Машины для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций

1.

МАШИНЫ ДЛЯ
БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ
ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

2.

Широкая сеть подземных коммуникаций является
неотъемлемым
атрибутом
среды
проживания
и
жизнедеятельности человека.
По Сибирскому Федеральному округу эксплуатируется 32 тыс. км,
отслужили нормативный срок около 16 тыс. км; ежегодно добавляется 600 – 700
км, а заменяется 350 – 400 км. Такое положение характерно и для России в целом.
Показатели по г. Новосибирску выглядят следующим образом: всего в
эксплуатации 1630 км трубопроводов, отслужили нормативный срок более 1000
км, т.е. более 60%, ежегодное увеличение за счет старения – 31 км.
В современных условиях прокладку коммуникаций стремятся
выполнять
бестраншейным
способом,
как
наиболее
экологичным.
Бестраншейное строительство подземных переходов осуществляется
проходкой горизонтальных скважин.
1

3.

1. Способы бестраншейной прокладки подземных коммуникаций
Бестраншейная прокладка коммуникаций осуществляется в скважины,
проходка которых выполняется в различных грунтовых условиях, на
незначительных глубинах, под сооружениями, которые подвергаются
динамическим нагрузкам и категорически недопускают просадок
(железные дороги, автодороги, улицы и т.д.).
Поэтому основная специфика их сооружения – обязательная
защита скважин от обрушения, для чего используются
обсадные трубы.
Способы бестраншейной прокладки коммуникаций характеризуются
следующими основными признаками.
1. По принципу проходки скважин:
1.1. С лидирующей разработкой грунта.
1.2. С лидирующей обсадкой скважины.
2. По принципу продвижения забоя:
2.1. Без экскавации грунта - прокалывание;
2.2. С экскавацией грунта - продавливание; бурение.
2

4.

1.1.Способ прокладки коммуникаций с лидирующей разработкой грунта
Проходчик скважин
Скважина
Коммуникация или защитный кожух
1.2.Способ прокладки коммуникаций с лидирующей обсадкой скважины
Внедряемая в грунт труба
Грунтовый керн
Очищенная труба
3

5.

2.1. Принцип продвижения забоя: без экскавации грунта - прокалывание
Проходчик скважин
Скважина
Vрх
2.2. Принцип продвижения забоя: с экскавацией грунта - продавливание
Внедряемая в грунт труба
Vрх
Грунтовый керн
4

6.

Способы бестраншейной прокладки коммуникаций
Виброударное прокалывание грунта пневмопробойником
Виброударное продавливание грунта стальной трубой
Горизонтальное направленное бурение скважин

7.

Устройства для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций
Пневмопробойники
Пневмомолоты
для забивания
труб открытым
концом
Устройства для
очистки труб от
грунтового керна
Установки
направленного
бурения
Микрощиты
Виброударное прокалывание
Уплотнение всего объема грунта
в стенки скважины
Виброударное продавливание
Погружение металлической
обсадной трубы с последующим
удалением грунтового керна
Бурение
Экскавация всего объема грунта
Комбинированный способ
Разделение всего объема грунта на
части, одна из которых уплотняется в
стенки скважины, а другая – удаляется
из ее сечения
5

8.

Прокалывание грунта.
Способ основан на уплотнении грунтового массива в
радиальном направлении под действием осевого напорного усилия,
поэтому характеризуется наличием обширной зоны деформации
грунта (до 3…5 диаметров скважины) и, как следствие, значительной
энергоемкостью. Применяется для проходок скважин диаметром до 250
мм.
Подразделяется на статическое, раскатыванием, вибрационное и
виброударное.
При назначении трассы и глубины заложения необходимо учитывать,
что прокол сопровождается уплотнением окружающего его массива
грунта. Расстояние от боковой поверхности трубы до существующих
коммуникаций должно быть не менее трех ее диаметров. Для
предохранения асфальтового покрытия от выпучивания глубина
заложения прокладываемой трубы диаметром 150 мм должна быть не
менее 1,2 м, диаметром 300 мм – не менее 2,5 м
6

9.

1.1. Статическое прокалывание грунта
1-трубная плеть; 2-оголовок; 3гидравлический
домкрат;
4рабочий приямок; 5-подпорная
стенка; 6-трубы; 7-трубоукладчик;
8-сварочный агрегат; 9-насосная
станция;
10-железнодорожное
полотно.
Относится к способам с лидирующей обсадкой скважины. Напорное усилие от
гидравлического домкрата 3 действует на трубу постоянно. Давление в
гидравлическом домкрате 3 создается насосной станцией 9. На забойном конце
трубной плети 1 установлен оголовок 2, выполненный в виде глухого конусного
наконечника. Трубы 6 соединяются в трубную плеть 1 при помощи сварочного
агрегата 8.
Главное достоинство способа в его бесшумности и отсутствии
вибрации.
Основной недостаток - потеря устойчивости трубной плети и ее
изгиб при сооружении длинных переходов, приводящие
к
необратимому отклонению от проектной трассы.
7

10.

Самодвижущееся раскатывающее устройства для статического
прокалывания грунта
8

11.

1.2. Виброударное прокалывание грунта
Основным средством реализации способа являются
самодвижущиеся пневматические машины ударного действия –
пневмопробойники.
Чаще всего пневмопробойниками осуществляют проходку скважины
с лидирующей разработкой грунта и последующей обсадкой.
Это обусловлено тем, что скважина, образованная за счет уплотнения
грунта, может сохраняться значительное время.
Для сокращения технологического цикла образования готового
перехода пневмопробойники используют и для получения скважин с
одновременной обсадкой.
В этом случае обсадная труба, как правило пластмассовая или
асбоцементная, затягивается в скважину самим
пневмопробойником в процессе проходки.
При проходке скважин с одновременной обсадкой (слабые
водонасыщенные грунты) пневмопробойник используется для
забивания в грунт обсадной трубы, передний торец которой
заглушен коническим наконечником.
9

12.

Схема виброударного прокола пневмопробойником.
1-пневмопробойник; 2-скважина; 3-автодорога; 4-рабочий котлован;
5-компрессор, приёмный приямок.
Достоинства виброударного прокола пневмопробойником заключаются:
в простоте и высокой скорости выполнения работ;
в малой себестоимости технологического процесса;
возможности ведения работ в стесненных условиях.
Недостатки виброударного прокола пневмопробойником:
- ограничение области применения из-за неустойчивости стенок скважины в
рыхлых уплотняемых грунтах и из-за невозможности продвижения в грунте
при его чрезмерной влажности (свыше 20%);
- низкая точность проходки вследствие неоднородности грунта и неточного
прицеливания;
- потеря оборудования при его отказе и невозможности проведения аварийноспасательных работ (большие глубины заложения, обводненный грунт, проколы
под железной дорогой, автострадами и т.п.);
10

13.

Запуск пневмопробойника в работу
Установка
пневмопробойника на
стартовое
устройство и
прицеливание
Выход
пневмопробойника
из грунта в
приемный приямок
11

14.

Конструктивная схема пневмопробойника
1-корпус; 2-расширитель; 3-ударник; 4-патрубок; А - камера холостого хода; Б окно; В -камера рабочего хода; Г - выхлопные отверстия.
Схема осушения и
укрепления выемки.
1 – дренажная скважина;
4 – откос; 5 – набивная
свая.
12

15.

Схема виброударного прокола трубы пневмомолотом.
1-трубная
плеть;
2-оголовок;
3пневмомолот; 4-насадка; 5-компрессор; 6трубы; 7-рабочий приямок; 8-сварочный
агрегат; 9- автодорога.
В качестве пневмомолота 3 применяют пневмопробойник, который
закрепляют при помощи насадки 4 на задний конец трубы.
Трубная плеть 1 формируется путем посекционного наращивания
труб 6 с помощью сварки.
13

16.

Комплекс технических средств для проходки в грунте скважин
по заданной траектории, состоящий из пневмоударного
проходчика с системой управления на основе активных
отклоняющих
элементов
и
приборного
комплекса,
позволяющего определить положение проходчика в грунте.
Отклоняющее устройство
с датчиком положения
пневмопробойника в
грунте
Командные каналы
системы управления
движением
Привод ударного действия
Минимальный радиус кривизны его траектории в грунте составляет
не более 15 м (лучший в мире результат), отклонение
пневмопробойника от заданной траектории движения в грунте при
глубине до 5 м определяется с точностью до 5 мм .
14

17.

2. Продавливание грунта
Относится
к
способам
с
лидирующей
обсадкой.
Рабочим
инструментом, образующим скважину, является обсадная труба.
Подразделяется на статическое, вибрационное и виброударное.
В практической деятельности наиболее широко применяют
статический и виброударный способы.
2.1. Статическое продавливание основано на внедрении в грунт
обсадной труб с незаглушенным передним торцем под действием
осевого усилия, создаваемого гидродомкратами.
1-труба; 2-гидроцилиндр; 3-насосная станция; 4-вставка;5-рабочий
котлован; 6-земляная насыпь; 7-грунтовый керн; 8-подпорная стенка.
15

18.

17

19.

Виброударное продавливание
отличается
от
статического
тем,
что
активные
силы,
прикладываемые к погружаемой в грунт обсадной трубе вдоль ее оси,
имеют динамический характер.
Это обеспечивает не только погружение трубы, но и частичное
разрушение грунтового керна и перемещение его по трубе в обратном забивке
направлении.
Наличие
транспортирования
грунта
в
трубе
и
виброперемещение системы «труба-ударный механизм» позволяют исключить
или существенно уменьшить вероятность образования грунтовых пробок,
отказаться от использования домкратов и установки в котловане упорной
стенки.
Стал широко применяться в последние 30 лет.
Важной особенностью способа является то, что труба при погружении не
изменяет стартового направления. Это связано с волновым характером ее
перемещения в грунте.
18

20.

Виброударное продавливание
стальной трубы
19

21.

Средствами реализации способа являются пневмоударные молоты.
Наиболее современными являются молоты «Тайфун», разработанные в ИГД СО
РАН (г.Новосибирск). Они превосходят все известные отечественные и
зарубежные аналоги по удельным показателям, например, по энергии удара на
единицу расхода воздуха, в 1,5…2,0 раза.
20

22.

21

23.

ВЫБОР ЭНЕРГИИ УДАРА ПНЕВМОМОЛОТА
Энергия удара при виброударном проколе или
виброударном
продавливании расходуется, главным образом, на преодоление силы
сопротивления движению трубы в грунте.
Сила сопротивления F внедрению в грунт трубы при виброударном
продавливании
F=F 1+ F2 .
F1 – сила лобового сопротивления; F2 – сила сопротивления по боковой
поверхности трубы.
Исходя из многолетнего опыта прокладки стальных трубкожухов подземных коммуникаций установлена практически линейная
зависимость энергии удара, требуемая для забивания трубы, от ее
диаметра.
L=f (d ТР )=9,7 ⋅d ТР −1,6 .
где
L – требуемая энергия удара, кДж;
dтр– диаметр забиваемой трубы, м.
22

24.

Таким образом, для каждого диаметра труб целесообразно
использовать пневмомолот с определенной энергией удара.
При сооружении коротких переходов можно использовать
пневмомолот с меньшей энергией удара, т.к. силы сопротивления по
боковой поверхности возрастают пропорционально длине трубной
плети.
При наличии нескольких пневмомолотов с разной энергией удара
целесообразно забивание первой секции трубной плети начинать
пневмомолотом с меньшей силой отдачи и энергией удара. Самый
мощный пневмомолот следует применить при уменьшении скорости
продвижения трубы в грунте до 1-2 м/час.
23

25.

Технические характеристики пневмомолотов серии Тайфун.
Машина
Масса
ударника,
кг
Энергия
удара,
Дж
Частота
ударов,
с-1
Расход,
м3/с
Диаметр
труб, мм
Диаметр
(длина)
машины,
мм
Масса
машины, кг
Тайфун-70
70
700
2,5-3,7
0,0500,075
До 273
160
(1400)
140
Тайфун-100
100
1000
2-4
0,0500,100
-
240
(1100)
230
Тайфун-130
130
1300
2-4
0,0630,125
До 325
240
(1330)
280
Тайфун-190
190
1800
2-3,2
0,0830,133
До 530
240
(1700)
370
Тайфун-320
320
3000
1,5-2,5
0,1000,150
До 630
270
(1920)
650
Тайфун-500
500
4300
1-1,7
0,1000,167
До 820
400
(2000)
1350
Тайфун-740
740
6000
1-1,5
0,1330,200
До 1020
400
(2650)
1750
Тайфун-1000
1000
8500
0,8-1,3
0,1670,250
До 1220
460
(2670)
2500
Тайфун-1500
1500
12000
1-1,5
0,2660,400
До 1420
600
(2700)
3500
24

26.

Методы очистки полости трубы от грунтового керна.
Главной условием успешной реализации способа виброударного
продавливания является решение проблемы удаления из трубы
грунта, вырезаемого из массива
Периодическое удаление грунта позволяет увеличить длину
погружения трубы и сохранить прочность сварных стыков, т.к. в
случае их разрушения дальнейшее забивание трубной плети
становиться невозможным.
Это объясняется тем, что разрушение стыка нарушает условия
распространения упругой деформационной волны до переднего торца
трубы.
В этом случае отделившаяся от трубной плети передняя
секция трубы превращается в неожиданное препятствие для ее
дальнейшего продвижения вперед.
25

27.

Для промежуточной очистки трубы от грунтового керна в настоящее
время применяются следующие методы очистки:
- гидроразмыв струей высокого давления;
выбуривание с последующим удалением грунта шнековым
транспортером;
- циклическое удаление керна желонкой.
Статическое выдавливание грунта возможно лишь при условии выхода
забойного конца трубы в приемный приямок.
1-грунтовый массив; 2-труба; 3грунтовый
керн;
4-сопло
гидромонитора; 5-струя воды под
давлением.
Удаление грунтового керна из
трубы методом вымывания.
1-земляной массив; 2-труба; 3грунтовый керн; 4-поршень; 5заглушка; 6-штуцер для подачи
сжатого воздуха и воды под
давлением; 7-поршневая полость.
Удаление грунтового керна
из
трубы
методом
статического выдавливания.
26

28.

Желонка – это самодвижущееся универсальное устройство для очистки
трубы от грунтового керна
Пневмопробойник
Процессы транспортирования
устройства до забоя и набора грунта
основаны
на
эффекте
виброударного
перемещения колебательной системы.
Набор грунта осуществляется в в
грунтоприемную капсулу. Доставка желонки
до
забоя и
внедрение
ее
в
грунт
осуществляется
пневмопробойником.
Возврат в рабочий приямок – лебедкой с
пневмоприводом.
Таким образом, и для погружения трубы, и
для ее очистки применяется один
энергоноситель – сжатый воздух.
Устройство позволяет производить
очистные
работы
на
любой
стадии
погружения
обсадной
трубы,
имеет
незначительные размеры и массу, удобно в
обслуживании и эксплуатации. Основной
недостаток – цикличность работы и
невысокая производительность.
Грунтоприемная капсула
27

29.

28

30.

Разработан и экспериментально опробован новый способ очистки
трубной плети от грунтового керна при бестраншейной прокладке
подземных коммуникаций.
В основу способа положен
принцип
одновременного
статического
и
динамического воздействия на грунтовый
керн и трубную плеть. Это
создает условия для удаления
керна без дополнительного
очистного оборудования.
• Статическое воздействие
необходимо осуществлять
со
стороны
переднего
торца трубной плети на
всю площадь поперечного
сечения
керна
в
направлении разгрузочного
окна, а динамическое – на
трубную
плеть
в
направлении,
обратном
статическому.
29

31.

Бурение.
Способ основан на разрушении забоя по всему сечению скважины и
относится к способам с лидирующей разработкой грунта. Грунт
разрабатывается резцовой головкой, диаметром большим, чем диаметр
обсадной трубы. Эвакуация грунта – потоком жидкости, воздуха или
шнековым транспортером. Обсадная труба устанавливается в скважину
одновременно с разрушением грунта. Важным достоинством способа является
возможность управления траекторией проходки.
1-буровая головка; 2-якорь; 3-шнековый транспортер; 4-полиспастная система
подачи трубы; 5-труба; 6-тяговая лебедка; 7-силовая установка; 8-трубоукладчик
для подъема и удержания силовой установки; 9-роликовая опора.
Схема установки горизонтального бурения (УГБ).
30

32.

Установки горизонтального направленного бурения
Кассета с
буровыми
штангами
Рабочее место оператора
Опора передняя
Штанга буровая
с
инструментом
Установка силовая
Оборудование ходовое
31

33.

Проходка пионерной скважины
Расширение пионерной скважины
32

34.

Технология работы машины горизонтального направленного
бурения состоит из:
•бурения
пилотной
скважины
с
запроектированными
характеристиками;
• непрерывного расширения скважины до нужного диаметра при
обратном ходе
инструмента с одновременным протаскиванием
готового трубопровода, собранного на противоположной стороне дороги,
трасы и т.д. в расширяемую скважину.
В процессе работы установки горизонтального направленного бурения
местоположение излучателя, находящегося внутри буровой головки,
отслеживается локационным прибором DigiTrak Mark III, ( DigiTrak Mark IV,
DigiTrak Mark V , Eclipse, DrillTrase) и т.д.
МГНБ
МГНБ
МГНБ
16/200ГМ
20/300ГМ
27/300ГМ
Напорное усилие, кН
160
200
270
Крутящий момент, кН
м
7.00
8.40
13.65
Диаметр протягиваемой
трубы, мм
500
630
800
Длина бурения, м
200
300
300
Диаметр буровой штанги, мм
60
89
89
Длина буровой штанги, м
4.5
4.5
4.5
Габаритные размеры:
длина, м
ширина, м
высота, м
7.35
2.10
2.35
7.35
2.10
2.35
7.35
2.10
2.35
33

35.

Возможные осложнения при гидравлическом бурении
вертлюг
Буровая
штанга
ниппель
затягиваемая
труба
Расширитель
Защитная труба
Сила давления направлена вверх
Нет
выхода
породы
Слишком большое свободное
пространство
Правильное формирование 35
34
свободного пространства

36.

Технологическая схема проходки и расширения скважины с
использование сжатого воздуха для удаления разрушенного грунта: а)
проходка пионерной скважины;
б) расширение скважины с одновременной затяжкой трубы.
1 – рабочий приямок, 2 – буровая колонна, 3 – автодорога, 4 – буровой
станок, 5 –автомобили, 6 – приемный приямок, 7 – пневмопробойник,
8 – расширитель, 9 – затягиваемая труба, 10 - шламопровод
35

37.

Фрагмент производственных испытаний
36

38.

Проходка скважин
микротоннельными
комплексами
37