруг собранного комбайна устраивается и закрепляется на опорном кольце 15 стартовая рама 12, которая соединяется с пакетом опорных рам 10. Выемочный комбайн, в случае необходимости, осуществляет инжектирование бентонитового раствора в днище выемки, а также в стороны от него с помощью инжекторных блоков 13. В технологически оправданных случаях инжекторные блоки могут быть сняты, а процесс струйной цементации на глубину 16 метров может быть произведен машиной SANY SAJ 510.

Область распространения бентонитового раствора в грунте, единовременно возникшая от одного инжектора (шприца), условно принимается за цилиндр диаметром 3000 мм и высотой 4000 мм. После выемки грунта закрепленный бентонитом слой вокруг периметра колодца и под его днищем должен быть не менее 1500 мм. При инжектировании платформа 1 совершает на гусеничных ходах 2 один оборот вокруг вертикальной оси, шприцуя грунт инжекторами таким образом, чтобы области инжекции перекрывали друг друга (размер перекрытия отрабатывается в зависимости от характеристики грунта). После выстойки на время, необходимое для отверждения бентонита, комбайн начинает рыхлить грунт бурильной головкой 4, установленной на максимальный радиус колодца, с одновременным вращением на гусеничных ходах 2 вокруг вертикальной оси. Разрыхленный грунт подбирается совком 5 с помощью звездочек-метателей 6 забрасывается на ленточный конвейер 7, которым доставляется в приемную воронку 8, откуда норией 9 эвакуируется на поверхность. При рыхлении фунта бурильная головка 4 и сопряженный с ней совок 5 со звездочками-метателями 6 совершают колебательные движения в горизонтальной плоскости, отчего грунт днища колодца подбирается полосой. После одного полного оборота платформы 1, машина останавливается, бурильная головка 4 переставляется на вторую позицию, и машина вновь совершает один полный оборот, выбирая полосу грунта меньших размеров. Далее, на третьей позиции бурильной головки 4 описанным образом выбирается полоса грунта в центре днища, в том числе под центром платформы 1. За один полный описанный цикл комбайн углубляется на величину заглубления шарошки бурильной головки (порядка 300 мм). Несколько циклов таких заглублений позволяют произвести укрепление стенок сборными тюбингами или бетонированием образовавшейся стенки колодца, которое осуществляется с помощью скользящей опалубки по отдельному технологическому процессу, причем необходимое оборудование и оснастка размещаются на бетон-палубе 16. По мере заглубления комбайна опорные рамы 10 из пакета, одна за другой, опускаются внутрь колодца, перемещаясь относительно друг друга в пределах направляющих 17, вследствие чего создаются условия для наращивания нории 9 дополнительными секциями, а сами дополнительные секции фиксируются в полости колодца опорными рамами 10, при необходимости закрепляемыми на его отвердевшей бетонной стенке. Рассогласованность дополнительных секций норий 9 по высоте выбирается компенсационным блоком 11.

При достижении расчетного заглубления комбайн внутри колодца разбирается на составные части, которые извлекаются на поверхность автомобильным подъемным краном.

Оставшаяся пустота заваливается предварительно извлеченным, находящимся на временном хранении грунтом (дресвой) или закладывается земляными брикетами из этого грунта, после чего производится бетонирование днища колодца с устройством приемки для сбора жидкости и других технологических углублений.

Полученный технический результат выражается в большей эффективности сооружения вертикальных цилиндрических колодцев, так как используется выемочный комбайн с компактно расположенными исполнительными органами, что способствует уменьшению размеров строительной площадки, что чрезвычайно важно при сооружении колодца внутри сложившейся застройки, при наличии брикетирования извлекаемого грунта уменьшается количество задействованного грузового автотранспорта, допускает вследствие логистического совмещения функций машины по закреплению грунта, рытью колодца и укреплению его стены возможность применения эффективной организации труда, что позволяет сократить существенно сроки сооружения колодца и осуществлять строительство без ущерба для окружающих.

Изобретение относится к горной технике, в частности к выемочным комбайнам. Выемочный комбайн содержит треугольную платформу, снабженную тремя сдвоенными гусеничными ходами с индивидуальными электроприводами, способную перемещаться вокруг вертикальной оси и в заданном направлении; стартовую раму, к которой крепятся направляющие для перемещения по ним опорных рам; несущую траверсу треугольной платформы с перемещающимися по ней либо одной, либо двумя бурильными головками, соединенными с совками и закрепленными на них звездочками-метателями; приемную воронку для сбора и перегрузки дресвы в норию, наращиваемую модульными секциями по мере углубления в грунт; транспортер с регулируемым наклоном, передающий поднятую норией дресву на разгрузку, инжекторные блоки для закачки бентонита в водонасыщенный грунт для его закрепления. Технический результат - улучшение технологичности сооружения вертикальных цилиндрических колодцев. 3 ил.

Выемочный комбайн для сооружения вертикальных цилиндрических колодцев, содержащий рабочие органы для дробления грунта, устройства для перемещения и подъема грунта на поверхность и укрепления стен, отличающийся тем, что включает в себя треугольную платформу, снабженную тремя сдвоенными гусеничными ходами с индивидуальными электроприводами, способную перемещаться вокруг вертикальной оси и в заданном направлении; стартовую раму, к которой крепятся направляющие для перемещения по ним опорных рам; несущую траверсу треугольной платформы с перемещающимися по ней либо одной, либо двумя бурильными головками, соединенными с совками и закрепленными на них звездочками-метателями; приемную воронку для сбора и перегрузки дресвы в норию, наращиваемую модульными секциями по мере углубления в грунт, транспортер с регулируемым наклоном, передающий поднятую норией дресву на разгрузку, инжекторные блоки для закачки бентонита в водонасыщенный грунт для его закрепления.