Закрытые способы производства земляных работ (без отрывки траншей или котлованов) широко применяются при прокладке подземных коммуникаций и устройстве различных подземных выработок (проходок) под зданиями, сооружениями, улицами, дорогами и в других случаях, когда открытым способом вести работы невозможно.
В зависимости от требуемых размеров и длины подземной проходки применяют способы:
- прокол и пневмопробивку грунта,
- вибровакуумный,
- гидромеханический,
- продавливания и горизонтального бурения,
- щитовую проходку,
- микрощиты и т.д.
Прокол – образование отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником, приваренным к её торцу.
Способ прокола наиболее технологичный, хорошо освоен специализированными подразделениями и находит широкое применение в практике гражданского и промышленного строительства. Прокалывание применяется для прокладки трубопроводов диаметром до 400 мм на расстояние до 50 м и осуществляется при помощи одного или нескольких гидравлических домкратов. Первое звено прокладываемого трубопровода снабжается острым закрытым наконечником и укладывается на направляющие рамы (рис. 1).
Рис. 1 — Способ прокола
Давление домкрата на трубу передается через шомпол с переставным штоком. Расстояние между отверстиями на шомполе равно длине рабочего хода поршня домкрата. По мере вдавливания труба наращивается. Опорой для домкрата служит укрепленная щитом стенка приямка. Способ прокола может применяться при прокладке труб на глубине не менее 3 м в грунтах, не содержащих валунов и других твердых включений. В противном случае вдавливаемая труба может потерять прямолинейное направление или выйти на поверхность земли.
Пневмопробивка скважин ведется при помощи специального самодвижущегося пневмопробойника, работающего на сжатом воздухе. Он прост по устройству, надежен в эксплуатации, может применяться в стесненных условиях и обеспечивает высокую скорость проходки скважин. Пневмопробойники применяют для проходки в грунте скважин диаметром 50…400 мм (рис. 2).
Рис. 2 — Пневмопробойник: 1 – корпус; 2 – съемный расширитель; 3 – ударник; 4 – золотник; 5 – реверсивное устройство; 6 – рукав
Практика показывает, что при встрече пневмопробойника с твердыми включениями (гравием, щебнем, строительным мусором и др.) или при проходке скважин в грунтах с прослойками различной плотности он отклоняется от проектной оси скважины, и возвратить его обратно на дневную поверхность часто оказывается невозможным. Поэтому пневмопробойники можно эффективно использовать для проходки скважин только в однородных грунтах и на расстояние не более 50 м. Их используют не только для пробивки скважин, но также и для забивки горизонтальных труб открытым концом под автомобильными и железными дорогами, с последующим извлечением грунта из трубы сжатым воздухом или желонкой (совком на приводе). Самый мощный пневмопробойник диаметром 400 мм может забить трубу диаметром до 2 м на расстояние 30…40 м.
Пневмопробойники широко применяют для разрушения изношенных трубопроводов и одновременного затягивания в их полость новых трубопроводов, а также для забивки шпунта и свай, устройства набивных свай, глубинного уплотнения грунта и др.
Вибровакуумный способ устройства горизонтальных скважин осуществляется установкой, состоящей из проходческого снаряда, лебедки и вакуум-насоса с грунтоулавливателем. На штанге проходческого снаряда закреплен стакан (отрезок трубы длиной 1,5…2 м с одним открытым концом) с вибратором (рис. 3). При помощи лебедки стакан прижимается к грунту. Вакуум-насосом в нем создается разрежение. Под действием атмосферного давления и лебедки стакан погружается в грунт и заполняется им. После продвижения на глубину 1,5 м снаряд извлекают, грунт из стакана удаляют и цикл повторяется. При каждом последующем цикле штанга наращивается. С помощью этого способа можно прокладывать скважины диаметром 200…500 мм, длиной до 25 м.
Рис. 3 — Прокладка горизонтальных скважин вибровакуумным способом: 1 – лебедка; 2 – рунтоулавливатель; 3 – вакуум-насос; 4 – труба; 5 – вибратор; 6 – штанга
Гидромеханический способ прокладки трубопроводов основан на использовании разрушающего действия струи воды. Первое звено проталкиваемой трубы снабжается конической насадкой с отверстием. В насадку под давлением подается вода. Выходя из насадки с большой скоростью, она разрушает грунт и выносит его в пульпосборный приямок. Из приямка пульпа удаляется насосом. Проталкивание трубы ведется лебедкой. Гидромеханическим способом прокладываются трубы диаметром до 600 мм на расстояние до 50 м. Наибольшая скорость прокладки труб достигается в несвязных грунтах (рис. 4).
Рис. 4 — Прокладка трубопровода гидромеханическим способом: 1 – лебедка; 2 – грунтонасос; 3 – насадка; 4 – пулытосборник; 5 – прокладываемая труба
Для упора домкратов служит стенка, состоящая из двух рядов брусьев. После возвратного движения штока домкрата между нажимным фланцем и торцом трубы устанавливают нажимной патрубок, равный длине штока домкрата, и повторяют цикл продавливания Для следующего цикла применяют патрубки двойной длины Далее к трубе приваривают очередное звено Грунт удаляют вручную шнеками, размывают водой Трубы используют часто как футляры для размещения в них основных трубопроводов. Скорость проходки не превышает 3 м в смену.
Способ продавливания применяют для прокладки стальных труб диаметром 500…1800 мм и длиной до 80 м. Установка состоит из рамы с одним или несколькими домкратами, которые передают усилие на торец трубы через надеваемый на него нажимной фланец. Другой конец трубы снабжён ножевым кольцом большего диаметра для уменьшения сопротивления грунта — рис. 5
Рис. 5 — Способ продавливания
Для упора домкратов служит стенка, состоящая из двух рядов брусьев. После возвратного движения штока домкрата между нажимным фланцем и торцом трубы устанавливают нажимной патрубок, равный длине штока домкрата, и повторяют цикл продавливания. Для следующего цикла применяют патрубки двойной длины. Далее к трубе приваривают очередное звено. Грунт удаляют вручную шнеками, размывают водой. Трубы используют часто как футляры для размещения в них основных трубопроводов. Скорость проходки не превышает 3 м в смену.
Горизонтальное бурение применяют для прокладки в глинистых грунтах трубопроводов диаметром 800…1000 мм на длину 80…100 м. Конец трубы снабжают режущей коронкой увеличенного диаметра, труба приводится во вращение от двигателя, установленного на поверхности земли у бровки котлована. Поступательное движение трубы обеспечивается реечным домкратом с упором в заднюю стенку котлована, усиленную двумя рядами брусьев. Удаление грунта из трубы аналогично как при способе продавливания. Производительность проходки 4…5 м/ч (рис. 6).
Рис. 6 — Горизонтальное бурение
Щитовая проходка применяется для устройства выработок диаметром 1,5 м и более на длину до 150 м (рис. 7). Проходческий щит состоит из трех основных отсеков: рабочего (режущая часть с козырьком), опорного (домкратного) и хвостового. В рабочем отсеке ведется разработка грунта. Козырек применяется при проходке выработок в слабом грунте и предотвращает его обрушение. В опорной части щита размещены домкраты, которые опираются на обделку выработки и вдавливают щит в грунт. В хвостовой части ведется обделка проходки блоками.
Рис. 7 — Схема проходки туннеля с помощью щита: 1 – полость, заполняемая бетонной смесью; 2 – обделка туннеля из тюбингов; 3 – обойма щита; 4 – домкраты; 5 – режущий край; 6 – защитный козырек; 7 – рабочая платформа; 8 – эжектор; 9 – вагонетка; 10 – рукав растворонасоса
Микрощиты используют для проходки в грунте скважин диаметром до 300 мм. Отличительной особенностью микрощитов является возможность выполнять скважины практически во всех грунтах и необходимой длины. Микрощиты снабжены компьютерной лазерной системой наведения, которая обеспечивает достижение высокой точности проходки скважины. Микрощит комплектуется находящимся на поверхности оборудованием для приготовления и подачи бентонитового раствора в забой и удаления шлама из скважины.
Установки наклонного (горизонтального) направленного бурения нашли применение при проходке скважин диаметром 50…1420 мм на длину до 0,5 км (рис. 8). Отличительной особенностью этих установок является то, что они позволяют изготавливать скважины по криволинейной трассе, обходя препятствия, и одновременно затягивать в них любые виды коммуникаций, в том числе и по дну (под дном) водных преград. Сущность данной технологии состоит в следующем.
Рис. 8 — Установки наклонного (горизонтального) направленного бурения
На первом этапе работ на запланированной трассе при помощи компьютерной системы контроля пробуривается пилотная скважина буровой головкой или резцом диаметром 60…150 мм, смонтированной на приводной полой штанге. При выходе буровой головки на поверхность в заданной точке ее снимают и к приводной штанге присоединяют расширитель диаметром от 200 до 1420 мм (в зависимости от диаметра затягиваемой в скважину коммуникации), к которому с помощью вертлюга (серьги) присоединяют трубопровод или кабель.
Затем при вытягивании с вращением штанги производят расширение пилотной скважины и одновременное затягивание в расширенную скважину коммуникации. В процессе бурения пилотной скважины по полым приводным штангам к буровой головке подается под высоким давлением (до 800 атмосфер) бентонитовый раствор. Аналогично, при возвратном движении к расширителю также подается такой же раствор, который предотвращает обрушение стенок скважины и облегчает затягивание в скважину прокладываемой коммуникации.
Высокочастотные компьютерные системы контроля передают на дисплей оператора необходимую информацию о траектории движения буровой головки и о месте ее нахождения в данный момент. Если движение начинает отклоняться от проектной траектории, то оператор приостанавливает вращение приводной штанги, осуществляет их задавливание без вращения, чем добивается возвращения буровой колонки к нужному направлению.
Для бестраншейной проходки используют раскатчик грунта – одну из лучших установок направленного горизонтального бурения. В отличие от бурового инструмента, который выбирает и извлекает грунт из скважины, раскатчик ввинчивается в породу, уплотняет и раздвигает его в радиальном направлении. Стенки скважины уплотняются настолько, что их нет необходимости укреплять бентонитовым раствором, после прохождения раскатчика грунт вокруг коммуникаций не проседает, в том числе и в период эксплуатации проложенной трубы, что значительно повышает срок ее службы.
Важное отличие раскатчика от бурового инструмента в значительно меньшем задавливающим усилии для его перемещения в грунте за счет того, что раскатчик является самозавинчивающимся механизмом (рис. 9). Поэтому для раскатчика требуется насосная станция значительно меньшей мощности. Кроме этого при монтаже привода раскатчика для восприятия осевых залавливающих усилий требуются менее мощные анкерные устройства по сравнению с буровым инструментом. Освоено производство раскатчиков скважин диаметром 80, 140, 200, 260 и 370 мм.
Рис. 9 — Установка наклонного направленного бурения
Раскатчики могут быть использованы для устройства набивных свай, анкеров, стены в грунте, для зондирования и глубинного уплотнения грунтов. С помощью раскатчика можно ремонтировать и трубопроводы: раскатчик ввинчивается в старую трубу, разрушает ее и одновременно затягивает внутрь новую трубу.