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

Рис. 7.7. Типы конических наконечников:
а — пирамидальный с кольцом; б — конус с вкладным стаканом; в — конус с кольцом; г — эксцентренный конус с вкладным стаканом; д — конус с кольцом и направляющей иглой; е — конус с прорезями; ж—конус с прорезями и кольцом; з — усеченный конус с кольцом; и — конус с отверстиями для увлажнения грун-

Механический прокол. Способом механического прокола производят закрытую прокладку трубопроводов различного назначения диаметром до 400—500 мм в глинистых и суглинистых грунтах, при максимальной протяженности проходок до 75—100 м. Для уменьшения любового сопротивления на конце ведущего звена продавливаемого трубопровода устанавливается конический наконечник, который, продвигаясь в грунте, раздвигает и уплотняет его в радиальном направлении, образуя скважину. Диаметр основания наконечника, как правило, превышает диаметр трубопровода на 20—30 мм.

Наиболее распространенные типы конусных наконечников показаны на рис. 7.7.

Некоторые проходки выполняют без наконечника, открытой трубой. Грунт, набиваясь в открытый конец труб на длину 1,0—1,2 м, образует в ней плотную грунтовую пробку с ядром уплотнения впереди трубы, которое и выполняет функции обычного наконечника. Для уменьшения усилия прокола на внешней поверхности торца трубы наваривают ножевые кольца толщиной 10—15 мм с клиновидными режущими кромками (рис. 7.8). Наличие наконечника или ножевого кольца позволяет разрабатывать скважину с некоторым кольцевым зазором, что ведет к уменьшению трения боковой поверхности прокалываемого трубопровода о грунт. Практически способы прокола открытой трубой и с применением конусного наконеника равноценны.

При вдавливании конусообразного наконечника в грунт усилие вдавливания расходуется на вытеснение некоторого объема грунта и преодоления сопротивления трения грунта о стальную поверхность наконечника и трубы.

Рис. 7.8. Ножевые кольца для про- конечником в грунте кладки трубопроводов проколом

По расчетной величине Рф выбирают конструкцию вдавливающего механизма, способного развить требуемое усилие вдавливания.

Усилия необходимые для прокалывания, зависят от характера грунта, диаметра и длины прокладываемой трубы и колеблются в пределах от 15 до 250 тс (от 148 до 2450 кН).

В качестве продавливающих и тяговых средств применяются домкраты, лебедки, тали, тракторы и краны-трубоукладчики Усилия от них передаются на задний торец прокладываемой трубы через штоки-шомпола, нажимные объемлющие трубы, штанги и хомуты. Наиболее часто используются насосно-домкратные установки.

Рис. 7.9. Насосно-домкратная установка для прокола

Насосно-домкратная установка для прокола (рис. 7.9) состоит из одного или двух спаренных гидравлических домкратов 9 с большим ходом штоков (1,15—1,3 м) грузоподъемностью до 170 т, смонтированных на общей раме 8. Рама с домкратами устанавливается на дне рабочего котлована, из которого ведется проходка. Глубина котлована зависит от заложения трубопровода и составляет для газопроводов 2,2—2,4 м. Рядом с котлованом на поверхности земли размещается пидравлическии насос высокого (до 300 кгс/см2 или 30 МПа) давления 2 с двигателем 3, баком / для масла и щитом управления. Насос приводит в действие гидродомкраты, с которыми соединен трубами-маслопроводами высокого давления.

Рис. 7.10. Гидравлический домкрат

На рис. 7. 10 показан гидравлический домкрат, развивающий усилие до 1660 кН при максимальной длине хода штока 1100 мм. Домкрат состоит из стального цилиндра, внутри которого помещен поршень с уплотнением из двух манжет. К поршню одним концом крепится стальной полый шток. На другом конце штока закреплен стальной опорный башмак. При подаче масла от насоса высокого давления по рабочему маслопроводу через отверстие в полость цилиндра поршень и шток с опорной плитой перемещаются вправо, создавая усилие вдавливания. Возврат поршня со штоком достигается подачей масла в цилиндр под давлением через отверстие на другом его конце при снятом первоначальном давлении.

Горизонтальные реактивные усилия домкратов передаются грунту задней стенки котлована через подушки-упоры (см. рис. 7.9). В передней стенке 4 котлована имеется отверстие, в которое подается звено прокладываемой трубы, уложенное на направляющие (стальные или деревянные) балки. В некоторых случаях перед отверстием располагают направляющее устройство, предназначенное для обеспечения прямолинейности прокола. В этом устройстве последовательно зажимаются вдавливаемые в грунт звенья трубопровода. Усилия от домкратов передаются вдавливаемым звеньям трубопровода посредством шомпола.

Рис. 7.11. Шомпол:
а — конструкция продавливающего устройства в сборе; б — общий вид шомпола; 1 — шомпол; 2 — стержень с рукояткой; 3 — нажимной фланец; 4 — направляющий съемный фланец; 5~ бобышка; 6 — накладка из трубы большего диаметра; 7 — стальная труба

Шомпол (рис. 7. 11) выполняется из толстостенной, трубы, длина которой равна или несколько превышает длину звеньев, составляющих трубопровод. Наружный диаметр шомпола на 50—100 мм меньше внутреннего диаметра трубного звена, в которое он вставляется при продавливании. Усилия от домкратов передаются шомполу через съемный фланец, закрепленный на бобышках. Шомпол имеет ряд сквозных попарно расположенных отверстий, расстояние между которыми соответствует длине хода штоков домкратов. Стенки шомпола у отверстий усилены накладками. В отверстие шомпола закладывают стальной стержень с рукояткой, служащий для передачи усилия вдавливания прокладываемой трубе через фланец-шайбу толщиной 30 мм. Фланец-шайба предохраняет задний торец трубы от смятия. За один цикл работы домкратов звено трубопровода вдавливается в грунт на длину хода их штоков. По мере вдавливания звена одновременно с обратным ходом домкратов шомпол выдвигается назад, стержень переставляют в очередное отверстие и цикл повторяется до тех пор, пока все звено не вдавится в грунт. Проложенные звенья трубопровода соединяются с очередными сваркой или с помощью тонкостенных навинчиваемых муфт, наружный диаметр которых не должен превышать диаметра ножа или наконечника. По окончании прокола в приемном котловане отрезают конусный наконечник, а при проходке открытой трубой удаляют из ее головки грунтовую пробку. В некоторых случаях конец трубы вместе с пробкой отрезают. Отклонения трубы от заданного направления определяют с помощью геодезических приборов.

Насосно-домкратными установками производят прокладку трубопроводов диаметром 100—500 мм. Скорость проходки зависит от характера грунта и диаметра трубопровода и составляет в среднем 1,5—3,0 м/ч.

На рис. 7. 12 показана кинематическая схема механического винтового грунтопрокалыватели для прокладки в глинистых грунтах трубопроводов диаметром до 89—108 мм при максимальной длине прокола до 50—60 м и средней скорости проходки 18—20 м/ч. От двигателя внутреннего сгорания через муфту сцепления 2, коробку передач и понижающий редуктор крутящий момент сообщается приводной шестерне и шестерне-гайке, навинченной на ходовой винт. Хвостовик винта шарнирно закреплен в поперечине-ползуне, скользящей по направляющим. На головке винта шарнирно закреплен сменный подпятник, «а который насаживается конечное звено трубопровода. Головное звено трубопровода снабжено коническим наконечником. При вращении шестерни-гайки ходовой винт, перемещаясь поступательно, передает через подпятник нажимное усилие до 15 тс (148 кН) продавливаемому звену трубопровода. После вдавливания звена на длину хода винта (1,2 м) последний возвращают в исходное положение, меняя направление вращения шестерни-гайки. В образовавшееся пространство между подпятником винта и трубопроводом устанавливают новое звено, приваривают его к предыдущему, после чего цикл повторяется.

Рис. 7. 12. Кинематическая схема механического винтового грунтопрокалывателя

Рис. 7. 13. Пневматический пробойник а — общий вид; б — принципиальная схема

Пневматические пробойники предназначены для пробивания сквозных и глухих горизонтальных, вертикальных и наклонных скважин с уплотненными стенками диаметром от 90 до 200 мм и длиной до 40—50 м, через которые затем прокладываются трубопроводы. Пневмопробойник (рис. VII. 13) представляет собой самодвижущуюся машину ударного действия и состоит из корпуса в виде гладкого заостренного спереди цилиндра, внутри которого под действием сжатого воздуха движется возвратно-поступательно ударник. Массивный ударник наносит удары по наковальне корпуса, продвигая его вперед, в результате чего образуется прямолинейная скважина с гладкими стенками. Для увеличения диаметра скважины пневмопробойник снабжается сменными уширителями. Возврат пробойника назад по пробитой скважине осуществляется изменением направления ударов с помощью механизма реверса. Сжатый воздух под давлением 6 кгс/см2 (0,6 МПа) подводится к машине от компрессора по гибкому резиновому шлангу. Отечественные пневмопробойники способны работать в грунтах до III категории включительно и обеспечивают скорость пробивания скважин (без расширителей) до 30—40 м/ч. Скорость обратного хода составляет 80—90 м/ч. Обладая рядом достоинств — простотой конструкции, надежностью в эксплуатации и высокой скоростью движения, пневмо-пробойники не всегда точно выдерживают заданное направление прокладки трубопровода.

В некоторых случаях для обеспечения высокой точности проходки способом прокола применяют метод протаскивания труб (диаметром до 300 мм и длиной до 30 м) через направляющие пионерные скважины (пилот-скважины) с помощью каната и лебедки (рис. VII.14). Через пионерную скважину 4 небольшого диаметра (50—100 мм) пропускается тяговый канат 5, один конец которого прикрепляется к барабану лебедки 6, а другой к конусообразной передней части снаряда — расширителя. Наружный диаметр расширителя на 10—15 мм превышает диаметр прокладываемого трубопровода, который прикрепляется к хвостовику снаряда с помощью каната 2 на расстоянии 1—1,5 м.

Рис. 7. 14. Схема прокладки трубопровода проколом через пионерную скважину

Вибропрокол. Для ускорения процесса прокол несвязных грунтов прокладываемой трубе или ее наконечнику одновременно с усилием подачи сообщают с помощью вибратора продольно направленные колебания, которые передаются слою грунта, плотно прилегающего к поверхности трубопровода. Под действием вибрации резко уменьшается трение как между частицами грунта в прилегающем слое, так и между грунтом и внедряемой в него трубой. Вибропрокол наиболее широко применяется при прокладке трубопроводов в песчаных, супесчаных и плывунных грунтах, в которых прокол обычным способом (без вибрации) весьма затруднителен из-за невозможности получения устойчивой скважины. В установках для вибропрокола в качестве возбудителя продольно направленных колебаний используют электрические и пневматические вибраторы направленного действия, устанавливаемые: на заднем конце внедряемой трубы (рис. 7. 15,а); вне трубы, на штанге, присоединенной к наконечнику (рис. 7. 15,б); непосредственно в наконечнике (рис. 7. 15, в).

Усилие подачи всегда приложено к прокладываемой трубе и передается коническому наконечнику непосредственно через жесткое соединение в первом случае и через систему пружин в остальных. Диаметр наконечника, как правило, несколько больше диаметра трубопровода.

Рис. 7. 15. Схемы прокладки с применением вибрации:
1 — система пружин; 2 — вибратор; 3 — труба; 4 — наконечник; 5 —штанга

Установка для вибро-прокола (рис. 7. 16) состоит из направляющей рамы, по балкам которой перемещается тележка, несущая вибратор направленного действия с приводным электродвигателем. Вибратор соединен с каркасом тележки с помощью системы пружин. Прокладываемую трубу, предварительно сваренную в плеть на длину перехода, заводят в вибратор и зажимают хомутом. Перемещение (подачу) тележки с трубой осуществляется лебедкой через полиспаст. Канат полиспаста с барабана лебедки проходит через направляющие блоки, установленные на тележке и направляющей раме, и крепится на переднем конце последней. Лебедку устанавливают на поверхности земли у заднего торца траншеи.

Рис. 7. 16. Установка для прокладки труб вибропроколом

При одновременном включении в сеть тяговой лебедки и вибратора труба вдавливается в грунт до тех пор, пока тележка не дойдет до упоров на концах направляющей рамы. Затем вибратор и лебедку отключают, ослабляют крепление трубы, отводят тележку назад, в исходное положение, вновь зажимают трубу, после чего цикл повторяется. С помощью установок для вибропрокола можно не только прокладывать трубы, но и извлекать их из грунта.

Вибропроколом прокладывают трубы диаметром до 500 мм на длину до 25—30 м. Скорость проходки зависит от характера грунта и диаметра прокладываемой трубы и составляет в среднем 20—60 м/ч.

Рис. 7.17. Вибропрокол скважины с помощью виброснаряда: а — виброснаряд; б — схема вибропрокола

Для расширения пионерных скважин в песчаных и супесчаных грунтах применяется способ вибропрокола с помощью виброснарядов (рис. 7.17). Виброснаряд (рис. 7.17, а) состоит из металлического корпуса, внутри цилиндрической части которого помещен эксцентриковый мотор-вибратор, представляющий собой короткозамкнутый асинхронный электродвигатель с дебалансами. Питание электродвигателя осуществляется через врубовый кабель. К головке переднего конуса корпуса крепится тяговый канат, а к головке заднего конуса — возвратный канат. Корпус снабжен стабилизаторами, предотвращающими поворот виброснаряда (при его движении) вокруг продольной оси. Для протаскивания виброснаряда через направляющую пионерную скважину используют тяговые лебедки, гусеничные тракторы и краны-трубоукладчики. Виброснаряд (рис. 7. 17, б) перемещается гусеничным трактором, на крюке которого, огибая направляющие блоки, закреплен тяговый канат. Возврат виброснаряда по окончании прокола производя с помощью возвратного каната и лебедки, помещенной с другой стороны перехода.

Виброснарядами возможно осуществлять проходку горизонтальных скважин диаметром до 400 мм при максимальной протяженности переходов до 20—25 м.

При прокладывании трубопроводов способом прокола возникают значительные радиальные 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: до газопровода или водопровода из стальных труб — не менее 0,8 м; до водопровода из чугунных труб — не менее bd прокладываемой трубы; до железобетонных и керамиковых труб — не менее 6d прокладываемой трубы; до водостока из бетонных труб — не менее Ad; до электрических кабелей — не менее 0,6 м.

К достоинствам способа прокола следует отнести простоту конструкции, монтажа, демонтажа и эксплуатации установок; сравнительно высокую скорость и длину проходки; возможность прокладки изолированных трубопроводов; сравнительно низкую трудоемкость работ, так как полностью исключены процессы разработки и удаления грунта, а также высокую степень безопасности при производстве работ. К основным недостаткам относятся опасность деформации верхнего покрытия дорог или находящихся вблизи коммуникаций и небольшой диаметр прокладываемых труб.

Оборудование для продавливания. Продавливанием называют способ бестраншейной прокладки коммуникаций, при котором производится последовательное вдавливание в грунт соединенных между собой звеньев труб с одновременной непрерывной или цикличной разработкой грунта внутри головного звена трубопровода и удалением его через прокладываемый трубопровод, Разработка грунта впереди трубы не допускается.

Продавливанием ведут не только прокладку стальных сварных трубопроводов, но и строительство железобетонных коллекторов и туннелей различного назначения, состоящих из элементов различной формы, соединяемых в торец без наружных выступающих частей. Продавливанием прокладывают в грунтах I—III категории стальные трубопроводы диаметром 400—2000 мм и железобетонные футляры диаметром 1000—4000 мм, через которые затем проталкивают рабочие трубопроводы. Средняя длина проходок 70—80 м.

В качестве продавливающих устройств применяют насосно-домкратные установки, состоящие из двух, четырех, восьми и более домкратов грузоподъемностью 50—300 т каждый с ходом штоков 1100—2100 мм. Количество домкратов в установке зависит от диаметра и протяженности прокладываемого трубопровода. Так, для продавливаеия труб диаметром 400—1000 мм применяют установки с двумя гидравлическими домкратами (такие же установки применяют и для прокола). Установки из четырех, восьми и более домкратов используют для продавливания трубопроводов диаметром свыше 1000 мм.

Рис. 7.18. Схема насосно-домкратной установки

На рис. 7.18 приведена принципиальная схема насосно-домкратной установки, состоящей из четырех гидродомкратов 1 грузоподъемностью по 170 т с прямым и обратным ходом штоков, насоса с рабочим давлением до 300 кгс/см2 (29,5 МПа), бака для масла (на схеме не показан), пульта управления и двух распределительных коробок рабочего и обратного хода штоков домкратов. Все агрегаты установки соединены между собой трубами-маслопроводами высокого давления.

Для включения и выключения каждого из домкратов из маслопроводах рабочего и обратного ходов штоков непосредственно у домкратов устанавливают запорные краны 7. Контроль за давлением масла в этих маслопроводах осуществляется манометрами.

Домкраты закрепляют в специальном станке (рис. 7.19), обеспечивающем правильность (без перекоса) их установки и равномерную передачу усилий вдавливания торцу трубопровода. Станок состоит из сварной стальной рамы и деревянных вкладышей, в гнездах которых устанавливаются домкраты так, чтобы их продольные оси и ось трубопровода были взаимно параллельны. Кроме того, оси домкратов должны быть строго перпендикулярны торцам звеньев трубопровода и задней упорной стенке. Усилия от домкратов передаются прокладываемой трубе через задний ее торец с помощью стальной нажимной рамы (рис. 7.20,а) или стального нажимного кольца (рис. 7.20,б), равномерно распределяющих давление по периметру торца трубопровода. Передачу вдавливающих усилий стальному трубопроводу можно производить также через хомуты, закрепляемые на его боковой поверхности. Для передачи усилий от домкратов на торец звена трубы после продавливания трубопровода в грунт на длину хода штоков домкратов применяют нажимные патруоки При прокладке стальных трубопроводов .наиболее часто используют нажимные патрубки, изготовленные из отрезков труб того же диаметра что и диаметр продавливаемой трубы (рис. 7.21,а). Для передачи усилий вдавливания железобетонным трубам применяют трубчатые нажимные патрубки, изготовленные из толстостенных труб диаметром 150— 300 мм (рис. 7.21,б). Длина нажимных патрубков должна быть равна или кратна длине хода штоков домкратов.

Рис. 7.19. Станок для крепления гидравлических домкратов

Рис. 7.20. Нажимные устройства:
1 — место упора домкратов; 2 — люк для удаления грунта

Рис. 7.21. Типы нажимных патрубков

Так, для продавливания звеньев труб длиной 6 м домкратами с ходом штоков 1,15 м необходимо иметь набор нажимных патрубков длиной 1,0; 2,0 и 3,0 м соответственно.

Перед началом работ по продавливанию отрывают рабочий котлован ееобходимых размеров, из которого ведется прокладка трубопровода. При разработке котлована и во время проходки обеспечивается ъодопонижение или водоотлив грунтовых вод! В заднем торце котлована сооружают упорную стенку 1 (рис. VII.22), которая воспринимает реактивные усилия домкратов через опорную подушку и передает их грунту.

Рис. 7. 22. Установка для прокладки трубопроводов продавливанием

На дне рабочего котлована на деревянном или железобетонном основании монтируют домкратную установку. Монтаж установки и вспомогательных устройств, а также дальнейшее обслуживание процесса продав-ливания ведется с помощью автокрана, крана-трубоукладчика или легкого переносного крана. Насосная установка, приводящая в действие домкраты, располагается, как правило, на поверхности земли поблизости от котлована. Рядом с домкратной установкой по ее оси на дне котлована монтируют направляющие устройства в виде двух рельсов, уголков или швеллеров, уложенных на шпалы параллельно оси прокладываемого трубопровода.

Направляющие устройства предназначены для точного направления движения звеньев трубопровода, нажимных рам, колец и патрубков при вдавливании. Вдавливаемая труба проходит в забой через отверстие в креплении передней стенки котлована. Размеры отверстия должны быть несколько больше внешних размеров стального клиновидного ножа, которым оснащен передний торец головного звена трубопровода. Во избежание отклонения трубопровода от заданного направления при прокладке перед отверстием иногда устанавливают вертикальную направляющую раму.

Головное звено трубопровода опускают в котлован и устанавливают на направляющие перед домкратами с помощью крана.

Положение головного звена выверяют геодезическими приборами и начинают продавливание в такой последовательности. Сначала головное звено вдавливают в грунт на длину хода штоков домкратов. Затем, меняя переключателем направление движения масла в системе высокого давления, возвращают штоки в исходное положение. В промежуток между домкратами и торцом трубы укладывают на направляющие устройства нажимной патрубок, длина которого равна ходу штоков домкратов, и повторяют цикл вдавливания. После второго цикла домкратов ранее установленный патрубок заменяют другим, длина которого 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. Звено либо сваривают с предыдущим (при прокладке стальных трубопроводов), либо стыкуют в паз (при прокладке железобетонных трубопроводов) .

Грунт, входящий в трубу через ее открытый конец, удаляют непрерывно или периодически через внутреннее пространство трубы в рабочий котлован с помощью различных транспортирующих средств. 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, раздвигаемые по мере увеличения протяженности проходки, и т. д.

Транспортные средства загружают вручную (при диаметре труб свыше 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.

В рабочем котловане грунт с горизонтальных транспортирующих средств перегружается в приемные устройства средств вертикального транспорта — элеваторов различных типов, ковшовых или клетьевых подъемников. В некоторых случаях при транспортировке грунта в тележках и электрокарах их съемные кузова прикрепляют к траверсам, подвешенным на крюках кранов, и подают наверх через окно в нажимном патрубке (см. рис. 7.22).

Для разработки грунта и удаления его из трубопровода очень часто (особенно в неустойчивых и водонасыщенных грунтах) применяют метод гидротранспорта грунта, при котором полностью исключается ручной труд. Сущность этого способа заключается в следующем. Размыв поступающего в трубу грунта производится в камере (рис. 7.23) направленными струями воды, выходящими под давлением 6—10 кгс/см2 (0,59—0,98 МПа) из насадок, расположенных по периметру головного звена. Камера отделена от остальной части головного звена сталыной диафрагмой с герметически закрываемой дверцей. Пульпа (размытый грунт) гидроэлеватором по пульповоду подается в рабочий котлован, а оттуда в отвал.

Рис. 7.23. Ножевая секция при гидротранспорте грунта

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