bbk 000000

УДК 628.112.24:622.24

Похил Ю. Н., Григоращенко В. А., Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н.

Совершенствование технологий бестраншейной прокладки подземных коммуникаций

Аннотация

Приведен анализ бестраншейных способов сооружения горизонтальных скважин для прокладки инженерных коммуникаций. Наибольшими резервами технических возможностей обладает способ горизонтального бурения, включающий в себя процессы разрушения породной массы и ее удаления из сооружаемой скважины. Рассмотрены пути повышения эффективности бурового процесса. Предложена новая технология бурения, при которой удаляется большая часть разрушенной породы, а оставшаяся меньшая часть вдавливается в стенки скважины с целью повышения их плотности и прочности. Транспортирование породной массы осуществляется воздушным потоком по специальному вращающемуся трубопроводу. Приведены результаты лабораторных и производственных испытаний макетного образца бурового устройства с применением разработанной технологии бурения для сооружения горизонтальных скважин.

Ключевые слова

бестраншейная прокладка , подземный трубопровод , бурение , уплотнение грунта , устойчивость скважины , горизонтальное пневмотранспортирование

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

При подземном строительстве инженерных коммуникаций одним из основных процессов является сооружение скважин в породном массиве. В последнее время бестраншейная прокладка все чаще становится единственно возможным методом ведения строительных работ. Существует три основных способа сооружения скважин: прокол, продавливание и бурение. Особенности образования скважины принципиально отличают эти способы от других методов бестраншейных технологий.

Бурение грунта включает в себя два основных процесса: разрушение породы и ее удаление из скважины. Этот способ широко используется в мировой практике подземного строительства, так как позволяет механизировать основные технологические операции. Кроме того, вследствие извлечения грунта экскаватором и минимального деформирования грунтового массива энергоемкость процесса невелика. Практически все способы бурения, используемые в настоящее время в строительстве, относятся к методам проходки с полным удалением породной массы из всего сечения скважины. По способу разрушения забойной части скважины принято различать механическое и гидравлическое бурение.

В последние годы в отечественной практике бестраншейного строительства применяются установки горизонтального направленного бурения. В них для разрушения грунта, его удаления и укрепления стенок скважины используется буровой раствор, поступающий в скважину под давлением. Такая технология при очевидных достоинствах имеет и ряд существенных недостатков, которые необходимо учитывать при оценке возможности ее применения в городских условиях.

Главным недостатком является трудность обеспечения правильной геометрии сооружаемых скважин. Площадь сечения скважины по всей ее длине должна быть одинакова, а ось скважины – прямолинейной, если иное не предусмотрено техническим проектом. Методы формирования скважины предусматривают воздействие на грунтовый массив энергии потока жидкости. При этом наиболее частыми дефектами являются искажения формы и размеров скважины в виде сужения или чрезмерного расширения на различных ее участках, что недопустимо [1]. Такие нарушения геометрии приводят к появлению в толще грунта пузыря суспензии с избыточным давлением, а далее – к вспучиванию и поднятию дневной поверхности грунта. Другим следствием указанных нарушений является изменение характера ответной реакции буровой головки на команды управления траекторией ее движения, что приводит к зигзагообразному перемещению инструмента.

В настоящее время в Институте горного дела Сибирского отделения РАН разрабатывается технология «сухого» бурения без использования жидкости. Это позволяет избавиться от рассмотренных выше недостатков. Основой технологии является способ сооружения скважин методом частичного уплотнения грунта. При этом формируется устойчивая скважина за счет свойств самого грунта, без применения буровых растворов или других дополнительных материалов [2].

Уплотнение грунта является простым и эффективным способом упрочнения механических связей между его частицами. Скважины с уплотненными стенками могут сохранять устойчивость в течение длительного периода времени [3]. Прочность стенок может быть доведена до уровня, достаточного для восприятия механической нагрузки, возникающей при последующем размещении в скважине продуктопровода или других инженерных коммуникаций.

Другой важной составляющей процесса бурения скважин является удаление разрушенной породной массы. В качестве очистного агента в буровом процессе используется сжатый воздух. Достоинство метода транспортирования породных частиц газовым потоком – простота технологического процесса. При этом отсутствует необходимость доставки к месту производства работ значительных объемов очистного агента. Отделение частиц породы от очистного агента после завершения процесса транспортирования осуществляется быстро и эффективно.

Надежность процесса горизонтального транспортирования разрушенной породной массы воздушным потоком достигается за счет того, что транспортным каналом является размещенный в скважине трубопровод, который в процессе транспортирования вращается вокруг своей продольной оси [4]. Непрерывное вращение трубопровода исключает или существенно затрудняет возможность образования неподвижного подстилающего слоя на дне транспортного канала из частиц породы, выпадающих из потока.

Преимущества способа транспортирования по вращающемуся трубопроводу в сравнении с традиционными системами пневмотранспорта вытекают из иной физической сущности процесса движения частиц материала. При транспортировании по неподвижному трубопроводу ключевое значение имеют силы, удерживающие грунтовые частицы во взвешенном состоянии. Это силы, появляющиеся при турбулентности газового потока, и гидродинамические силы, возникающие при несимметричном характере обтекания частиц.

Во вращающемся трубопроводе подъемные силы не имеют решающего значения. Движущей является сила лобового давления потока воздуха на грунтовую массу. Такое движение происходит при гораздо меньшей скорости потока по сравнению с традиционными пневмотранспортными системами.

Особую сложность представляет транспортирование посредством воздуха грунтовой массы повышенной влажности. Суть проблемы заключается в том, что такая грунтовая масса в процессе разрушения плохо разделяется на отдельные частицы малых размеров. Частицы при механическом контакте слипаются, образуя пластичную массу.

Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что увлажненная грунтовая масса может транспортироваться по вращающемуся трубопроводу в виде пластичного поршня. Вращение трубопровода способствует распределению поступающей в него грунтовой массы по всему сечению транспортного канала и образованию пластичного или сыпучего псевдопоршня. При разрушении такого поршня в процессе транспортирования вращение трубопровода способствует его восстановлению и возобновлению процесса до выхода из трубопровода (рис. 1).

На рис. 2 приведена индикаторная диаграмма давления в трубопроводе диаметром 200 мм при транспортировании порции грунта. Измерения проводились в лабораторных условиях при бурении скважины диаметром 426 мм в специальном грунтовом канале. Диаметр шламопровода был выбран по критерию давления воздуха в полости шламопровода исходя из данных, полученных в ходе математического моделирования процесса движения грунтового поршня.

В ходе полевых и производственных испытаний макетного образца бурового комплекса в различных грунтовых условиях прокладывались скважины диаметром от 325 до 530 мм. Установлено, что изменение влажности грунта в достаточно широком диапазоне не вызывает заметных изменений в процессе его транспортирования. При влажности более 20% было отмечено некоторое уменьшение объема транспортируемых порций. При низкой влажности грунта (менее 10%) в течение времени между выходом грунтовых порций отмечались периоды, когда происходил непрерывный вынос наиболее мелких и легких фракций грунта.

Экологически чистая «сухая» технология бурения позволила проложить бестраншейным способом силовые электрические кабели в парковой зоне г. Новосибирска (рис. 3). Грунт на глубине проходки скважин представлял собой легкую супесь с влажностью около 8–10%. При сооружении подземных каналов вначале осуществлялась проходка пионерной скважины диаметром 130 мм. Скважина формировалась методом радиального уплотнения грунта при помощи пневмопробойника, установленного на буровой колонне. Затем скважина расширялась до диаметра 325 мм при обратном движении буровой колонны с расширителем.

Всего на этом объекте было сооружено четыре пешеходных перехода под автомобильными дорогами. Во всех случаях скважины, расширенные методом частичного уплотнения грунта на стенках, сохраняли устойчивость в течение всего времени прокладки трубопроводов. Нагрузки, возникающие при затягивании трубопроводов, также не вызывали обрушения стенок скважины. Специалистами были отмечены преимущества «сухой» технологии, что особенно важно при последующих электромонтажных работах. Отмечено также отсутствие загрязнения рабочей зоны.

Другим объектом, на котором в полной мере проявились достоинства новой технологии, являлась кабельная трасса в районе поселка Криводаново Новосибирской области. Работа производилась в зимний период при среднесуточной температуре около –15 C. Всего на этом объекте было сооружено три перехода под автомобильными дорогами и подъездной железнодорожной веткой. Каждый переход состоял из четырех или шести каналов, размещенных в скважине диаметром 530 мм. Под автомобильным шоссе по той же технологии была проложена скважина длиной более 30 м и диаметром 340 мм. В скважине размещены основная и резервная пластмассовые трубы диаметром 160 мм.

В ходе испытаний доказана работоспособность бурового комплекса и его конкурентоспособность в сравнении с другими техническими средствами. Новизна и оригинальность предложенного способа бестраншейной прокладки коммуникаций защищена патентом Российской Федерации [5].

Выводы

«Сухая» технология бурения скважин для бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций может использоваться круглогодично, включая периоды отрицательных температур. Скважина с уплотненными стенками сохраняет устойчивость в течение всего времени прокладки трубопровода. Расширение пионерной скважины до проектного диаметра осуществляется за один проход. Это выгодно отличает созданный комплекс от существующих установок горизонтального бурения американского и европейского производства, в которых возможно только последовательное расширение скважин за несколько проходов.

Список цитируемой литературы

1. Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий. – М.: Пресс Бюро, 2005.
2. Гилета В. П., Смоляницкий Б. Н. Проходка скважин с частичной экскавацией грунта // Строительные и дорожные машины. 2001. № 4.
3. Данилов Б. Б., Смоляницкий Б. Н. Определение относительной плотности стенок грунтовых скважин при сооружении их комбинированным способом // Изв. вузов. Сер. Строительство. 2004. № 1.
4. Данилов Б. Б. Повышение эффективности бестраншейных способов подземного строительства за счет применения пневмотранспорта // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. № 5.
5. Пат. 2344241, РФ. MПК E 02 F 5/18 C 1. Способ бестраншейной прокладки коммуникаций в грунте (варианты) / Б. Б. Данилов, Б. Н. Смоляницкий // Изобретения. Полезные модели. 2009. № 2.