Плавучие землесосные установки — землесосные снаряды (земснаряды) монтируют на несамоходных или самоходных понтонах. Они могут иметь высокую производительность, так как понтон позволяет монтировать оборудование практически любой мощности.

Основным действующим агрегатом на всех землесосных установках является землесос, остальное оборудование имеет вспомогательное назначение.

В гидротехническом строительстве преимущественно применяют землесосные установки плавучего типа — землесосные снаряды. Их классифицируют по следующим основным признакам:
1. По способу грунтозабора (всасывающей способности землесоса) различают снаряды:
а) разрабатывающие грунт путем непосредственного всасывания из-под воды;
б) всасывающие грунт с предварительным рыхлением его механическим способом;
в) всасывающие грунт с предварительным рыхлением его гидравлическим способом (напорной водяной струей).
2. По способу грунтоотвода (транспортирования грунта) различают:
а.) землесосные снаряды с отводом грунта к месту его укладки по напорному грунтоводу — плавучему или подвесному. Земснаряды такого типа не приспособлены для работы на судоходных фарватерах и обычно не имеют автономных силовых установок;
б) самоотводные дноуглубительные снаряды, применяемые в морских портах при значительной удаленности мест свалки грунта или при невозможности использования плавучего грунтовода из-за воздействия морских волн. Всасываемый грунт на этих землесосных снарядах укладывается в трюмы и перевозится к месту свалки, где разгружается через донные люки.
3. По типу привода различают снаряды:
а) с приводом от одного или нескольких двигателей внутреннего сгорания (обычно дизеля);
б) со смешанным приводом;
в) с дизель-электрическим или турбоэлектрическим приводом;
г) с электрическим приводом от внешней сети, т. е. с питанием электродвигателей от береговых электростанций. Прогрессивными следует считать снаряды с автономным дизельным или дизель-электрическим приводом, поскольку основные объемы земляных работ выполняются в начальный период строительства, когда энергоснабжение от внешних сетей еще не налажено.
4. По способу рабочих перемещений различают снаряды:
а) со свайным папильонированием; снаряд в процессе разработки грунта перемещается при помощи приводных лебедок и якорей попеременно вокруг одной из двух специальных свай, размещенных в направляющих башмаках у кормы корпуса;
б) с якорным папильонированием; снаряд перемещается вдоль и поперек подводного забоя только при помощи якорей, канатов и лебедок;
в) безъякорные снаряды, перемещающиеся при помощи своих судовых двигателей. Эти снаряды самоходные.

В гидротехническом строительстве наибольшее распространение получили землесосные снаряды со свайным папильонированием, которые подразделяются на землесосные снаряды общего назначения и снаряды специального назначения.

Землесосные снаряды общего назначения предназначаются преимущественно для разработки несвязных песчаных грунтов с глубиной разработки в пределах 6—18 м и максимально 18—20 м при полном напоре соответственно от 400 до 800 кн/м2 (от 40 до 80 м вод. ст.). Их условная производительность (главный параметр) по грунту колеблется в пределах 75—1250 мА/ч.

Земснаряды специального назначения создаются для разработки тяжелых глинистых и гравелистых грунтов, для глубинной разработки грунтов (на глубине до 30—40 м), для выемки крупных каналов или возведения дамб обвалования значительной высоты и большой протяженности и т. п.

Главными параметрами каждого земснаряда являются его производительность в м3 грунтав час и полезный напор землесоса в м. Поэтому типоразмер земснаряда обычно обозначается двумя цифрами, первая из которых указывает на его условную производительность по грунту, а вторая — полезный напор. Так, например, типоразмеры применяемых в СССР земснарядов общего назначения имеют следующие обозначения: 100-35, 300-40, 500-60 и 1000-80.

Основными частями земснаряда являются (рис. 145) корпус, землесос с двигателем и грунтозаборное устройство, состоящее из рамы; всасывающей трубы и рыхлителя; напорного грунтопровода, смонтированного на снаряде; плавучего грунтопровода, смонтированного на понтонах; свайного аппарата со сваями; пульта управления и вспомогательного оборудования.

Грунтозаборные устройства подразделяются на: а) устройства, отделяющие грунт от массива в забое чисто гидравлическим способом, и б) устройства, которые для интенсификации отделения грунта от массива снабжаются различного типа рыхлителями.

Они обычно подвешиваются в специальном вырезе корпуса и состоят из всасывающей трубы и разрыхляющего устройства, которые монтируют на подъемной раме при помощи специальных хомутов. Раму опускают в воду под углом до 45°, который считается оптимальным, т. е. наиболее благоприятным для разработки грунта разрыхляющим устройством и его последующего засасывания.

Всасывающая труба в месте сопряжения рамы с корпусом земснаряда соединяется с неподвижным участком всасывающего трубопровода. Подвижность всасывающей трубы обеспечивается применением металлического шарового соединения или гибкого шланга.

Рис. 145. Схема плавучего землесосного снаряда

Такое соединение всасывающей трубы обеспечивает возможность наклона рамы грунтозаборного устройства в пределах от 0 до 45—55°.

Всасывающий трубопровод соединяет грунтозаборное устройство с всасывающим патрубком землесоса и должен быть герметичным, обладать достаточной механической прочностью и давать минимальные гидравлические потери.

Рыхлительные устройства разделяются на фрезерные, ковшовые, роторные и винтовые.

Фрезерные рыхлители (см. рис. 145) представляют собой вращающуюся фрезу с ножами для отделения грунта от массива, во внутреннюю полость которой введена всасывающая труба. Фреза крепится на валу, смонтированном на раме грунтозаборного устройства, и обычно приводится во вращение двигателем через понижающий редуктор; двигатель установлен в верхней части рамы.

Фрезерные рыхлители благодаря простоте и надежности конструкции получили наиболее широкое распространение. По устройству они могут быть открытого или закрытого типа или реверсивные.

Фрезерные рыхлители открытого типа применяют редко. При расположении режущих ножей лишь на боковой поверхности при папильонировании срезается только часть разрабатываемого слоя, и потому работа такого рыхлителя не эффективна.

Фрезерные рыхлители закрытого типа имеют ножи, изогнутые по винтовой линии по всей боковой и торцовой поверхности.

Рис. 146. Роторно-ковшовый рыхлитель системы В. А. Мороза:
а — однороторный; б — двухроторный; 1 — ротор; 2 — бункер; 3 — боковые фрезы; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — защитный кожух; 7 — коническая шестерня; 8 — звездочка цепной передачи; 9 — всасывающая труба; 10 — предохранительные козырьки

При таком расположении режущих ножей слой грунта срезается по всей поверхности соприкосновения рыхлителя с грунтом и работа рыхлителя протекает эффективно при любом угле наклона рыхлительной рамы. Поэтому фрезерные рыхлители закрытого типа получили широкое распространение и считаются наиболее совершенными из существующих конструкций. Их недостатком является налипание грунта при разработке связных глинистых грунтов. Поэтому дальнейшее развитие конструкции фрез направлено на создание рыхлителей, при помощи которых земснаряды смогли бы эффективно работать в тяжелых глинистых грунтах.

В этом отношении большой интерес представляет роторно-ковшовый рыхлитель системы В. А. Мороза (рис. 146). Этот тип рыхлителя работает принципиально так же, как и рабочий орган роторного экскаватора, с той лишь разницей, что черпаемый и высыпаемый в бункер грунт транспортируется не ленточным конвейером, а водой при помощи землесоса.

Рис. 147. Ковшовое грунтозаборное устройство системы Б. М. Шкундина

Другим, также принципиально новым экспериментальным типом грунтозаборного устройства является ковшовое грунтозаборное устройство системы Б. М. Шкундина (рис. 147), предназначенное для разработки песчано-гравелистых грунтов с высоким содержанием гравия. Устройство состоит из двух ковшей, могущих поворачиваться вокруг оси на некоторый угол относительно оси всасывающей трубы. При повороте вправо заднее отверстие левого ковша окажется совмещенным с входным отверстием всасывающей трубы, и, наоборот, при повороте влево с входным отверстием совместится отверстие правого ковша. Повороты ковша происходят под влиянием натяжения того или иного папильо-нажного каната, и направление поворота будет соответствовать направлению папильонирования.

Для решения проблемы создания рациональной конструкции рыхлителей в СССР и за рубежом ведутся обширные исследовательские работы по применению вибрационных рыхлительных устройств, качающихся и цепных рыхлителей, многоковшовых грунтозаборных устройств, гидравлических рыхлителей с применением размыва разрабатываемого земснарядом грунта подводной струей и др.

Перспективным способом повышения эффективности работы землесосных снарядов является применение инжектирующих устройств на всасывающей линии землесосов. Инжекция увеличивает всасывающую способность землесоса и позволяет работать со всосом, полностью прикрытым грунтом, без срыва вакуума, что дает увеличение производительности земснаряда по грунту.

Инжекционные насадки могут быть одноструйными, многоструйными и периферийными — со сплошной струей (кольцевыми) или струей, разделенной на сегменты по контуру всасывающей трубы. Насадки устанавливают в верхней части всасывающей трубы соосно с землесосом или в ее нижней части, в зоне всасывания, а также и на промежуточных участках всасывающей линии, что определяется гидравлическим расчетом.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями (особенно С. П. Огородникова и А. Д. Лабза) установлено, что наилучшей конструктивной формой струйного инжектора можно считать инжектор с шестью насадками, расположенными по периметру всасывающей трубы землесоса (рис. 148).

Подача гидросмеси на берег производится по напорному трубопроводу, который состоит из двух частей; первая смонтирована на землесосном снаряде, вторая, плавучая, — на понтонах. На напорной линии устанавливается обратный клапан, что позволяет создавать в корпусе землесоса вакуум, необходимый для его пуска. Кроме того, этот клапан препятствует образованию обратного потока гидросмеси через землесос после его остановки. Напорный трубопровод соединяется с плавучим трубопроводом вертикальным сальниковым шарниром, который увеличивает маневренность снаряда.

Плавучий грунтопровод (см. рис. 145) выполняется секционным из труб диаметром 300—800 мм, смонтированных на понтонах и связанных между собой гибкими герметичными соединениями. В качестве последних применяются:
а) стальные шаровые шарниры с сальниковым уплотнением, позволяющие изменять в плане направление трубопровода на угол до 18° в любую сторону, и
б) специальные высоконапорные ‘резиновые шланги, допускающие поворот на 22—25°.

Нижнее колено шарового шарнира соединяется с плавучим трубопроводом двумя шаровыми шарнирами, принимающими колебания осадки снаряда или понтонов плавучего трубопровода.

По плавучему трубопроводу укладываются высоковольтный кабель, питающий землесосный снаряд электроэнергией; низковольтный кабель для освещения трубопровода и провод телефонной связи.

Рабочие перемещения несамоходных землесосных снарядов или папильонирование осуществляется при помощи специальных лебедок и тросов с заякоренными концами либо лебедок и специального аппарата свайного хода с папилыонажными сваями, располагаемыми обычно в направляющих за кормой земснаряда. В современной практике различают следующие основные виды папильонирования: цепное или тросовое, свайное и безъякорное.

Рис. 148. Эжекторное устройство для всасывающей линии землесосного снаряда:
1 — кольцевой коллектор; 2 — насадки

Лебедки для папильонирования, подъема и опускания грунто-заборного устройства и папильонажных свай выполняются одно-и многобарабанными с тяговым усилием от 1,5 до 25 тс, с большим диапазоном скоростей каната (0,15—19 м/мин).

На землесосных снарядах строительного назначения преимущественно применяют папильонирование с помощью аппарата свайного хода. При этом рабочие перемещения земснаряда заключаются в последовательных его поворотах на некоторый угол( одной из металлических свай свайного аппарата, подвешенных в кормовой части земснаряда. Сваи поочередно поднимаются и опускаются лебедками.

Земснаряды, предназначенные для свайного папильонажа, могут быть оборудованы:
а) обычным свайным ходом с двумя сваями, расположенными в неподвижных направляющих;
б) свайным ходом с рабочей сваей, установленной в неподвижных направляющих, и ходовой сваей, расположенной на тележке, которая перемещается вдоль продольной оси земснаряда на небольшой ход, равный толщине папильонажной ленты разрыхлителя;
в) напорным свайным ходом, состоящим из ходовой (напорной) сваи, смонтированной в подвижных направляющих, расположенных на тележке, которая перемещается вдоль продольной оси земснаряда в длинной прорези, равной нескольким толщинам папильонажной ленты рыхлителя, и прикольной сваи, установленной в неподвижных направляющих на корме земснаряда.

Рис. 149. Аппарат напорного свайного хода с направляющими, закрепленными на подвижном копре

Наиболее совершенной конструкцией аппарата свайного хода, создающего возможность постоянного контакта приемно-рыхли-тельного устройства с грунтом забоя, является напорный свайный ход. Конструктивная схема аппарата напорного свайного хода с направляющими, закрепленными на подвижном копре, показана на рис. 149. Напорная свая смонтирована в двух направляющих, расположенных на тележке, перемещаемой вдоль оси земснаряда при помощи тросового или винтового напорного механизма, приводимого в действие электромотором посредством редуктоpa. Тележка перемещается на четырех бегунках, расположенных на двухсторонних направляющих рельсах, приваренных к продольным балкам основания свайного хода. Кроме того, тележка имеет боковое передвижение с помощью двух бегунков, перемещающихся в горизонтальной плоскости между двумя рельсами, укрепленными на палубе земснаряда.

Подъем и опускание сваи производятся тросом сваеподъемной однобарабанной электролебедки, установленной на тележке. Выключение электромотора лебедки при крайнем верхнем положении сваи или погружении острия сваи в дно забоя производится автоматически с помощью конечных выключателей. В первом случае выключатель срабатывает от воздействия на него самой сваи, а во втором — вследствие ослабления натяжения троса при погружении сваи в дно водоема.

Напорная свая позволяет багермейстеру в любой момент совершать подачу судна вдоль продольной оси, чтобы осуществить контакт грунтозаборного устройства с забоем.

Папильонаж земснаряда производится с помощью двух одно-барабанных электролебедок, установленных в передней части земснаряда.

Оборудование на корпусе землесосного снаряда размещается с учетом соблюдения технологических и конструктивных требований, а также требований уравновешивания земснаряда на плаву и его устойчивости. Землесос почти всегда располагается на продольной оси корпуса.

До последнего времени на гидротехнических работах использовались снаряды общего назначения, способные разрабатывать в основном только песчаные грунты с глубины не более 15—18 м. Однако область применения гидромеханизации может быть значительно расширена, а эффективность существенно повышена при создании земснарядов специального типа. К таким снарядам, проектируемым в СССР институтом «Гидропроект», относятся:
а) снаряд для разработки связных и тяжелых грунтов;
б) глубоководный снаряд для разработки грунтов на глубине 30—40 м;
в) снаряд для разработки узкопрофильных протяженных выемок с подвесным пульповодом, исключающий необходимость устройства плавучих грунтопроводов и их переноса по ходу работ.

Землесосный снаряд, предназначенный для разработки связных и тяжелых грунтов, имеет следующие особенности:
а) грунтозаборное устройство выполнено сменным; в зависимости от характера разрабатываемого грунта может быть использовано три различных типа наконечника, в том числе мощный фрезерный рыхлитель с возможностью установки эжектирующего устройства и грунтозаборное устройство ковшового типа, специально предназначенные для разработки тяжелых вязких связных и песчано-гравийных грунтов;
б) аппарат свайного хода снаряда выполнен напорного типа; он обеспечивает точность рабочих перемещений, необходимую при разработке тяжелых грунтов. Нормальная глубина разработки грунта снарядом 15 м, предельная глубина—18 м (достигается за счет увеличения угла наклона рамы грунтозаборного устройства). Производительность земснаряда 300—400 м3 грунта в час.

Землесосный снаряд для разработки грунта на глубине до 40 м схематически показан на рис. 150.

Увеличение глубины разработки грунта землесосным снарядом свыше 18—20 м может быть достигнуто:
а) погружением землесоса ниже горизонта воды в водоеме (создание отрицательной высоты всасывания);
б) применением эжекторов на всасывающей линии снаряда.

На земснаряде, показанном на рис. 150, применен первый способ. Для увеличения глубины разработки на снаряде установлено два последовательно включенных землесоса, причем землесос первого подъема (/) смонтирован в специальном герметическом отсеке на раме грунтозаборного устройства. Напорный патрубок землесоса первого подъема соединен при помощи гибкого шланга специальной конструкции со всасывающим патрубком землесоса второго подъема, напорный патрубок которого через вертикальный сальниковый шарнир соединен с плавучим грунтоводом. Изменение глубины разработки достигается изменением при помощи лебедки угла наклона грунтозаборного устройства.

При разработке грунта на глубине 30—40 м землесос первого подъема окажется на глубине около 15 м, что обеспечивает нормальное всасывание гидросмеси практически любой консистенции.

С учетом возможной значительной глубины разработки направляющие обоймы свай закреплены на подвижной раме, которая при нерабочем состоянии снаряда может быть поднята в положение, показанное на рисунке пунктиром. Снаряд имеет производительность по грунту (в песках) 1500 м3/ч и суммарный напор, развиваемый землесосами первого и второго подъема, 1 Мн/м2 (100 м вод. ст.). Наименьшая глубина разработки под горизонтом воды 6,5 м.

Рис. 150. Схема землесосного снаряда для разработки грунтов на глубине до 40 м (размеры даны в метрах):
1 — корпус; 2 — надстройка; 3 — грунтозаборное устройство; 4 — стрела для подвески грунтозаборного устройства; 5 — рама свайного хода; 6 — подвижная рама свайного хода; 7 — подкос; 8 — сваи; 9 — землесосный агрегат первой ступени; 10 — землесосный агрегат второй ступени; 11 — лебедка подъема рамы грунтозаборного устройства; 12 — папильонажные лебедки; 13 — сваеподъемные лебедки; 14 — газотурбинная силовая установка; 15 — дизель-генераторы; 16 — паровой котел отопления

Глубинные землесосные снаряды позволяют вести разработку глубоких котлованов под гидротехнические сооружения в один ярус, что удешевляет и сокращает сроки строительства.

Для разработки узкопрофильных протяжных выемок применяют землесосные снаряды с подвесным пульповодом. При длине подвесного пульповода 120 м с помощью такого снаряда можно производить выемку каналов с шириной по верху до 300 м.

Подвесной пульповод позволяет укладывать грунт в приканальные дамбы или отвал без применения плавучего грунтовода и береговых коммуникаций, что значительно упрощает производство работ. Разрабатываемый грунт подается к месту укладки по трубе, смонтированной на стреле, шарнирно опертой на вращающуюся башню, к пилону которой стрела подвешена на полиспастах.

За последние годы на земснарядах начинает внедряться автоматизация управления. При этом все основные операции или часть из них выполняются по командным импульсам, поступающим от приборов и приспособлений (датчиков), настроенных на работу землесосного снаряда в оптимальном режиме.

Требования техники безопасности касаются противопожарных мероприятий, спасательной службы, смазки работающих агрегатов, подъема тяжестей, ограждения опасных мест и особенно обращения с высоковольтными кабелями, подводящими электроэнергию к земснарядам, и со всем прочим электротехническим оборудованием. Поэтому технический персонал, обслуживающий земснаряд, должен быть подготовлен к выполнению рабочих операций, хорошо знать и точно соблюдать инструкции по эксплуатации и технике безопасности, составленные для установок гидромеханизации.