Установка горизонтального бурения (рис. 4.45) состоит из двигателя внутреннего сгорания, механической или гидромеханической трансмиссии, тяговой лебедки, трубы-кожуха и шнека с буровой фрезерной головкой для разработки горизонтальной скважины. Труба-кожух опирается на направляющие тележки, размещенные на дне траншеи, из которой ведется проходка.

Рис. 4.45. Установка горизонтального бурения типа УГБ

Установка удерживается от опрокидывания и поворота сопровождающим краном-трубоукладчиком, который передвигается вдоль траншеи со скоростью, равной скорости подачи машины в забой. Двигатель с механизмами привода тяговой лебедки и винтового конвейера монтируется на общей раме, установленной на заднем конце прокладываемой трубы-кожуха с помощью сменных стяжных хомутов. Подача установки при бурении скважины обеспечивается тяговой лебедкой с тяговым усилием до 80 кН через канатный полиспаст переменной кратности (2… 10). Подвижная обойма тягового полиспаста вмонтирована в переднюю часть рамы, а неподвижная, ориентируемая по оси траншеи, шарнирно крепится к якорю, заделанному в грунт насыпи.

Нагрузка на тяговый полиспаст (усилие подачи) определяется диаметром и длиной прокладываемой трубы-кожуха, ее прямолинейностью, а также физико-механическими свойствами разрабатываемого грунта. Наибольшие сопротивления подаче установки в забой возникают при строительстве переходов в легко поддающихся обрушению песчаных грунтах, при ликвидации зазора между трубой-кожухом и скважиной. В приводе тяговой лебедки имеется коробка передач, обеспечивающая несколько (до 6) скоростей вращения барабана и его реверс. Скорость подачи выбирается в соответствии с конкретными условиями проходки и составляет среднем 2…5,5 м/ч при строительстве переходов в средних грунтах и 1,8…3,5 м/ч — в тяжелых.

Сухая транспортировка разработанного грунта из забоя в траншею осуществляется винтовым конвейером, состоящим из трубы-кожуха, внутри которой помещен шнек, не имеющий промежуточных опор. Длина конвейера соответствует протяженности перехода. К головной секции шнека крепится сменная фрезерная буровая головка, снабженная резцами с твердосплавными пластинками. Буровая головка обеспечивает бурение скважины несколько большего (на 30…50 мм) диаметра по сравнению с наружным диаметром прокладываемой трубы-кожуха, что позволяет значительно уменьшить лобовое сопротивление подаче установки в забой.

Оптимальная частота вращения шнека 0,18…0,3 с-1 при разработке средних грунтов и 0,1…0,15 cr1 — тяжелых. В установках с гидромеханической трансмиссией скорости подачи в забой и вращения буровой головки со шнеком регулируются бесступенчато в зависимости от конкретных условий проходки, что позволяет автоматизировать работу установок и повысить их производительность в 1,5…2 раза. В соответствии с размерами прокладываемой трубы-кожуха каждая установка комплектуется набором винтового конвейера и фрезерными головками.

При прокладке труб способом прокола образование скважины осуществляется за счет радикального вытеснения и уплотнения грунта (без его разработки) прокладываемой трубой, пневмопро-бойником или раскатчиком грунта. Различают прокол механический (статический) и вибропрокол. При механическом проколе вдавливаемой в грунт трубе сообщается поступательное движение от продавливающего устройства или же она протаскивается через готовую скважину, полученную с помощью пневмопробойника или раскатчика грунта.

При вибропроколе применено вибрирование наконечника прокладываемой трубы (реже самой трубы) при одновременном вдавливании их в грунт.

Механический прокол применяют для прокладки трубопроводов различного назначения диаметром до 426 мм в глинистых и суглинистых грунтах, при максимальной протяженности проходок до 40…60 м.

Рис. 4.46. Установка для вибропрокола

В качестве продавливающих устройств при механическом проколе обычно используют насосно-домкратные установки. Нажимные усилия от насосно-домкратной установки передаются прокладываемой трубе через ее торец. Для уменьшения лобового сопротивления на конце ведущего звена трубопровода устанавливают конический наконечник, диаметр основания которого превышает диаметр трубопровода на 20…30 мм. Продвигаясь в грунте, наконечник раздвигает и уплотняет его, образуя скважину. Вибропрокол применяют при прокладке трубопроводов в песчаных, супесчаных и водонасыщенных грунтах, в которых нельзя получить устойчивую скважину и поэтому механический прокол сильно затруднен, или практически невозможен из-за больших сопротивлений движению трубы, зажатой грунтом. Сущность вибропрокола заключается в том, что прокладываемой трубе (или ее наконечнику) одновременно с усилием подачи сообщаются продольно направленные вдоль ее оси колебания, резко уменьшающие (в 8… 10 раз) трение между грунтом и внедряемой в него трубой. В качестве возбудителей продольно направленных колебаний используются вибраторы направленного действия и вибромолоты, которые кроме вибрации сообщают прокладываемой трубе ударные импульсы. Вибровозбудитель (рис. 4.46, б) имеет четное число дебалансов, при вращении которых в разные стороны возникают вынуждающие силы. Вертикальные составляющие FB этих сил взаимно уничтожаются, а горизонтальные Fr, направленные вдоль оси трубы, складываются. Суммарная вынуждающая сила вибратора определяется числом дебалансов, их массой и частотой вращения, равной частоте колебаний вибратора. Основной частью вибромолота является вибратор направленного действия, снабженный ударником и соединенный с наковальней пружинной подвеской. Ударные импульсы возникают при соударении ударника с наковальней, причем сила удара в несколько раз превышает вынуждающую силу вибратора.

Рис. 4.47. Пневматический пробойник для проходки скважин

На рис. 4.46, а показана виброударная вдавливающая установка для прокладки труб (кожухов) диаметром 273…426 мм. В комплект установки входят вибромолот с приводным электродвигателем, анкерная рама с секционными направляющими для перемещения вибромолота, тяговая реверсивная лебедка с пригрузочным полиспастом, развивающим вдавливающее усилие до 300 кН. Прокладываемая труба с конусным инвентарным наконечником устанавливается свободным концом в наголовнике вибромолота. Секции труб длиной до м последовательно внедряются в грунт под действием виброударных импульсов и вдавливающего усилия пригрузочного полиспаста. Проложенная труба соединяется с очередной электросваркой. В процессе работы установки можно с помощью пригрузочного полиспаста регулировать натяжение пружинной подвески вибромолота в зависимости от сопротивления грунта внедрению прокладываемой трубы для обеспечения оптимального сочетания усилия вдавливания с наиболее эффективным ударным режимом.

Вибропроколом прокладывают трубы диаметром до 426 мм на длину до 25…50 м. Скорость проходки зависит от грунтовых условий и диаметра прокладываемой трубы и составляет в среднем 20…60 м/ч.

Пневматические пробойники широко используют для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций под действующими автомобильными и железными дорогами, трамвайными путями, улицами и площадями, зданиями и сооружениями, а также для изготовления набивных свай, глубинного уплотнения грунтов и т. п. Они представляют собой самодвижущиеся машины ударного действия и предназначены для проходки в грунтах I-III категорий сквозных и глухих горизонтальных, вертикальных и наклонных скважин с уплотненными гладкими стенками и забивания в грунт стальных труб. Через пробитые в грунте скважины затем прокладывают трубопроводы и кабели различного назначения. Забитые в грунт трубы в горизонтальном или наклонном направлении применяют как рабочие трубопроводы или как защитные футляры-кожухи для размещения в них коммуникаций. Вертикально забитые трубы могут использоваться как сваи.

По назначению пневмопробойники разделяют на две группы — для проходки скважин в грунте и для забивания в грунт труб. Главным параметром пневмопробойников для проходки скважин является наружный диаметр корпуса, т. е. диаметр проходимой в грунте скважины, у пневмопробойников для забивания в грунт труб — максимальный наружный диаметр забиваемой трубы. Некоторые типы пневмопробойников могут быть использованы как для проходки скважин, так и для забивания труб. Независимо от назначения пневмопробойники имеют одинаковые принцип действия и систему воздухораспределения, однотипные реверсивные устройства и различаются между собой размерами и массой, энергией и частотой ударов, составом оснастки и приспособлений.

Рис. 4.48. Пневмопробойник для забивания труб

Каждый пневмопробойник (рис. 4.47 и 4.48) состоит из цилиндрического корпуса с наковальней 1, массивного ударника 3, золотникового воздухораспределительного устройства и гибкого рукава для подвода сжатого воздуха от компрессора. Под действием сжатого воздуха, попеременно перепускаемого золотником в полости прямого и обратного ходов, ударник совершает возвратно-поступательное движение и наносит удары по наковальне корпуса, продвигая машину вперед. В результате образуется прямолинейная скважина с гладкими стенками или забивается в грунт труба. Обратному движению пневмопробойника препятствуют силы трения между его корпусом или стенками трубы и грунтом. Возврат пробойника назад по пробитой скважине осуществляется изменением направления ударов с помощью реверсивного механизма. Управление реверсивным механизмом осуществляется либо вращением воз-духоподводящего рукава, либо его натяжением.

Для увеличения диаметра скважины пневмопробойники снабжаются сменными конусными уширителями, закрепляемыми на корпусе машины. Корпуса пневмопробойников для забивки труб соединяются с забиваемыми трубами с помощью насадок.

Предусмотрен выпуск пневмопробойников для проходки скважин с наружным диаметром (без уширителя) 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160 и 200 мм, для забивания труб — с максимальным диаметром забиваемых труб 400; 630; 800; 1000; 1250 и 1600 мм.

Машины для раскатки скважин в грунте. Все большее распространение получают грунтопроходные машины безударного действия с самозавинчивающимся рабочим органом для раскатки в грунте горизонтальных, вертикальных и наклонных скважин, которые называют также раскатчиками грунта.

Рис. 4.49. Машина для раскатки скважин:
а — принципиальная схема; о — схема разворота катков

Машина для раскатки скважин (рис. 4.49) состоит из привода (мотор-редуктора или гидромотора) и жестко соединенного с его выходным валом рабочего органа. Последний представляет собой консольный эксцентриковый вал, на шейках которого установлены свободно вращающиеся конические катки. Шейки вала и, соответственно, оси катков развернуты под углом ф к продольной оси вала. При вращении вала катки катятся по спирали, центром которой является ось рабочего органа, и завинчиваются в грунт, формуя скважину с уплотненными стенками. Угол ср определяет шаг завинчивая катка, т. е. подачу рабочего органа за один оборот эксцентрикового вала.

Число катков на валу рабочего органа зависит от технологии производства работ и длины (глубины) проходки. Приводной мотор-редуктор снабжен ребрами для восприятия реактивного крутящего момента при вращении вала рабочего органа. Питание привода раскатчика осуществляется посредством кабеля или гидрошланга высокого давления. Частота вращения вала раскатчика бесступенчато регулируется в широком диапазоне. Средняя скорость проходки скважины в различных грунтах 10…20 м/ч. Кроме проходки скважин под коммуникации, раскатчики скважин используются для усиления оснований фундаментов действующих зданий и сооружений, раскатки скважин под буронабивные сваи и т. п.

Машины для раскатки скважин экологически безопасны, бесшумны в работе, не передают динамические нагрузки на строительные конструкции и действующие коммуникации, не оказывают вредного воздействия на обслуживающий персонал.

Грунтопроходная установка для бестраншейной прокладки коммуникаций (рис. 4.50) состоит из раскатчика, станка для привода раскатчика, штанги переменной длины, передвижной маслостанции и пульта управления.

Рис. 4.50. Схема установки с раскатчиком грунта для проходки горизонтальных скважин

Маслостанция состоит из гидравлического насоса с приводным двигателем, бака для масла и пускорегулирующей аппаратуры. Станок для подачи раскатчика на забой сообщает рабочему органу через штангу определенное усилие и включает основание, каретку с механизмом ее перемещения и направляющую, по которой двигается каретка. На каретке установлен гидромотор для привода раскатчика.

Перед началом работ по проходке станок устанавливают на предварительно спланированной площадке с последующей фиксацией его положения анкерами. Направляющую ориентируют винтовым регулировочным механизмом по проектной оси будущей скважины. Затем включают механизм перемещения каретки и вдавливают раскатчик в грунт с одновременным включением гидромотора привода раскатчика.

После внедрения раскатчика на всю длину привод раскатчика выключают, отсоединяют каретку от раскатчика и возвращают ее в исходное положение. Затем раскатчик и гидромотор его привода соединяют промежуточной штангой и повторяют цикл проходки. По мере внедрения раскатчика в грунт штангу наращивают инвентарными секциями. Установка обеспечивает проходку горизонтальных скважин диаметром 50…230 мм на расстояние до 50 м.

Установка комплектуется набором раскатчиков диаметром 50 80, 140, 200 и 230 мм. Грунтопроходные установки с раскатчиками грунта постоянно совершенствуются, расширяются их технические возможности. В перспективе предусмотрено создание раскатчиков для проходки скважин диаметров до 2,0 м.

При прокладывании трубопроводов способом прокола возникают значительные радикальные усилия, поэтому необходимо обеспечивать определенное удаление трубопроводов от земной поверхности, а также подземных сооружений и коммуникаций. В зависимости от материала коммуникации эти расстояния должны составлять: для стального газопровода или водопровода — не менее 0,8 м; до водопровода из чугунных труб — не менее пяти диаметров (d) прокладываемой трубы; до железобетонных и керамиковых труб — не менее 6d\ до водостока из бетонных труб — не менее 4d; до электрических кабелей — не менее 0,6 м.
Продавлнванием прокладывают в грунтах I-III категории стальные трубопроводы диаметром 529… 1720 мм, а также сборные железобетонные коллекторы и туннели различного назначения на длину до 60…80 м. При продавливании трубопровод (футляр) вдавливают в массив грунта открытым концом, снабженным кольцевым ножом, а грунт, поступающий внутрь головного звена, разрабатывают и удаляют через прокладываемый трубопровод ручным или механизированным способом. В качестве продавливающих устройств применяют насосно-домкратные установки, включающие четное число однотипных домкратов грузоподъемностью 170…500 т каждый с ходом штоков 1150…1600 мм. Усилия от домкратов передаются прокладываемой трубе через задний ее торец с помощью стальной нажимной рамы (траверсы) или стального нажимного кольца, равномерно распределяющих давление по периметру торца трубопровода. Для передачи усилий от домкратов на торец ззена трубы после продавливания трубопровода в грунт на длину хода штоков домкратов применяют нажимные патрубки. Длина нажимных патрубков должна быть равна или кратна длине хода штоков домкратов.

Разработку грунта, входящего в открытый конец трубы, производят вручную (при больших ее диаметрах) с применением ручных машин ударного действия и шанцевого инструмента или с помощью механических рабочих органов ковшового, совкового и фрезерного типа, виброударных желонок и грейферов. Ручная разработка грунта характеризуется высокими трудоемкостью, стоимостью и малой производительностью. Удаление грунта из труб диаметром 500…800 мм осуществляется преимущественно гидравлическим способом. Для удаления грунта из трубопроводов большего диаметра используют вагонетки, бадьи, челноки, перемещаемые с помощью канатов и лебедок, самоходные электрокары и тележки со съемными или саморазгружающимися кузовами, ленточные и скребковые конвейеры переменной длины и т. д.

Транспортные средства загружают вручную (при диаметре труб 1000… 1200 мм) или малогабаритными породопогрузочными машинами. Плотные грунты перед погрузкой разрезают на брикеты с помощью режущих решеток, помещенных сразу же за ножевым кольцом, разрабатывают вручную или малогабаритными автоматическими гидроэкскаваторами. Несвязные водонасыщенные грунты поступают на транспортирующие устройства самостоятельно (без применения ручного труда и машин) через люки стальных диафрагм, отделяющие ножевую секцию от остальных секций трубопровода. Количество поступающего грунта регулируется специальными затворами.

Производительность установок для проходок способом продавливания зависит от физико-механических свойств грунта, диаметра и протяженности трубопровода, мощности домкратов, скорости хода их штоков, а также от способа разработки и удаления грунта и составляет в среднем 0,5…1,5 м/ч.

Рассмотрим в качестве примера устройство и рабочий процесс установки для прокладки стальных трубопроводов (футляров) диаметром 1220 и 1420 мм на длину до 60 м способом продавливания с механизированной разработкой грунта.

Установка (рис. 4.51) состоит из четырех основных частей: на-сосно-домкратного агрегата для продавливания трубопровода, рабочего органа для разработки и удаления грунта, устройства для передачи нажимных усилий домкратов и ножевой секции со сменными ножами. Гидравлические домкраты и насосная станция смонтированы на основной раме. Нажимные усилия домкратов передаются на торец прокладываемого звена трубопровода через нажимную траверсу, шарнирно связанную со штоками домкратов. При втягивании (обратном ходе) штоков траверса возвращается вместе с ними в исходное положение. Для передачи нажимных усилий трубе после ее продавливания на длину хода штока домкратов служит вторая траверса, передвигающаяся по направляющей раме, и нажимные патрубки, длина которых (1500 и 3000 мм) кратна ходу штоков домкратов. Реактивные усилия домкратов воспринимает опорный башмак.

Продавливание производят в такой последовательности. Сначала головное звено вдавливают в грунт на длину хода штоков домкратов, а затем возвращают штоки с траверсой в исходное положение. В промежуток между траверсами и укладывают на направляющую раму нажимные патрубки (длина патрубка равна ходу штоков домкратов) и повторяют цикл вдавливания.

Рис. 4.51. Установка для прокладки трубопроводов продавливаиием с мехаиизироваииой разработкой грунта

После второго цикла ранее установленные патрубки заменяют другими, длина которых соответствует уже двойному ходу штоков домкратов и т. д. Процесс смены нажимных патрубков повторяется до тех пор, пока все звено не будет вдавлено в грунт. Нажимные патрубки удаляют, и в освободившееся пространство перед домкратами устанавливают на направляющие очередное звено трубопровода и сваривают его с предыдущим. Сменный рабочий орган включает ковш со сплошной режущей кромкой, работающий по принципу обратной лопаты экскаватора, механизм привода ковша и скребок-клапан для удаления грунта из трубопровода. Перемещение и действие рабочего органа обеспечиваются двухбарабанной лебедкой с электроприводом с помощью рабочего и тягового канатов. При натяжении каната связанный с ним системой рычагов и цепной передачей ковш движется сверху вниз и разрабатывает грунт, который ссыпается в нижнюю часть прокладываемой трубы. Удаление грунта осуществляется скребком-клапаном, поворачивающимся относительно оси крепления и связанным с механизмом привода ковша. Скребок-клапан может отклоняться вверх и в сторону устья скважины при эвакуации грунта. Установка комплектуется двумя сменными рабочими органами для прокладки трубопроводов 1220 и 1420 мм и позволяет обеспечить при работе в песчаных, суглинистых и глинистых грунтах скорость прокладки до 8.4 м/смен.

Щитовую проходку применяют при строительстве на глубине 8… 10 м и более магистральных канализационных и водосточных коллекторов, а также туннелей, в которых прокладывают одновременно трубопроводы и кабели различного назначения. Щитовая проходка возможна практически в любых грунтах и осуществляется с помощью специального проходческого щита круглой, прямоугольной, эллиптической или подковообразной (в поперечном сечении) формы, под защитой которого производятся разработка грунта, погрузка его в транспортные средства и устройство стенок (обделки) подземного сооружения. Наибольшее распространение получили цилиндрические щиты, внутренний диаметр которых принимается в соответствии с требуемым наружным диаметром сооружаемого коллектора или туннеля. Щит вдавливается в грунт по оси проходки гидравлическими домкратами, расположенными по его периметру. Опорой для гидродомкратов служит обделка сооружения. Разработка грунта, поступающего внутрь щита, производится в головной его части, а сооружение обделки — в хвостовой.

Туннельную обделку сооружают сборной из железобетонных блоков или тюбингов и монолитно-прессованной бетонной или железобетонной. Перед началом щитовой проходки сооружают вертикальный шахтный ствол, обычно круглого сечения, диаметром 5…8 м, глубина которого соответствует глубине заложения коллектора (туннеля). Ствол шахты используют для устройства монтажной камеры щита, эвакуации грунта на поверхность средствами вертикального транспорта, передвижения людей и транспортирования материалов в процессе проходки подземного сооружения. На строительстве коллекторов и туннелей применяют несколько типов проходческих щитов с наружным диаметром 2…5,2 м.

Различают немеханизированные щиты, рабочий процесс которых связан с применением ручного труда при разработке грунта, погрузке его в средства внутритуннельного транспорта, устройстве обделки сооружения, и механизированные щиты, у которых операции разработки грунта, эвакуации его на поверхность и устройства туннельной обделки механизированы.

Механизированные щиты снабжены активными рабочими органами периодического и непрерывного действия для разработки грунта и оборудованием для укладки блоков обделки сооружения и транспортирования разработанного грунта через щит на погрузочные средства. Такие щиты применяют на строительстве коллекторов и туннелей диаметром 2…5,2 м. Рабочие органы щитов могут быть роторными (фрезерными), штанговыми, экскаваторными, гидромеханическими и т. п. Наибольшее распространение получили щиты с роторными и экскаваторными рабочими органами.

Рис. 4.52. Механизированные проходческие щиты

На рис. 4.52, а показан цилиндрический механизированный щит диаметром 2,56 м с роторным рабочим органом, состоящим из роторной части и неповоротного цилиндра. Роторная часть включает передний конус со сменными резцами для рыхления грунта и жестко связанный с ним спиральными лопатками зубчатый венец с внутренним зацеплением, которому передается вращение с частотой ОД6…0,2 с-1 от электродвигателя через систему передач.

Неповоротный цилиндр вместе с роторной частью может перемещаться по направляющим вдоль оси щита, получая возвратно-поступательное движение от 16 размещенных по периметру корпуса щита гидравлических домкратов с ходом штоков 1000 мм. Под действием домкратов, развивающих суммарное усилие до 5200 кН, рабочий орган может выдвигаться вперед на расстояние до 1 м независимо от движения щита.

При вращении роторной части разрушенный резцами грунт непрерывно подхватывается спиральными лопатками и перемещается ими по поверхности неповоротного цилиндра к приемному окну, через которое грунт поступает в направляющую воронку ленточного конвейера-перегружателя, загружающего тележки со съемными кузовами. После разработки забоя на длину одного кольца обделки рабочий орган отводится назад, щит продвигается гидродомкратами вперед и в хвостовой части с помощью блоко-укладчика укладывается очередное кольцо обделки из железобетонных трапецеидальных блоков. В свободное пространство между обделкой и грунтом растворонасосом нагнетается цементный раствор, заполняющий пазухи.

Эвакуация грунта на поверхность и подача материалов (элементов сборной обделки, цемента и т. д.) к щиту производятся средствами горизонтального внутритуннельного (двухосные тележки со съемными кузовами, вагонетки, тележки-блоковозки, электрокары) и вертикального (клетьевые подъемники, стреловые краны и т. д.) транспорта.

Роторный рабочий орган может быть выполнен в виде винтовой двух- или трехзаходной планшайбы, оснащенной сменными резцами. Планшайба приводится во вращение гидромотором через систему передач или попеременно действующими через храповое устройство двумя или тремя парами гидравлических домкратов, получающих питание от насосной станции. Разработанный грунт грузится в вагонетки винтовым или ленточным конвейером.

На рис. 4.52, б показан механизированный щит диаметром 2,05 м с экскаваторным рабочим органом, работающим по принципу обратной лопаты. Рабочий орган смонтирован в опорной и ножевой частях корпуса щита, имеет гидравлический привод и автономную систему управления. Грунт из ковша рабочего органа выгружается на ленточный конвейер, загружающий тележки внутритуннельного транспорта. Щит передвигается шестнадцатью гидравлическими домкратами грузоподъемностью 125 т каждый. В хвостовой части щита расположен блокоукладчик для сооружения туннельной обделки.

В проходческом щите диаметром 2,56 м поворотная лопата для разработки забоя установлена на телескопической стреле, поворачивающейся в вертикальной и горизонтальной плоскостях.