CC BY
32
УДК 69.035.4 А.С. Кондратенко
ОСОБЕННОСТИ ОТЧИСТКИ ОБСАДНОЙ ТРУБЫ ОТ ГРУНТОВОГО КЕРНА
Семинар № 18
~ЖЪ настоящее время применение бестраншейного метода прокладки подземных коммуникаций является не только выгодной альтернативой открытых методов, но и порой единственно возможным решением поставленной задачи. При сооружении закрытых переходов наряду с прочими, широко используется метод виброударного погружения в грунт стальных труб с открытым передним торцом. Его применение обусловлено достаточно высокой производительностью виброударного погружения труб в грунт и приемлемой точностью прокладки и простотой оборудования. Эффективность этого метода существенно выросла в связи с созданием в ИГД СО РАН в середине 90-х, модельный ряд пневмомолотов «Тайфун» позволяет осуществить прокладку труб диаметром от 100 до 1000 мм на длину перехода до 60 м без промежуточных отчисток от грунтового керна [1]. Очистка трубы, забитой в грунт с открытым передним торцом, от грунтового керна является одной из важных операций в этой технологии.
В настоящее время применяются следующие способы очистки:
- циклическое удаление керна при помощи грунтозаборного устройства с приводом от пневмопробойника для движения вперед и тяговой лебедки для его извлечения из трубы;
- бурение со шнековым транспортером;
- гидроразмыв струей высокого давления;
- выдавливание грунтового керна из трубы давлением сжатого воздуха.
Каждый из этих методов имеет свои достоинства и недостатки.
Циклическое удаление керна характеризуется малой производительностью, большим объемом ручного труда, необходимостью использования тяговой лебедки и грунтозаборного устройства с приводом от пневмопробойника [2].
Бурение со шнековым транспортером требует громоздкого специального оборудования, и оно ненадежно из-за частых поломок лопастей шнека [2].
Для осуществления гидроразмыва требуется специальное оборудование. Кроме того, не всегда допустимо заливать водой рабочий и выходной приямки [3].
Выдавливание грунтового керна из трубы только давлением сжатого воздуха, как показали испытания, затруднено вследствие образования в ней грунтовой пробки и возможно только в существенно влажных грунтах и сопряжено с опасностью неуправляемого выброса грунтового керна.
В Институте горного дела СО РАН был разработан принципиально новый способ отчистки труб от грунтового керна [4]. Его особенность заключается в комбинации двух воздействий: со стороны переднего торца трубы на грунтовой керн действует статическая нагрузка,
Рис. 1. Отчистка внутренней полости трубы: 1 - труба; 2 - керн; 3 - выходной приямок; 4 поршень; 5 - переходник; 6 - окно; 7 - пневмомолот; 8 - рабочий приямок 9 - упор
создаваемая давлением воздуха на поршень (рис. 1); а со стороны другого торца на трубу, действует ударная нагрузка, создаваемая пневмомолотом, с помощью которого была забита труба.
Обязательным условием применения нового метода на практике является необходимость выхода переднего конца прокладываемой трубы 1 в выходной приямок 3 для установки поршня 4 и упора 9.
К основным преимуществам комбинированного метода можно отнести следующее:
1. отсутствие значительных дополнительных затрат на дорогостоящее оборудование (желонки, лебедки, шнеки);
2. непрерывность процесса отчистки трубы;
3. высокий уровень безопасности;
4. применение ручного труда необходимо только во время монтажа оборудования.
Для оценки условий эффективного практического применения этого метода была проведена серии экспериментов, направленных на определение области значений основных параметров системы, при которых возможна реализация
процесса отчистки. Кроме того, важно оценить степень влияния основных параметров на ход процесса. К основным параметрам в первую очередь следует отнести энергию ударов пневмомолота, давление в поршневой камере, влажность грунтового керна, а также геометрические параметры обсадной трубы (диаметр, длина и толщина стенки).
Эксперименты выполнялись на специальном стенде, схема которого представлена на рис. 2. Стенд позволяет имитировать реальные условия и в широком диапазоне менять практически всех необходимые параметры системы. Экспериментальный стенд представляет собой грунтовый блок 4 м и поперечным сечением 1,4х1,2 м, в который погружена металлическая труба 4,5 м, имеющая внутренний диаметр 68 мм. В качестве источника ударной нагрузки использовался пневмомолот с массой ударника 1,1 кг и частотой ударов 10 Гц. Статическая выталкивающая нагрузка на грунтовый керн создавалась путем подачи сжатого воздуха в поршневую камеру, создающую подпорное давление. Для того чтобы обсадная труба не продвигалась вперед, в конструкции эксперимен-
МН1
Рис. 2. Принципиальная пневматическая схема стенда: Н1,Н2 - компрессоры; МН1..МН3 -манометры; РД1.. ,РД2-редукторы
тального стенда был предусмотрен упор, выполненный с пневмокамерой. Путем изменения давления в пневмокамере меняется и сила поджатия упора к трубе.
Изменение энергии удара осуществляется путем изменения давления сжатого воздуха, идущего от Н1, с помощью пневматического редуктора РД1. Статическая выталкивающая нагрузка и сила поджатия упора изменяется аналогично с помощью редукторов РД2 и
РД3.
На этом стенде проводилось исследование влияния на процесс отчистки следующих параметров: энергия удара в диапазоне 4,1....6,9 Дж, статическая выталкивающая нагрузка - 726.2180 Н, сила поджатия упора - 4.24 кН.
В процессе проведения опытов установлено что, с момента включения напорного давления в поршневой камере движение поршня происходит с переменной скоростью и имеет три явно выраженные фазы:
- Начальная фаза. В зависимости от влажности грунта проявляется на участке перемещения керна в пределах 0,1 - 0,5 м. Здесь может наблюдаться как
нарастание, так и падение скорости перемещении.
- Основная фаза. Охватывает наибольшую часть перемещения. Она характеризуется плавным нарастанием скорости перемещения;
- Завершающая фаза характеризуется резким увеличением скорости движения керна, близкой к «выстрелу» последнего участка грунтового керна.
В основной фазе процесса очистки перемещение грунтового керна во времени х(1) ,как видно из рисунка 3, хорошо апроксимируется полиномом второй степени:
х(0 = А • \2 ± В • t + С
Физически это означает, что в масштабе времени соответствующем интервалу отсчета показаний положения поршня, керн перемещается по трубе равноускоренно. Соответственно убывает и его масса.
В рамках эксперимента установлено, что изменение силы поджатия упора к переднему торцу трубы не влечет за собой значительного изменения
Перемещение от грунтого керна при различной влажности
Время, мин
Перемещение грунтового керна при различных давлениях в поршневой камере
Время, мин
Перемещение грунтового керна при различной энергии удара
р=0,4МПа W=15% L=4м d=68мм
Время, мин
Рис. 3. Графики, полученные в результате экспериментов 330
времени отчистки обсадной трубы, а область значений параметров, за пределами которых уже невозможна реализация комбинированного метода ограничена энергии удара 4,1 Дж, напорным давлением 0,1 МПа и влажностью 10 % . При достижении любым из параметров своего граничного значения разгрузка трубы не наблюдается.
Кроме того, из полученных данных можно сделать следующие выводы:
- С ростом напорного давления до 0,5 МПа скорость движения
1. Смоляницкий Б.Н., Червов В.В., Трубицын В.В., Тищенко И.В. и Вебер И.Э. Новые пневмоударные машины «Тайфун» для специалиных строительных работ // Механизация строительства. - 1997. - №7.
2. Кершенбаум Н.Я., Минаев В.И. Проходка горизонтальных и вертикальных скважин ударным способом. - М: Недра, 1984.
поршня растет. При дальнейшем увеличении давления наблюдается снижение скорости.
- Наиболее влиятельным параметром является влажность грунтового керна. Во всех случаях увеличение влажности с 12 % до 16 % приводит к возрастанию ускорения более чем в 10 раз.
Полученные результаты будут использованы при разработке расчетной модели процесса комбинированной очистки.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Патент РФ №3120997 Способ очистки трубы от грунтового керна и устройство для его осуществления. / Смоляницкий Б. Н., Червов В. В., Трубицын В. В., Тищенко И. В., Вебер И. Э. //БИ. - 1999. -№15.
4. Червов В.В. Новый способ очистки труб от грунтового керна при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций // Механизация строительства. - 2003. - №1. ВТШ
— Коротко об авторе ---------------------------------------------------------------
Кондратенко А. С. - аспирант, Институт горного дела СО РАН.
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 18 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. Б.А. Картозия.
