опускное сооружение и способ его возведения

Формула изобретения

1. Опускное сооружение, включающее ствол с антифрикционным покрытием на внешней поверхности и с ножевой частью, имеющей фартук на внешнем выступе, установленную на стволе систему труб для подачи антифрикционного и тампонажного составов к его внешней поверхности, наружную разрезную по периметру оболочку в виде жестких панелей со стопорами в виде уголков на внешней поверхности и антифрикционным покрытием на внутренней поверхности, установленных с возможностью ограниченного вертикального перемещения в направляющих из двутавров, прикрепленных к стволу и имеющих фиксаторы на наружных полках, отличающееся тем, что каждая из панелей наружной оболочки снабжена толкателем в виде гидроцилиндра двустороннего действия, один конец которого соединен с консолью, установленной на внутренней поверхности панели, а другой закреплен на стене ствола.

2. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что в стенах ствола выполнены окна и гидроцилиндры установлены в окнах.

3. Сооружение по п. 1, отличающееся тем, что каждая из панелей наружной оболочки имеет вертикальные сквозные полости.

4. Способ возведения опускного сооружения, включающий погружение ствола и части установленной на нем наружной оболочки, принудительное погружение остальных панелей наружной оболочки, ранее освобожденных от фиксации, до упора в выступ ножевой части ствола, отличающийся тем, что после освобождения части панелей наружной оболочки от фиксации производят принудительное погружение ствола и остальных панелей наружной оболочки путем синхронного включения всех гидроцилиндров, взаимодействующих с освобожденными от фиксации панелями, на прямой ход штоков, а после погружения ствола вместе с установленными на нем панелями осуществляют принудительное погружение освобожденных панелей путем переключения работы гидроцилиндров на обратный ход штоков.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при проходке слабых водонасыщенных неустойчивых грунтов принудительное погружение панелей наружной оболочки производят поочередно.

6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что при проходке плотных грунтов принудительное погружение панелей наружной оболочки, расположенных симметрично относительно одной или двух осей симметрии опускного сооружения, производят одновременно.

7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что после погружения сооружения на проектную отметку панели наружной оболочки извлекают, а образующееся снизу пространство заполняют твердеющей смесью через вертикальные полости в панелях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства подземных сооружений способом опускного колодца с преимущественным использованием в сложных инженерно-геологических условиях, характеризующихся неоднородностью слоев грунта по простиранию, наличием крутопадающих пластов, слабых неустойчивых водонасыщенных грунтов типа плывунов и илов, когда возникает возможность заплывания или выпора грунта в забой колодца с образованием на поверхности вокруг стен воронок и провалов, а разработку грунта в полости колодца необходимо производить под защитой заглубленной в грунт ниже забоя режущей кромки ножа.

Известно опускное сооружение, включающее сборный ствол с ножевой частью и тиксотропной рубашкой, наружные стены с кронштейнами и домкраты, установленные на верхнем торце ствола с возможностью взаимодействия с наружными стенами через кронштейны.

Ствол погружают принудительно под воздействием собственного веса и домкратных усилий. Наружные стены возводят методом подращивания и кронштейны переносят вниз по мере увеличения глубины наружных стен [1]

Недостаток этого опускного сооружения и способа его возведения состоит в сложности и трудоемкости возведения наружных стен методом подращивания, особенно при наличии подземных вод.

Наиболее близким к предлагаемому является опускное сооружение, включающее ствол с антифрикционным покрытием на внешней поверхности и с ножевой частью, имеющей фартук на внешнем выступе, установленную на стволе систему труб для подачи антифрикционного и томпонажного составов к его внешней поверхности, наружную разрезную по периметру оболочку в виде жестких панелей со стопорами на внешней поверхности и антифрикционным покрытием на внутренней поверхности, установленных с возможностью ограниченного вертикального перемещения в направляющих в виде двутавров, прикрепленных к стволу и имеющих ограничители и фиксаторы.

Способ возведения опускного сооружения включает разработку грунта в полости ствола, погружение ствола и части установленной на нем наружной оболочки под действием собственного веса и поочередное принудительное погружение остальных панелей наружной оболочки, ранее освобожденных от фиксации, до упора в выступ ножевой части ствола [2]

Недостаток прототипа состоит в том, что вес панелей наружной оболочки, освобожденных от фиксации, не увеличивает в преодолении сил сопротивления погружению ствола в грунт и сил трения грунта по боковой поверхности остальных панелей. Вследствие этого требуется увеличение веса ствола. Кроме того, увеличение веса ствола требуется для опережающего заглубления ножа в грунт, чтобы избежать заплывания в полость опускного сооружения водонасыщенного грунта, расположенного с внешней стороны.

Изобретение направлено на снижение материалоемкости, увеличение надежности и скорости погружения.

Указанная техническая задача достигается тем, что в опускном сооружении, включающем ствол с антифрикционным покрытием на внешней поверхности и с ножевой частью, имеющей фартук на внешнем выступе, установленную на стволе систему труб для подачи антифрикционного и тампонажного составов к его внешней поверхности, наружную разрезную по периметру оболочку в виде жестких панелей со стопорами на внешней поверхности и антифрикционным покрытием на внутренней поверхности, установленных с возможностью ограниченного вертикального перемещения в направляющих из двутавров, прикрепленных к стволу и имеющих фиксаторы на наружных полках, каждая из панелей наружной оболочки снабжены толкателем в виде гидроцилиндра двустороннего действия, один конец которого соединен с консолью, установленной на внутренней поверхности, а другой закреплен на стене ствола. Причем в стенах ствола выполнены окна и гидроцилиндры установлены в окнах.

Помимо этого, каждая из панелей наружной оболочки имеет вертикальные сквозные полости.

В способе возведения опускного сооружения описанного выше, включающем погружение ствола и части установленной на нем наружной оболочки и принудительное погружение остальных панелей наружной оболочки, ранее освобожденных от фиксации, до упора в выступ ножевой части, после освобождения части панелей наружной оболочки от фиксации производят принудительное погружение ствола и остальных панелей наружной оболочки путем синхронного включения всех гидроцилиндров, взаимодействующих с освобожденными от фиксации панелями на прямой ход (выход) штоков, а после погружения ствола вместе с установленными на нем панелями осуществляют принудительное погружение освобожденных панелей путем переключения работы гидроцилиндров на обратный ход штоков.

При проходке слабых водонасыщенных неустойчивых грунтов принудительное погружение панелей наружной оболочки производят поочередно.

При проходке плотных грунтов принудительное погружение панелей наружных оболочек, расположенных симметрично относительно одной или двух осей симметрии сооружения, производят одновременно.

После погружения сооружения на проектную отметку панели наружной оболочки могут извлекаться, а образующееся снизу пространство заполняют твердеющей смесью через вертикальные полости в панелях.

Отличительным признаком предлагаемого изобретения является снабжение каждой из панелей наружной оболочки толкателем в виде гидроцилиндра двустороннего действия. Прямой ход (выход) штока гидроцилиндра обеспечивает создание вдавливающего усилия на ствол и выдергивающего усилия на освобожденную от фиксации панель наружной оболочки. Синхронное включение гидропривода всех толкателей приводит к суммированию всех вдавливающих усилий. Выдергивающие усилия, действующие на панели, уравновешиваются силами трения по наружной поверхности панелей и их собственным весом.

Погружающее усилие, действующее на сооружение, равно сумме весом ствола, установленных на нем панелей наружной оболочки и усилий вдавливания гидроцилиндров, взаимодействующих с освобожденными от фиксации панелями. Предельное усилие вдавливания гидроцилиндров равно сумме весов всех панелей, освобожденных от фиксации, и сил трения по их внешней поверхности. Следовательно предельная величина погружающего усилия равна сумме весов ствола, всех панелей наружной оболочки и сил трения по внешней поверхности панелей, освобожденных от фиксации.

Из вышеизложенного следует, что уменьшение толщины стен ствола при соответствующем увеличении толщины панелей наружной оболочки не влияет на величину предельного погружающего усилия. Следовательно, уменьшение толщины стен ствола не ухудшает условий погружения.

Поочередное принудительное погружение панелей наружной оболочки, ранее освобожденных от фиксации, после погружения ствола вместе с остальными панелями наружной оболочки позволяет исключить зависание ствола, так как при этом возникают лишь локальные выдергивающие силы, действующие на ствол. В ином случае при синхронном погружении панелей наружной оболочки возможно зависание ствола и снижение давления на грунт под острием (банкеткой) ножа. В этом случае возникают условия для прорыва водонасыщенного грунта снаружи внутрь полости ствола. При этом на поверхности массива могут образоваться полости и провалы.

В плотных грунтах снижение давления на грунт под ножом не представляет опасности. Поэтому в них допустимо синхронное погружение панелей, что сокращает время погружения.

Установка гидроцилиндров в окнах стен ствола позволяет, во-первых, избегать продольного изгиба ствола глубоких сооружений типа колодцев небольшого диаметра (7-10 м) под воздействием продольной вдавливающей силы. Для этого гидроцилиндры следует располагать возможно ближе к ножевой части ствола. В этом случае в стенах ствола выше гидроцилиндров будет возникать растягивающие напряжения и продольный изгиб будет исключен. В стенах ниже гидроцилиндров будут возникать сжимающие напряжения, однако высота такого участка ствола будет минимальной и опасность продольного изгиба ствола будет уменьшена или исключена. Во-вторых, установка гидроцилиндров в окнах, а не на торцах стен ствола, позволяет избежать перестановки гидроцилиндров, консолей, нагнетательного маслопровода при наращивании высоты стен ствола и наружной оболочки ярусами в процессе погружения сооружения.

На фиг. 1 изображен вид А-А предлагаемого сооружения (панели наружной оболочки установлены на выступ ножевой части ствола); на фиг. 2 разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 и 4 узлы I и II соответственно на фиг. I (панель наружной оболочки освобождена от фиксации и ствол погружен на величину свободного хода панели С); на фиг. 5 узел III на фиг. I (панель наружной оболочки зафиксирована); на фиг. 6 и 7 размеры В-В и Г-Г соответственно на фиг. 5. на фиг. 8 инвентарная панель наружной оболочки; на фиг. 9 разрез Е-Е на фиг. 6.

Опускное сооружение включает ствол 1 с ножевой частью 2 и наружной оболочкой из жестких панелей 3, установленных на внешнем выступе ножевой части 2, снабженной фартуком 4 (фиг. 1 и 2). Панели 3 расположены между направляющими 5, выполненными в виде двутавров, жестко закрепленных снаружи ствола 1 с помощью анкеров 6, заделанных в теле ствола 1 (фиг. 6).

В наружных полках направляющей 5 имеются нарезные отверстия для крепления с помощью болтов фиксаторов 7, которые выполнены в виде стальных плашек с отверстиями для крепежных болтов (фиг. 5-7). Стопор 8 выполнен в виде уголка, одна сторона которого заделана в тело панели 3. Уголок установлен с возможностью вертикального скольжения внутренней плоскости другой свободной стороны по наружной плоскости направляющей 5. Для этого между свободной стороной уголка и поверхностью панели 3 имеется зазор, превышающий толщину полки направляющей на 2-3 мм.

На внутренней поверхности панелей 3 и наружной поверхности ствола 1 имеются антифрикционные покрытия 9 и 10 соответственно. Ствол 1 снабжен системой труб 11 для подачи антифрикционного и тампонажного составов к его внешней поверхности (фиг. 1 и 2).

Каждая из панелей 3 наружной оболочки снабжена толкателем в виде гидроцилиндра двустороннего действия 12, один конец которого соединен с консолью 13, установленной на внутренней поверхности панели 3, а другой закреплен на стене ствола 1.

Гидроцилиндры 12 установлены в окнах 14 стен ствола 1. Гидроцилиндры 12 снабжены нагнетательными трубопроводами 15, смонтированными на стволе 1 вблизи окон 14 (фиг. 1-2).

Панели наружной оболочки 3 могут быть инвентарными. В этом случае они могут иметь сквозные вертикальные полости 16 (фиг. 6).

Система гидропривода всего сооружения допускает возможность одиночной и групповой синхронной работы гидроцилиндров.

Способ возведения опускного сооружения осуществляют в следующей последовательности.

Выравнивают площадку, укладывают по периметру ствола 1 временные прокладки, например, из шпал. На них устанавливают опалубку и изготавливают монолитный ствол 1 с ножевой частью 2, фартуком 4, направляющими 5, системой труб 11 и 15.

В стенах ствола 1 предусматривают окна 14 и анкерные устройства для закрепления гидроцилиндров 12.

На внешнюю поверхность ствола 1 после разборки опалубки наносят антифрикционное покрытие 10.

В заводских условиях изготавливают панели 3 с антифрикционным покрытием 9 на их внутренней поверхности. В тело панелей 3 заделывают стопоры 8 и закладные детали (на чертеже не показаны) для крепления консоли 13. Кроме того, панели 3 снабжают другими закладными деталями, необходимыми для их транспортировки и монтажа (не показаны). Например, на торцах панелей 3 закрепляют детали, необходимые для соединения соседних по высоте панелей 3, если предусматривается несколько ярусов панелей по высоте сооружения.

Панели 3 устанавливают между направляющими 5 на ствол 1. На направляющих 5 закрепляют болтами плашки фиксаторов 7. К внутренней поверхности панелей 3 крепят на болтах или с помощью сварки консоли 13. Болтовые крепления применяют, если панели 3 инвентарные, а сварные при стационарных панелях 3.

Затем монтируют гидроцилиндры 12 и всю систему гидропривода сооружения в целом.

Ствол 1 снимают с временных подкладок, начинают разработку грунта в полости ствола и погружение ствола 1 вместе с панелями 3 наружной оболочки. До тех пор пока сопротивление погружению меньше собственного веса ствола 1 и наружной оболочки 3, их погружают совместно.

При этом силы трения, действующие на внешнюю поверхность панелей 3, пытаются их сместить вверх относительно ствола 1. Однако стопоры 8, упираясь в фиксаторы 7, обеспечивают совместное погружение ствола 1 с наружной оболочкой под действием их собственного веса.

Затем, когда процесс погружения под собственным весом становится невозможным из-за возрастания сопротивления погружению, часть панелей 3 освобождают от закрепления на стволе 1, снимая соответствующие фиксаторы 7 с направляющих 5. Для снятия фиксаторов 7 освобождаемую панель 3 пригружают вдавливающим усилием гидроцилиндра 12. За счет этого происходит отжатие стопора 8 от фиксатора 7 и облегчается извлечение болтов крепления. Во время снятия фиксаторов 7 земляные работы производят только в центре котлована, не затрагивая грунты вблизи ножевой части 2. Погружение сооружения на этот момент приостанавливается.

После того, как панели 3 освобождают от фиксации, все гидроцилиндры 12, взаимодействующие с этими панелями, включают синхронно на прямой ход штоков. При этом возникает вдавливающее усилие, действующее на ствол 1, и выдергивающие усилия, действующие на освобожденные от фиксации панели 3. Предельное усилие вдавливания, развиваемое одним гидроцилиндром 12 при прямом ходе штока, равно сумме веса панели и сил трения по ее внешней поверхности. Предельное погружающее усилие, действующее на сооружение в целом, равно сумме весов ствола всех панелей наружной оболочки и сил трения по внешней поверхности панелей, освобожденных от фиксации. Увеличение по мере погружения количества панелей, освобождаемых от фиксации, позволяет увеличивать погружающее усилие.

После того, как панель 3 освобождают от фиксации, трение по ее внешней поверхности сменяется на трение по ее внутренней поверхности. Следовательно, сопротивление погружению сооружения уменьшается на величину, равную разности между силами трения по внешней и внутренней поверхностям панелей 3, освобождаемых от фиксации. Увеличение по мере погружения количества таких панелей уменьшает силы сопротивления нагружению.

Таким образом, при освобождении панели 3 от фиксации и включении гидроцилиндра 12 на прямой ход штока одновременно увеличивается погружающее усилие и снижается сопротивление погружению.

При погружении ствола 1 под воздействием необходимого погружающего усилия, освобожденные от фиксации панели 3, остаются в том же положении относительно грунтового массива, в котором они находились в момент освобождения от фиксации.

Если же происходит не погружение ствола 1, подъем вверх панелей 3, освобожденных от фиксации, относительно грунтового массива, то это сигнализирует о недостаточности вдавливающего усилия и необходимости введения в работу дополнительной группы толкателей.

Максимальная глубина погружения ствола 1 за одну посадку равна свободному ходу С панелей 3 (фиг. 3, 4). Величина С определяется рабочим ходом штока (выходного звена) гидроцилиндра 12 и не должна превышать высоты фартука 4, иначе осыпающийся грунт будет попадать за фартук.

После погружения ствола 1 на одну посадку С консоли 13 панелей 3, освобожденных от фиксации, упираются своей верхней поверхностью в нижнюю грань окна 14 в стволе 1 (фиг. 3), и снова закрепляют положение панелей 3 на стволе 1. Все панели 3 наружной оболочки оказываются зафиксированными и сопротивление погружению возрастает настолько, что процесс погружения автоматически приостанавливается. Для продолжения процесса погружения производят принудительное погружение панелей 3, ранее освобожденных от фиксации, на величину одной посадки. Принудительное погружение панелей 3 осуществляют путем переключения соответствующих гидроцилиндров 12 на обратный ход штоков. Положение консоли 13 после погружения панели 3 на величину свободного хода С показано пунктиром на фиг. 3.

Усилие, необходимое для погружения панели 3 равно разности между силами трения, действующими на панель 3 и собственным весом панели.

В тех случаях, когда необходимо предельно снизить трение при неожиданно высоком сопротивлении погружению панелей 3, в работу вводят систему труб 11, подавая к наружной поверхности ствола 1 антифрикционный состав, например глинистую суспензию. Она смазывает поверхности на контакте панель 3 ствол 1, панель 3 направляющие 5 и заполняет полость, образующуюся при перемещении панели 3 относительно ствола 1 под нижним торцом панели (фиг. 4). При принудительном погружении панели 3 глинистая суспензия выдавливается из этой полости через щели и попадает на внешнюю поверхность панелей 3, фартука 4 и ножевой части 2.

Система труб 11 используется и в том случае, если за фартук попадает грунт и ограничивает величину свободного хода панелей 3. В этом случае полость за фартуком 4 промывают водой, вытесняя затем грунтовую суспензию погружаемой панелью 3. После погружения сооружения на проектную отметку производят фиксацию его положения, нагнетая по трубам 11 тампонажный раствор.

Перед тампонажем снимают со стен гидроцилиндры 12 и заделывают окна 14 в стволе 1.

Панели 3 могут быть как стационарными, так и инвентарными. В первом случае консоли 13 замоноличивают в окнах 14, фиксируя положение панелей 3. Во втором случае перед заделкой окон 14 демонтируют консоли 13. Затем панели 3 извлекают с помощью грузоподъемного механизма на поверхность, нагнетая по мере извлечения в образующееся снизу пространство тампонажный раствор через трубы 11. Это пространство может быть заполнено твердеющей смесью, например бетонной, через вертикальные полости 16 в панелях 3. В этом случае может быть использован метод ВПТ (вертикально перемещающейся трубы), позволяющий производить бетонирование под водой.

При использовании панелей 3 наружной оболочки как инвентарных при строительстве нескольких подземных сооружений и при уменьшении толщины стен ствола 1 за счет увеличения толщины панелей 3 может быть достигнуто значительное снижение расходов и экономия дефицитных материалов.

Пример 1. При однородном массиве, когда сопротивление погружению возрастает постепенно по мере углубления сооружения, панели 3, расположенные симметрично относительно оси круглого сооружения, освобождают от фиксации и одновременно включают в работу соответствующие гидроцилиндры 12. При этом создают в гидроцилиндрах одинаковое давление рабочей жидкости, т.е. одинаковые усилия вдавливания.

По мере углубления сооружения постепенно увеличивают количество панелей 3, освобожденных от фиксации и усилия вдавливания, развиваемые соответствующими гидроцилиндрами.

При проходке слабых водонасыщенных неустойчивых грунтов, типа плывунов, чтобы предотвратить прорывы грунта снаружи внутрь сооружения, включение гидроприводов толкателей 12 на прямой ход штоков и вдавливание ствола 1 производят до разработки грунта в ножевой части ствола. Этим добиваются опережающего заглубления ножа 2. Затем осуществляют принудительное поочередное погружение панелей 3, ранее освобожденных от фиксации, путем переключения гидроприводов толкателей 12 на обратный ход штоков. Панели погружают до упора в выступ ножевой части 2 ствола 1.

Поочередное погружение панелей 3 создает лишь локальное выдергивающее воздействие на ствол 1, что позволяет исключить его зависание, снижение давления на грунт под ножом и предотвращает прорыв грунта в полость ствола 1.

При проходке плотных грунтов, например твердых и полутвердых глин, включение гидроприводов толкателей 12 на прямой ход штока и вдавливание ствола 1 производят после разработки грунта в ножевой части ствола 1. Затем осуществляют синхронное принудительное погружение панелей 3, ранее освобожденных от фиксации. При этом в любой момент погружения ствол 1 оказывается нагружен симметрично, что исключает крен.

Пример 2. В тех случаях, когда грунты по периметру сооружения оказывают неравномерное сопротивление погружению, количество панелей 3, освобожденных от фиксации и соответствующее количество гидроцилиндров 12, создающих вдавливающие усилия на ствол 1, а также величины вдавливающих усилий, развиваемые отдельными гидроцилиндрами 12, определяются из двух условий:

1. Суммарное усилие должно быть не менее сопротивления погружению.

2. Суммарный момент усилий погружения относительно любой оси симметрии сооружения должен быть равен суммарному моменту сил сопротивления погружению. Момент сопротивления погружению равен произведению силы сопротивления погружению на плечо силы относительно рассматриваемой оси сооружения.

При соблюдении этих условий достигается нагружение сооружения, исключающее появление кренов.

В предлагаемом способе, в отличие от известных, при которых производят принудительное погружение сооружения с помощью силового оборудования, монтируемого на верхних торцах ствола, возникает возможность установки гидроцилиндров в нижней части ствола, что позволяет избежать продольного изгиба ствола глубоких сооружений, типа колодцев небольшого диаметра, и уменьшить толщину стен ствола.

В предлагаемом способе исключается перестановка гидроцилиндров и консолей в процессе наращивания стен и панелей наружной оболочки по мере погружения сооружения. Принудительное погружение панелей наружной оболочки не требует остановки земляных работ и производится с ними одновременно. Все это позволяет сократить сроки погружения сооружения

По сравнению со способами погружения в тиксотропной рубашке применение предлагаемого способа обеспечивает равномерность погружения вне зависимости от высоты ножевой части ствола, что позволяет снизить ее высоту, уменьшить сопротивление погружению ствола и материалоемкость ствола.

Применение инвентарных панелей наружной оболочки, уменьшение толщины стен ствола за счет увеличения толщины наружной оболочки, заменяемой тампонажным раствором или бетоном, позволяет снизить материалоемкость ствола и повысить водонепроницаемость наружной оболочки.