способ образования траншеи в мерзлых грунтах

Формула изобретения

Способ образования траншеи в мерзлых грунтах, заключающийся в образовании первым проходом по оси будущей траншеи ряда скважин с перемычками между их стенками и последующим разрушением перемычек, отличающийся тем, что скважины в мерзлом грунте выполняют с помощью шнекового бура диаметром не менее проектной ширины траншеи на глубину, равную проектной глубине траншеи, с величиной перемычки между соседними скважинами менее диаметра скважины, при этом разрушение перемычек между соседними скважинами производят указанным буром с долотом с минимум двумя лезвиями или с кратным двум количеством лезвий, устанавливаемым по центру перемычки, а разрушенный грунт перемычек с дна траншеи подают на поверхность.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано для образования узких и глубоких траншей в мерзлых грунтах, особенно многолетнемерзлых, и грунтах иного типа, особенностью которых является достаточная связность частиц, при которой при образовании скважины не происходит обвал стенок. К таким последним грунтам могут быть отнесены пластовые породы, скальные, глинистые породы и др.

Известен способ образования траншеи, включающий пробивание ряда вертикальных скважин вдоль оси траншеи с помощью штанги-пробойника и прорезания перемычек между скважинами с помощью режущей штанги с вибропогружателем (SU, авт.св. N 514062, E 02 D 17/00, 1973).

Недостатком известного способа является невысокая несущая способность стенок траншеи, обусловленная тем, что образование скважин проводится пробивкой пробойником, что приводит из-за образования радиально расходящихся трещин к силовому разрушению прилегающего к скважине грунтового слоя и его обсыпу. Вибропроцесс укрепления стенок незначительно влияет на уплотняемость прилегающего грунта, а на некоторых типах грунтов приводит к дополнительному обсыпу.

Кроме того, такой способ не эффективен на грунтах с плотностью в районе 2000 кг/м³ и выше, характерной для мерзлых грунтов, например, мерзлого песка, из-за повышенного сопротивления сжатию и растяжению.

Известен способ образования траншеи, включающий образование ряда рабочих вертикальных скважин вдоль оси траншеи и прорезания перемычек между скважинами (SU, авт.св. N 1157180, E 02 F 5/20, 1984).

Этому способу присущи те же самые недостатки, что и ранее рассмотренному способу. Кроме того, невысокая производительность не позволяет этим способом проводить работы в регионах, когда сезон оттаивания поверхностного слоя грунта, становящимся пригодным для проведения земляных работ, длится всего три месяца.

Известен способ образования траншеи в мерзлых грунтах, заключающийся в образовании первым проходом по оси будущей траншеи ряда скважин с перемычками между их стенками и последующим разрушением перемычек (авт.свид. СССР N 825766, кл. E 02 F 5/20, 1981).

Данный способ принят в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является сложность технологического процесса, обусловленная многообразием разнотипных операций и большим количеством разнотипных инструментов. Кроме того, объем буровых работ существенно превышает потребный для образования траншеи заданной глубины. При этом, разрушенный грунт после осыпания должен быть удален выравниванием по дну траншеи, что представляет сложность при образовании узких траншей большой глубины.

Естественно, что такой способ малоэффективен для образования траншеи в мерзлых грунтах, обладающих повышенным сопротивлением сжатию. Такие грунты плохо уплотняемы и требуют существенных энергозатрат и специального оборудования, чтобы разрушить перегородку.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по использованию одного и того же инструмента для образования скважин и разрушения перегородок и упрощению процесса образования траншеи в мерзлых грунтах и иных грунтах с связующим свойством удержания частиц породы для исключения обсыпа стенок. Достигаемый при этом технический эффект заключается в повышении эффективности процесса образования траншеи в трудно разрушаемых грунтах и сокращении затрат времени при сохранении всесезонности проходческих работ.

Указанный технический эффект достигается тем, что в способе образования траншеи в мерзлых грунтах, заключающемся в образовании первым проходом по оси будущей траншеи ряда скважин с перемычками между их стенками и последующим разрушением перемычек, скважины в мерзлом грунте выполняют с помощью шнекового бура диаметром не менее проектной ширины траншеи на глубину, равную проектной глубине траншеи с величиной перемычки между соседними скважинами менее диаметра скважины, при этом разрушение перемычек между соседними скважинами производят указанным буром с долотом с минимум двумя лезвиями или с кратным двум количеством лезвий, устанавливаемым по центру перемычки, а разрушенный грунт перемычек с дна траншеи подают на поверхность.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического эффекта.

Так, использование шнекового бура позволяет в первый проход получить освобожденные от разрушенного мерзлого грунта скважины. Скважины в мерзлом грунте выполняют диаметром не менее проектной ширины траншеи на глубину, равную проектной глубине траншеи с величиной перемычки между соседними скважинами менее диаметра скважины. При втором проходе используется тот же инструмент для разрушения перемычек. При этом шнековый бур выполняется с двухлезвийным симметрично расположенным долотом (или кратным двум) для обеспечения равномерности нагрузок сопротивления при разрушении перемычек, так как в процессе этой операции инструмент проходит участки сопротивления (перемычка) и освобожденные от сопротивления участки (полости смежно расположенных скважин). В этом случае происходит радиальное уравновешивание шнекового бура. Шаг бурения (величина перемычки) и диаметр бура выбираются из условия, что после разрушения перемычек ширина траншеи будет определяться расстоянием между расположенными напротив друг друга целиками.

Настоящий способ иллюстрируется эскизами, которые позволяют более ясно оценить преимущества предлагаемого способа по отношению к известному способу, принятому в качестве прототипа.

На фиг. 1 показана схема образования ряда скважин по оси траншеи;

на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 схема положения шнекового бура при втором проходе для удаления перемычек;

на фиг. 4 вид в плане на траншею.

Способ образования траншеи в мерзлых грунтах или иных грунтах, особенностью которых является их высокая плотность, благодаря чему при образовании скважины не происходит обвал стенок, производится в два прохода одним и тем же инструментом и одним и тем же приемом вертикального бурения.

Сущность способа образования траншеи состоит в том, что при первом проходе по оси 1 будущей траншеи 2 предварительно образуют вертикальные скважины 3 (фиг. 1). Обсыпание стенок скважины не происходит, так как бурение осуществлено в плотном мерзлом грунте. В связи с этим не требуются дополнительные работы по обеспечению уплотнения стенок скважин или мероприятия по их удержанию от обвала. Скважины производят двухзаходным шнековым буром 4 (фиг. 3), являющимся одним из широко применяемых в буровом деле инструментом стандартного известного исполнения (см. например, Танов Е.И. Площадный В.Я. Шнековый буровой инструмент, справочник, М. Недра, 1985, с. 10, 11 рис. 1, с. 16, рис. 2, с. 19, рис. 3). Шнековый бур может быть двухзаходным для более эффективной выдачи разрушенной породы на поверхность. Существенным является для долота бура симметричное расположение как минимум двух лезвий (лопастей) или кратное двум их количество. В этом случае обеспечивается симметричность приложения сопротивлений при разрушении перемычек 5, образованных между скважинами 3. Нежелательным является применение шнекового бура с трехлезвийным долотом из-за того, что при разрушении перемычек одно из лезвий всегда оказывается ненагруженным сопротивлением, что вызывает наличие бокового неуравновешенного давления и, как следствие, увод бура в сторону от заданной вертикали.

Скважины производят на глубину, равную расчетной глубине H траншеи (фиг. 2) и диаметром D, равным или превышающим расчетную ширину L траншеи. При этом скважины бурят диаметром не менее проектной ширины траншеи на глубину, равную проектной глубине траншеи с величиной перемычки между соседними скважинами менее диаметра скважины. После производства бурения скважин 3 остаются перемычки 5 мерзлого грунта. Практика показывает, что оптимальной величиной t перемычки 5 является расстояние, равное 1/4D. В этом случае, после разрушения перемычек 5 расстояние между целиками 6, расположенными на противоположных стенках траншеи напротив друг друга, будет максимальным и почти соответствует расчетной величине ширины траншеи, так как целики, как элементы сужения траншеи, можно не принимать во внимание. При увеличении величины перемычки t до величины диаметра, целики также увеличиваются, при этом их рост учитывают увеличением диаметра бура.

При втором проходе тем же самым буром 4 осуществляют разрушение перемычек 5. При разрушении каждой перемычки необходимо установить шнековый бур 4 по центру перемычки (фиг. 3), то есть на равном расстоянии от краев смежных скважин 3. Вращением бура 4 осуществляют внедрение в мерзлый грунт и его разрушение с осыпанием разрушенного грунта на дно скважин.

Ввиду того, что лезвия долота шнекового бура кратны двум по количеству и симметрично расположены относительно оси бура, при бурении (разрушении) перемычек противоположно расположенные лезвия всегда находятся в одинаковых по сопротивлению грунта условиях, независимо от их положения в конкретный момент (или в зоне полостей скважин или в зоне грунта перемычек). При центральном положении бура на перемычке лезвия одновременно либо нагружаются сопротивлением, либо одновременно разгружаются, уравновешивая друг друга при этом.

Удаление разрушенного грунта с дна траншеи на поверхность осуществляется эрлифтом, вакуумотсасывающей машиной или другим способом.

Общий вид в плане образованной бурением по настоящему способу траншеи представлен на фиг. 4. Естественно, что по краям стенок траншеи остаются целики 6, которые сужают ширину траншеи. В связи с этим существует эмпирическая зависимость между диаметром бура, величиной перемычки и расчетной шириной траншеи, на которую налагается параметр, определяющий свойства грунта, в котором выполняется траншея. Основные граничные либо максимальные, либо минимальные условия указаны в качестве существенных признаков в формуле описания. Определение конкретной зависимости между указанными параметрами представляет собой на сегодняшний день нерешенную задачу, требующую для получения вывода большое количество буровых испытаний, проведение которых на сегодняшний день затруднено.

Настоящим способом на протяжении длительного времени выполнялись работы по образованию траншей в мерзлом песке в Якутии на глубинах от 4 до 20 м. Скорость образования траншей повышена примерно в 4 раза по сравнению с традиционно применяющимися. При этом работы проводились гусеничном ходу с домкратной фиксацией на грунт. Диаметр шнекового бура 960 мм и 1200 мм.

Изобретение промышленно применимо и опробовано на практике в условиях многолетнемерзлых грунтов (мерзлый песок местами на глубину до 600 м) Якутии.

Изобретение позволяет сократить время на производство траншейных работ и повысить эффективность образования траншей в мерзлых грунтах и других грунтах, имеющих достаточную связность частиц, препятствующих обвалу стенок скважин. При этом способ позволяет проводить работы всесезонно.