CC BY
4
УДК 624.132.3 Б01: 10.30977/БиЬ.2219-5548.2020.88.2.93
ВИЗНАЧЕННЯ АЛГОРИТМУ ВИБОРУ ТЕХНОЛОГШ ТА РОБОЧОГО ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ЕФЕКТИВНОГО УТВОРЕННЯ СВЕРДЛОВИН ШД ЧАС ПРОКЛАДАННЯ ШДЗЕМНИХ КОМУН1КАЦ1Й
Супонев В. М.1
1Харк1вський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ушверситет
Анотащя. Пропонуетъся алгоритм выбору технологгй утворювання горизонтальных свердло-вин та методики визначення параметр1в наконечников для утворення тдземних комумкацшних порожнин статичним проколюванням, продавлюванням грунту та гх комб1нац1ею. Основою отриманих методик е резулътати комплексного дослгдження процеав розроблення свердловин в грунт1 наконечниками робочих оргашв, якг забезпечуютъ безтраншейне прокладання /нже-нерних комуткацт гз враховуванням технолог1чних особливостей процеав та ф1зико-мехашчних властивостей грунт1в. Запропонований алгоритм дозволяе на стадИ проектування 1нженерних мереж визначити ефективну технолог1ю статичного проколу грунту та тд1бра-ти обладнання вгдповгдно до технолог1чних особливостей та умов створення комуткащйних порожнин в грунт1.
Ключoвi слова: грунтопроколювалъш робочг органи, безтраншейш технологи, 1нженерш ко-муткацИ, прилади статичного проколу грунту.
Вступ
Останнм часом з появою нових сучасних матер1ал1в з виготовлення труб для тепло- та енергетичних мереж, електричних кабел!в, лшш зв'язку тощо з пол1етилену, склоплас-тику, гнучкого чавуну спостер!гаеться активный розвиток технологи безтраншейного прокладання шженерних комункацш. Ефек-тивнють буд!вництва мереж значною м1рою визначаеться швидюстю та яюстю утворювання грунтових порожнин (або, як !х ще на-зивають, горизонтальних свердловин), кр1зь яю вони просуваються. Серед вщомих технологи розроблення грунту пщ час !х створення в окрему групу можна видшити ста-тичш методи формування свердловини, яю дтоть за принципом домкрата. До ще! групи належать методи проколу та продавлювання грунту, а також !х комбшаци [1]. Пщ час ви-користання процесу першого методу весь грунт ущшьнюеться навколо свердловини, його екскавацш назовш практично вщсутня. I навпаки, пщ час використання другого методу весь грунт протискуеться кр1зь металеву оболонку та видаляеться назовш р1зними ме-хашчними приладами. Очевидним е те, що перший метод е значно дешевшим, але вш мае значний недолк, який пов 'язаний з утво-рюванням значно! зони деформування грунту навколо свердловини, що може призвести до руйнування дорожньо! основи або прилеглих комункацш. Комбшований метод формування свердловини складаеться частково з
розроблення грунту методом проколу, а частково методом продавлювання.
Останн!м часом гострою стае проблема створення можливост! керування траекторь ею просування робочого органу пщ час статичного проколювання грунту на велику вщ-стань за допомогою асиметричного наконечника.
Таким чином, виб1р технолог!! та робочого обладнання для ефективного розроблення грунтових комункацшних порожнин е су-часною та актуальною проблемою, що пов'язана з !нтенсиф!кац!ею буд!вництва ш-дземних мереж.
Анал1з публжацш
Встановлено [1-3], що на процеси створення свердловини статичними методами та на формування величини зони деформування грунту навколо не! впливають як параметри свердловини, зокрема и д!аметр, довжина, траектор!я, так ! ф!зико-мехашчш властивос-т! грунту, що розробляеться.
3 анал!зу св!тових наукових перюдичних видань можна видшити роботи [4, 5], де роз-глядаються активш методи безтраншейних технолог!й, але в цих роботах майже не при-дшено уваги статичному проколу.
Дослщження [5, 6] присвячен! вибору способу проведения робгг, а також детальному анал!зу переваг та недолшв р!зних техно-лог!й. А в роботах [7, 8] розглядаються безтраншейш технологи спорудження та ремон-
ту лшшно-протяжних трубопроводш. Також необхщно видшити дослщження [9], яке присвячене вибору способу та планування проведения особливо вщповщальних робгг, що здшснюються пщ час безтраншейного прокладання пщземних комункацш
У робот! [10] описаш можливост! розши-рення безтраншейних технологш до потр1б-них розм!р!в та способи проведения робгг.
У дослщженнях [11] описано вплив грунту на комункаци, що розташований над ними, а також на труби, що прокладеш на пев-ну глибину.
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е розроблення методолог!! створення робочого обладнання для утво-
рення грунтових шдземних комун1кац1иних порожнин статичними способами.
Вщповщно до поставлено! мети необхщ-но визначити алгоритм вибору технологш утворення горизонтальних свердловин та методики визначення параметр!в обладнання для к реал!зац!!.
Визначення алгоритму вибору технологш утворення горизонтальних свердловин
Згщно з вище сказаним можна стверджу-вати, що вс! наявн! технолог!! утворення горизонтальних комункацшних порожнин в грунт! визначаються як !х технолопчними особливостями, так ! конструктивною формою наконечниюв виконавчих робочих орга-н!в. 1х загальна структура наведена на рис. 1.
Технологи та обладнання статично! ди для утворення горизонтальних порожнин н ¡руни
Проколювання 1 ралшышм уиильненням фунту
1а один прохи кошчно--шшндрнчннм наконечником
3 розширенням свердло-- вини конусами 1псля лшерного проколу
Асимстрнчннм наконеч-■ пиком для утворення криволшгёноТ свердловини
Комбшованим з чаегковою екскавмиито фунту
3=
Цил 1 ндрнчно-трубчасти м наконечником з зовнпи-шм конусом ДЛЯ КШЬЦе-вого ртння та зовшш-нього рад|а.тьного ущ1пь-неиня фунту
П родан; I юван н я м з ион ною скскавашгю фунту
г
Цнлшдрнчно-фубчас гим наконечником з внутрнп-шм конусом для внутри и ньою уиильнення грушу
Цшнндрично-фубчастим наконечником з тонкою загострсною громкою для кпьисвого ргшння фунту
Рис. 1. Технолог!! та обладнання для утворення горизонтальних порожнин в грунт! статичними методами
Виб!р технологш створення грунтових порожнин для прокладання шженерних ко-мункацш з використанням установок статично! дй та розрахунки параметр!в !хнього робочого обладнання визначаються умовами закладання захисного футляра в грунт!, як! встановлюються на стад!! проектно-геолог!чних робгг, зокрема його д!аметром, глибиною закладання, довжиною прольоту та ф!зико-механ!чними властивостями грунту.
Першою умовою алгоритму е вщповщ-н!сть глибини прокладання свердловини Н та й д!аметра мш!мально допустимому
значению глибин! закладання горизонтально! свердловини в конкретному тип! грунту (1).
Дотримання ще! умови унеможливлюе пош-кодження дорожнього полотна пщ час фор-мування свердловини шляхом рад!ального ущшьнення грунту (методом проколу), що ! визначае метод утворювання горизонтально! порожнини. М!н!мальну глибину закладання свердловини вщ поверхн! можна визначити за р!внянням, що наведено в робот! [11]:
Япр ^ Ятт -
4,4 +
1
(0,01-п)
• D„
, (1)
де #прта Нтп - проектна та м!н!мальна гли-бина прокладання свердловини, м; -Осв- д!а-
метр свердловини, м; п0 - перв1сна порис-тють грунту, %.
Якщо умов а щодо мш!мально! глибиш дотримуеться, то свердловину розробляють методом проколу. Якщо умова не виконуеть-ся, то методом продавлювання або комбшо-ваними методами.
Розглянемо особливост! вибору парамет-р!в робочого обладнання для кожно! технологи окремо.
Пщ час розроблення свердловини методом проколу головною умовою для подаль-шого вибору технологи е и довжина. Якщо траса не перевищуе гарантовано! довжини прямолшшного проколу, що дор!внюе 20 м, свердловину можна утворювати трубою з конусним наконечником за один або деюль-ка проход!в шляхом створення лщерно! свердловини та и розширення кошчними розши-рювачами. Якщо дистанцш перевищуе 20 м, лщерну свердловину необхщно створювати керованим проколом шляхом почергово! змь ни форми наконечника головки з конусно! на асиметричну та навпаки. Розширення свердловини до встановленого д!аметра Осв зд!йснюеться також конусними розширюва-чами.
Перев!рка ефективност! створення свердловини за умови м!н!м!зац!! опору грунту проколу здшснюеться шляхом пор!вняння заданого д!аметра проколу з розрахунковим максимально ефективним, тобто оптималь-ним д!аметром свердловини [3]:
Оев ~ Оопт
0,1X0! + (1Ц - 0,2) д3 = 4f ----' (2)
( 0 V
V ЕУ J
-1
Егр (1 + уе1вР)
де Оопг - оптимальний д!аметр конусно-
цил!ндричного наконечника з виступами, м;
f=tgф - коефщент зовн!шнього тертя грунту;
Ор . . .
X = - сшвв1дношення Д1аметра зони
пружно-пластичних деформацш Ор до д!а-
метра конусного наконечника о [1]; о1 - на-пруження в грунт! на меж! пружно! та пластично! зон, МПа [1]; q■¡ - залишковий тиск на цил!ндричн!й частиш наконечника, якщо /ц > 0,2 м (я3=0,016..Д035 МПа), МПа [12]; Еу -модуль об'емно! деформаци, МПа [13]; Егр -компресшний модуль деформац!!, МПа [12]; в - кут нахилу утворювального конуса наконечника, град.
Якщо д!аметр свердловини перевищуе отриману величину, то необхщно перейти на поетапну технологто розроблення свердловини шляхом створення лщерно! та и розширення конусними розширювачами.
Встановлення оптимального д!аметра наконечника дозволяе м!н!м!зувати енергетичш витрати на створювання свердловини. Якщо тягов! можливост! обрано! установки не вщ-пов!дають розрахункованому опору грунту, то необхщно перейти на поетапну технологто розроблення свердловини шляхом створення лщерно! та и розширення конусними розширювачами.
Особливютю керованого проколу е те, що траекторш руху робочого органу визначаеть-ся кутом скосу асиметричного наконечника Р, який повинен бути встановлений з умови сходження грунту з лобово! поверхн! з одного боку . 3 шшого боку кут скосу визна-
чае траекторто руху робочого органу та радь ус критичного згинання штанг, який визна-чаеться величиною максимально допустимого вщхилення Ц! умови повинш бути вра-хован! пщ час шженерного розрахування па-раметр!в робочого обладнання.
Пщ час формування свердловини шляхом комб!нац!! методу проколу грунту кошчним наконечником початково! свердловини та и розширення кшьцевими ножами повинна до-тримуватись умова неперебшьшення максимально допустимого д!аметра лщерного проколу:
Н , (3)
Ол1д ~ Опоч.тах
4,4 +
1
(0,01 • по)
2,25
де Вл0 та Опочтах - д!аметри л!дерно! та початково максимально! свердловини, м.
Обираючи кшьцев! нож!, необхщно вра-ховувати отриман! рекомендац!! [11] щодо розрахунк!в та типу нож!в, як! вщповщають умов! р!вност! сил опору пщ час розширення свердловини. Також для кожного типу необхщно використовувати скребок вщповщного розм!ру для зачищення свердловини п!сля кожного проходження кшьцевого ножа.
Умовою використання комб!нованого методу продавлювання грунту кошчно-цилшдричним наконечником е захищен!сть дорожнього полотна вщ пошкодження, коли в!дстань до свердловини буде меншою, н!ж зона руйнування грунту, яка утворюеться у випадку деформац!! навколо робочого органу пщ час його просування.
Отже, згщно з [13] Нщ > 0,5(Dp -DCB)
= 0,5
D2-(X2 -,)f )2 - D ] ' (4)
де d - д1аметр цилшдрично-трубчастого наконечника, м;
Л =
Л
rs„h + -
tg 4
1 4 2
Л
. (5)
де угр - питома сила тяж1ння грунту; с - ко-
ефщ1ент зчеилення грунту; ф, ф0 - кути зов-ншнього та внутршнього тертя грунту, град.
Розроблення свердловини кошчно-цилшдричним та цилшдрично-кшьцевим наконечниками, що здшснюеться за доиомогою методу продавлювання, вщбуваеться в режим! дискретно-поступального руху. Довжи-на просування обох тип1в наконечниюв ви-значаеться умовою забивания внутршньо! порожнини труби. Досягнувши розрахунко-во1 максимально! довжини грунтового керна Ькер , процес просування необхщно зупинити
та здшснити екскавацто грунту за доиомогою мехашчних застосувань, наприклад желонкою, шнеками або буровим наконечником, з промивкою свердловини водою. Крок захо-дження цилшдрично-полого наконечника мо-жна визначити з роботи [14] за залежнютю
Фч
Фч
стпас = rH ш tan(45 + ^) + 2C tan(45 + ^)
2
+(ГН^ tan ф + C) cot(45 -ф)Нп2р,
2
(6)
У залежност1 (6)
стпас =rHnp tan(45 + 2) + 2C tan(45 + 2)-
+(ГНnp tan ф + C) cot(45 -ф)Нп2р,
пасивнии тиск грунту, а
стпас =rHnp tan(45 + 2) + 2C tan(45 + 2)-
+(ГН^ tanф + C)cot(45 -|)H2p,
omp за внутр1шньою поверхнею грунту, що визначаеться за залежнютю [14]:
Ф
Ф
стпас = rH ш tan(45 + f) + 2C tan(45 + f)
2
+(rHnp tan ф + C) cot(45 -ф)Нп2р,
2
= АаЛ/
(7)
(8)
Процес повторюються nK pa3ie, поки не завершиться.
L..
n„ = ■
(9)
Висновки
Bn6ip технологи базуеться на силових можливостях привода установок, рацюналь заци ix потужност1 та ефективност1 способу видалення грунту. Так, пщ час проколу весь грунт навколо простору свердловини ущшь-нюеться. А пщ час продавлювання, навпаки, пщлягае евакуаци. Отже, продавлювання е бшьш витратним методом. Комбшоваш ме-тоди займають пром1жне мюце.
Пюля вибору технологи створення горизонтально! свердловини для безтраншейного прокладання шженерних комункацш в rpymi можна за вибраними параметрами об-ладнання для задано! свердловини здшснити тягов1 розрахунки та визначити силов1 пара-метри установок.
Л1тература
1. Кравець С. В., Кованько В. В., Лукянчук О. П. Науков1 основи створення землерийно-ярусних машин i тдземнорухомих пристро1в: монограф1я. PiBHe: НУВГП, 2015. 322 с.
2. Кравець С., Посм1тюха О., Супонев В. Анал1тичний cnoci6 визначення опору зану-рення конусного наконечника в грунт // СММ ПДАБА. 2017. Вып. 103. С. 91-98.
3. Кравець С., Супонев В., Посм1тюха О. Визначення екв1валенгного i оптимального д1аметр1в кошчного наконечника з виступами для проколювання грунту // НПТ ДНУЗТ. 2017. Вип. 70. С. 89-98.
4. Erez N. Allouche, Samuel T. Ariaratnam, State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations. Published online: April 26. 2012. https://doi.org/10.1061/40641(2002)55.
5. Pridmore A., Geisbush J. Developing a Successful Specification for Horizontal Directional Drilling // Pipelines 2017. Pipelines Planning and Design Book set. 2017. P. 553-563. https://doi.org/10.1061/9780784480878
6. Hastak M., Gokhale S., Decision Tool for Selecting the Most Appropriate Technology for Underground Conduit Construction // Geological Engi-
c
neering: Proceedings of the 1st International Conference. New York, 2009. DOI: 10.1115/1.802922. paper 30.
7. Zhao Jun Ling Bian. Trenchless technology underground pipes. Machinery Industry Press, 2014. P. 187.
8. Jian Xin. Application of Trenchless Pipeline Rehabilitation Technology // International Conference on Pipelines and Trenchless Technology. 2014.
https://doi.org/10.1061/9780784413821.051.
9. Hastak Makarand, Gokhale Sanjiv. Decision Tool for Selecting the Most Appropriate Technology for Underground Conduit Construction // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference, Baosong Ma, ASME. doi: 10.1115/1.802922. Paper 30
10. Sterling Raymond L. International Technology Transfer in Tunneling and Trenchless Technology // Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. Baosong Ma, ASME, 2009. doi: 10.1115/1.802922. Paper 6.
11.Супонев В., Хачатурян С., Олексин В. Исследование процесса изменения состояния грунта вокруг горизонтальной скважины после её формирования методом статического прокола грунта. BicHUK Харюеського нацгонального автомобгльно-дорожнього утверситету. Вып. 73. С. 196-202.
12. Высокопроизводительные гидропневматические ударные машины для прокладки инженерных коммуникаций / Ешуткин Д. Н., Смирнов Ю. М., Цой В. И., Исаев В. Л. Москва: Стройиздат, 1990. 171 с.
13.Супонев В. М. Визначення величини зони де-формування грунту конусно-цилшдричним наконечником i тиску на б1чнш поверхнг Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. Сборник научных трудов. Вып. № 83. 2018. С. 22-28.
14.Панин АН., Сарычев В. И., Прохоров Н. И., Савин И. И. Обоснование параметров совмещённой схемы прокладки труб при бестраншейной технологии. Известия ТулГУ. Технические науки. 2013. Вьш. 12. 4.2. С. 298-306.
References
1. Kravets, S., Kovalenko, V., Lukyanchuk, O. (2015). Scientific basis for the construction of earth-tiered machines and underground machine tools. Monograph. Rivne: NUVGP, 322.
2. Kravets, S., Posmituha, O., Suponnev, V. (2017). An analytical method for determining the resistance of immersion of a conical tip to the soil. SMM PDABA, 103, 91-98.
3. Kravets, S., Suponnev, V. Posmituha, O., (2017). Determination of equivalent and optimal diameters of a conical tip with projections for puncture the soil. NPTDNUZT, 70, 89-98.
4. Erez N. Allouche, Samuel A. (2012). State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for
New Installations. American Society of Civil Engineers, 8. https://doi.org/10.1061/40641(2002)55.
5. Pridmore, A., Geisbush, J. (2017). Developing a Successful Specification for Horizontal Directional Drilling. Pipelines 2017. Pipelines Planning and Design Book set, 553-563.
6. Hastak, M., Gokhale, S. (2009). Decision Tool for Selecting the Most Appropriate Technology for Underground Conduit Construction. Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. New York, 18.
7. Zhao Jun Ling Bian. (2014). Trenchless technology underground pipes. Machinery Industry Press, 187.
8. Jian Xin. (2014). Application of Trenchless Pipeline Rehabilitation Technology. International Conference on Pipelines and Trenchless Technology. https://doi.org/10.1061/9780784413821.051.
9. Hastak Makarand, Gokhale Sanjiv. (2009). Decision Tool for Selecting the Most Appropriate Technology for Underground Conduit Construction. Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference, Baosong Ma, ASME. New York, 18.
10. Sterling Raymond L. (2009). International Technology Transfer in Tunneling and Trenchless Technology. Geological Engineering: Proceedings of the 1st International Conference. Baosong Ma, ASME. New York, 8.
11. Khachaturian, S., Oleksin, V. (2016). The study of the process of changing the state of the soil around a horizontal well after its formation by the method of static puncture of the soil. VKHADU, 73,196-202.
12. Sushutkin, D. N., Smirnov, Yu. M., Tsoi, V. I., Isayev, V. L. (1990). High-performance hydro-pneumatic shock machines for laying engineering communications. Moscow: Stroyizdat, 171.
13. Suponyev V.M. Viznachennya velichini zoni de-formuvannya gruntu ko-nusno-cilindrichnim na-konechnikom i tisku na bichnij poverhni. Vestnik HNADU Harkovskogo nacionalnogo avto-mobilno-dorozhnogo universiteta. Sbornik nauchnyh trudov. Vyp. № 83. 2018. S. 22-28.
14. Panin A. N., Sarychev V. I., Prohorov N. I., Savin I. I. Obosnovanie parametrov sovmeshyonnoj shemy prokladki trub pri bestranshejnoj tehnologii. Izvestiya TulGU. Tehnicheskie nauki. 2013. Vyp. 12. Ch. 2. S. 298-306.
Супонев Володимир Миколайович1, кт.н., доцент, +380 (50) 301 -99-58, v-suponev@ukr.net. Харювський нащональний автомоб1льно-дорожнш ушверситет.
Determination of the algorithm of choosing the technologies and working equipment for efficient formation of wells when laying underground utilities
Аннотация. Choice of effective technologies and working equipment for its realization at laying of
underground communications is an important problem which requires the creation of a special methodology. It should take into account both the parameters of the well and technological processes of its formation. As a result of the integrated studies of the process of creating horizontal wells by methods of static puncture and forcing the soil, as well as their combination has enabled to identify the areas of effective application of each by calculation, and recommend design parameters of the working bodies and power units taking into account the physical and mechanical properties of the soil, which is being developed. The algorithms of the methodology determine the influence of the length of their transitions on the accuracy of communications laying, damage to adjacent communications and road beds. The received results allow to optimize the size of the well received by puncturing the soil by conical tip with protruding edge at the base of the cone or its punching by cylindrical-conical tip. The practical value of obtained results of the work is in the possibility to choose the most efficient technologies and equipment for trenchless laying of communications at the stage of designing engineering networks considering soil geology and sizes required wells. At the base of recommendations there are original technological solutions and the design of work equipment, which can significantly improve the quality and efficiency of building engineering networks.
Suponyev Vladimir Nikolaevich Ph.d., Associate Professor, + 380 (50) 301-99-58, v-suponev@ukr.net. Kharkiv State automobile and highway University.
Определение алгоритма выбора технологий и рабочего оборудования для эффективного создания скважин при прокладке подземных коммуникаций
Аннотация. Выбор эффективной технологии и рабочего оборудования для её реализации при
прокладке подземных коммуникаций является важной проблемой, которая требует создания специальной методологии. Она должна учитывать как параметры скважины, так технологические процессы её формирования. Проведенные комплексные исследования процесса создания горизонтальных скважин методами статического прокола и продавливания грунта, а также их комбинации позволили расчётным путём установить области эффективного применения каждого из них и рекомендовать конструктивные параметры рабочих органов и силовых установок с учётом физико -механических свойств грунта, который разрабатывается. В основе методологии заложены алгоритмы определения влияния на точность прокладки коммуникаций от длины их переходов, на повреждение прилегающих коммуникаций и основания дорог. Полученные результаты позволяют оптимизировать размеры скважины, полученные проколом грунта конусным наконечником с выступающей кромкой в основании конуса или его продавливанием конусно-цилиндрическим наконечником. Практическое значение полученных результатов работы заключается в возможности выбора на стадии проектирования инженерных сетей с учётом геологии грунта и размеров требуемой скважины наиболее эффективной технологии и рабочего оборудования для бестраншейной прокладки коммуникаций. В основе разработанных рекомендаций лежат оригинальные технологические решения и конструкции рабочего оборудования, которые позволяют существенно повысить качество и эффективность строительства инженерных сетей.
Супонев Владимир Николаевичк.т.н., доцент, +380 (50) 301-99-58, v-suponev@ukT.net. Харьковский национальный автомобильно -дорожный университет.
