способ извлечения длинномерных элементов конструкций из грунта и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ извлечения длинномерных элементов конструкций из грунта, включающий приложение вертикальной силы к извлекаемому длинномерному элементу, отличающийся тем, что до приложения вертикальной силы проходят полость (скважину) вдоль находящегося в грунте длинномерного элемента конструкции и одновременно сдвигают длинномерный элемент и грунт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после проходки полости вдоль извлекаемого длинномерного элемента проходят дополнительную полость (скважину), располагаемую с противоположной стороны от первой, смещенной примерно на 180^o, с одновременным сдвигом извлекаемого длинномерного элемента в сторону первой полости.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что последовательно осуществляют проходку противоположно располагаемых дополнительных полостей (скважин) со смещением относительно пройденных до этого полостей вокруг продольной оси извлекаемого длинномерного элемента конструкции.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полость (скважину) образуют кольцеобразной формы вокруг извлекаемого длинномерного элемента конструкции.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что кольцеобразную полость (щель) вокруг извлекаемого длинномерного элемента конструкции выполняют незамкнутой.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что извлечение длинномерного элемента из грунта осуществляют одновременно с извлечением устройства, образующего кольцеобразную полость вокруг извлекаемого предмета.

7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что извлечение длинномерного элемента из грунта осуществляют до извлечения устройства, образующего кольцеобразную полость вокруг извлекаемого длинномерного элемента.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что кольцеобразную полость образуют большей глубины, чем длина извлекаемого длинномерного элемента.

9. Устройство для извлечения длинномерных элементов конструкций из грунта, содержащее ударный узел (пневмопробойник) с закрепленной на его передней части втулкой с конической поверхностью, обращенной к грунтовому массиву, отличающееся тем, что поверхность втулки, прилежащая к извлекаемому длинномерному элементу, выполнена плоской или в виде тела вращения, диаметр которого соответствует радиальному размеру извлекаемого из грунта длинномерного элемента.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что тело вращения поверхности втулки выполнено в виде цилиндра.

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что поверхность цилиндра, прилежащая к извлекаемому длинномерному элементу, имеет вогнутую форму.

12. Устройство по любому из пп. 9 - 11, отличающееся тем, что к втулке симметрично прикреплены ножи, которым придана кольцеобразная форма.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что ножи выполнены в виде замкнутого гибкого элемента, охватывающего извлекаемый длинномерный элемент.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что замкнутый гибкий элемент выполнен в виде троса.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что замкнутый гибкий элемент выполнен в виде цепи.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и может быть применено для извлечения из грунта длинномерных элементов конструкций в виде металлических труб, двутавров, швеллеров и т.д., используемых, например, при сооружении водозаборных скважин, подземном выщелачивании полезных ископаемых (серы, солей, металлов), возведении подпорных стенок или конструкций типа "стена" в грунте.

Известен способ извлечения из грунта длинномерных элементов конструкций (см. , например, патенты Японии 58-37452, ГДР 104339, авт. свид. СССР 667642). Сущность реализуемых в рассматриваемых технических решениях способов извлечения конструкций из грунта заключается в приложении вертикальной силы к верхней части извлекаемой конструкции. При этом осуществляется распор между плитой, опираемой на грунт, и местом приложения вертикальной (выдергивающей) силы. Сила периодически прикладывается вдоль продольной оси извлекаемой конструкции.

Недостатком известного способа является необходимость приложения больших статических усилий для извлечения длинномерных элементов из грунта, что предопределяет необходимость использования громоздкого оборудования. Кроме того, в стесненных условиях применение этого способа не всегда возможно, т. к. необходимо использовать большие площади для опоры.

Известен способ извлечения труб, реализованный в патенте ФРГ 1634413, заключающийся в одновременном воздействии на извлекаемую трубу выдергивающего усилия и вращающего момента. Недостатками известного устройства являются малая эффективность извлечения длинномерных труб, т.к. эти усилия компенсируются сопротивлением грунта, обжимающего боковую поверхность заглубленной трубы, и сложная конструкция устройства из-за необходимости создания и передачи двух движений - выдергивания и вращения.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является устройство для извлечения металлической трубы из грунта [1], содержащее ударный узел с закрепленной на его передней части втулкой для установки ударного узла на извлекаемой трубе, стяжку, охватывающую корпус ударного узла, и извлекаемую трубу. При этом втулка частью своей поверхности размещена в окне, образованном в стенке извлекаемой трубы. Наружная поверхность втулки выполнена цилиндрической или в виде двух конических поверхностей, обращенных друг к другу большими основаниями с наружным диаметром, превышающим толщину извлекаемой трубы. Недостатками устройства для извлечения металлической трубы являются невозможность извлечения труб небольшого диаметра, тонкостенных, поржавевших и глубокопогруженных труб, т.к. они при извлечении рвутся.

Задачей изобретения является повышение эффективности извлечения, т.е. увеличение длины извлекаемых длинномерных элементов, обеспечение извлечения тонкостенных труб небольшого диаметра.

Это достигается за счет того, что прикладывают вертикальную силу к извлекаемому длинномерному элементу конструкции, а перед этим проходят полость (скважину) вдоль находящегося в грунте длинномерного элемента конструкции и одновременно сдвигают длинномерный элемент и грунт. Такое выполнение операций позволяет на всей длине находящегося в грунте длинномерного элемента конструкции отделить часть его поверхности от грунта и одновременно сдвинуть извлекаемый длинномерный элемент грунтовый массив, находящийся вблизи него, что приводит к нарушению сцепления этой части его поверхности с грунтом. Как следствие, уменьшается сила, необходимая для извлечения длинномерного элемента конструкции из грунта.

Целесообразно после проходки полости вдоль извлекаемого длинномерного элемента проходить продольную полость (скважину), располагаемую с противоположной стороны от первой (смещенной примерно на 180^o) с одновременным сдвигом извлекаемого длинномерного элемента в сторону первой полости. Такая операция позволяет освободить от грунта большую поверхность извлекаемого длинномерного элемента и более эффективно сдвинуть его в сторону первой полости.

Целесообразно последовательно осуществлять проходку противоположно располагаемых дополнительных полостей (скважин) со смещением относительно пройденных до этого полостей вокруг продольной оси извлекаемого длинномерного элемента конструкции. Такая операция позволяет в конечном счете уменьшить извлекающую силу за счет уменьшения площади соприкосновения извлекаемого длинномерного элемента с грунтом. Это особенно важно при извлечении труб большого диаметра и использовании при этом извлекающих устройств малого диаметра.

Целесообразно образовывать полость кольцеобразной формы вокруг извлекаемого длинномерного элемента конструкции. Такая операция нарушает сцепление с грунтом по всей поверхности извлекаемого длинномерного элемента, что максимально уменьшает силу, необходимую для извлечения его из грунта, и уменьшает количество проходок.

Целесообразно при этом кольцеобразную полость вокруг извлекаемого элемента конструкции выполнять незамкнутой. Такая операция позволяет найти оптимальный режим процесса извлечения длинномерного элемента конструкции из грунта и затрачивать при этом минимальную энергию, т.к. проходка каждой полости - процесс энергоемкий и требует определенного времени. Эта операция позволяет при минимальных затратах на нарушение сцепления с грунтом прикладывать минимальное усилие при выдергивании, которое соответствует имеющейся технике.

Целесообразно извлечение длинномерного элемента конструкции из грунта осуществлять одновременно с извлечением устройства, образующего кольцеобразную полость (щель) вокруг извлекаемого длинномерного элемента. Такая операция позволяет ускорить процесс извлечения.

Целесообразно также извлечение длинномерного элемента конструкция из грунта осуществлять до извлечения из грунта устройства, образующего кольцеобразную полость (щель) вокруг извлекаемого длинномерного элемента. Такая последовательность операций позволяет уменьшить силы, необходимые для извлечения. Это связано с тем, что при извлечении только длинномерного элемента (без устройства) из кольцеобразной полости (щели) отсутствует трение по боковой его поверхности, а при последующем извлечении устройства из полости (длинномерный элемент уже при этом был извлечен) оно также извлекается без трения, т.к. его сечение меньше сечения полости.

Целесообразно кольцеобразную полость выполнять большей глубины, чем длина находящегося в грунте извлекаемого длинномерного элемента. Такое выполнение операции упрощает процесс извлечения длинномерного элемента из кольцевой полости.

В устройстве для извлечения длинномерных элементов конструкций из грунта, содержащем ударный узел (пневмопробойник) и закрепленную на его передней части втулку с конической поверхностью, обращенной к грунтовому массиву, согласно изобретению поверхность втулки выполнена плоской или в виде тела вращения, диаметр которого соответствует радиальному размеру извлекаемого из грунта длинномерного элемента. Такое выполнение устройства обеспечивает постоянный прижим устройства при движении его вдоль извлекаемого из грунта длинномерного элемента. Кроме того, устройство может быть использовано для извлечения длинномерных элементов с разным поперечным размером.

Целесообразно при этом тело вращения поверхности втулки выполнять в виде цилиндра. Такое выполнение конструкции способствует постоянному прижиму устройства к поверхности извлекаемого длинномерного элемента, что исключает уход его в массив.

Целесообразно при этом поверхность цилиндра, прилежащую к извлекаемому длинномерному элементу, выполнять вогнутой поверхности извлекаемого длинномерного элемента будет нарушено его сцепление с грунтом.

Целесообразно также к втулке прикреплять симметрично ножи, которым придана кольцеобразная форма. Такое конструктивное решение обеспечивает проходку более узкой кольцеобразной полости (щели), что обеспечит меньшие затраты энергии.

Целесообразно при этом ножи выполнять в виде замкнутого гибкого элемента, охватывающего извлекаемый длинномерный элемент. Такое конструктивное решение исключает уход устройства от находящегося в грунте извлекаемого длинномерного элемента.

Целесообразно при этом замкнутый гибкий элемент выполнять в виде троса. Такое техническое решение предопределяет наиболее простую конструкцию устройства для извлечения длинномерного элемента конструкции.

Целесообразно также замкнутый гибкий элемент выполнять в виде цепи. Такое решение позволяет получить достаточно прочное устройство для извлечения длинномерного элемента конструкции, которое, в случае разрыва звена цепи, легко может быть отремонтировано.

Сущность предлагаемого способа извлечения длинномерных элементов конструкции из грунта и устройство для его реализации проиллюстрируем на примере извлечения длинномерных труб.

На фиг. 1 показана операция по проходке полости (скважины) вдоль находящегося в грунте длинномерного элемента - трубы; на фиг.2 - проходка дополнительной полости (скважины) вдоль находящегося в грунте длинномерного элемента, смещенной по окружности примерно на 180^o от уже пройденной первой полости; на фиг. 3 - вид сверху после проходки нескольких полостей вокруг находящегося в грунте длинномерного элемента; на фиг.4 - вид сверху при использовании устройства для извлечения длинномерного элемента, одна из поверхностей которого плоская; на фиг.5 - вид сверху при использовании устройства, одна из поверхностей которого вогнута; на фиг.6 - проходка кольцеобразной полости устройством, оснащенным гибким элементом (тросом или цепью); на фиг.7 - проходка кольцеобразной полости (щели) устройством с кольцеобразными ножами и закрепленными симметрично на втулке (сечение Б-Б на фиг.8); на фиг. 8 - поперечное сечение А-А на фиг.7.

Под конструкцией понимается, например, "стена в грунте", состоящая из частокола рядом забитых в грунт труб, или подпорная стенка, выполненная из двутавров, между которыми монтированы доски. В этом случае труба или двутавр представляет длинномерный элемент, который необходимо извлечь из грунта.

Возле длинномерного элемента 1, например трубы (фиг.1), которую необходимо извлечь из грунта 2, пневмопробойником 3 проходят полость (скважину) 4 вдоль извлекаемого длинномерного элемента 1 на всю его длину. Пневмопробойник 3 является широко известным устройством ударного действия, предназначенным для проходки скважин диаметром, равным диаметру его корпуса. Скважина формируется за счет радиального уплотнения грунта конической головной частью пневмопробойника 3 (фиг. 2). Последний является самоходным за счет сцепления его корпуса с грунтом. Энергия (сжатый воздух) подается в пневмопробойник по шлангу (на чертежах не отмечен позицией).

Продольную скважину можно образовать бурением или желонированием (многократным отбором грунта в виде столбика).

После проходки продольной скважины 4 (обычно на всю длину извлекаемого длинномерного элемента) пневмопробойник 3 извлекают на поверхность за счет реверсирования хода. Следующей операцией проходят скважину 5, смещенную относительно предыдущей примерно на 180^o (фиг. 2). Одновременно с этим пневмопробойник 3 своей передней конической частью создает силу P, которая направлена в поперечном направлении. При этом происходит сдвиг длинномерного элемента 1 в сторону скважины 4. При проходке скважин 4, 5 происходит отделение части поверхности извлекаемого длинномерного элемента 1 от грунта. В полости (скважинах) 4, 5 сцепление грунта 2 с извлекаемым длинномерным элементом 1 отсутствует, а следовательно, отсутствует трение с грунтом по части поверхности длинномерного элемента. При извлечении необходимо приложить меньшее усилие. С другой стороны, при проходке второй полости 5 за счет силы P происходит сдвиг длинномерного элемента 1 в сторону полости 4, что предопределяет нарушение сцепления с грунтом и в других частях поверхности длинномерного элемента 1. После полной проходки второй полости 5 пневмопробойник 3 извлекают на поверхность, прикладывая статическую (краном) либо динамическую силу (используя пневмопробойник в качестве ударного узла в соответствии с техническим решением по [1]).

В случае необходимости излечения из грунта длинномерного элемента 1 большого диаметрального размера с помощью пневмопробойника небольшого диаметра с малой ударной мощностью можно проходить дополнительные полости (скважины 6, 7), располагая их со смещением по окружности относительно пройденных до этого полостей (фиг. 3). В этом случае большая боковая поверхность длинномерного элемента 1 будет отделена от грунта 2. Эти операции можно повторить несколько раз (фиг. 3), смещая на некоторый угол по окружности проходку новых скважин (или пар скважин, смещенных относительно друг друга примерно на 180^o). Проходка дополнительных скважин приводит к тому, что под действием горизонтальной силы P, возникающей при проходке, длинномерный элемент 1 раскачивается и смещается в сторону, перпендикулярную вертикальной оси скважины.

Технологии извлечения могут быть разными. В некоторых случаях можно после проходки первых двух полостей попытаться извлечь длинномерный элемент 1 и, если это не удалось, то проходят очередные полости, после проходки каждой из них или после проходки нескольких полостей осуществлять очередную попытку извлечения.

Для уменьшения количества проходок и повышения эффективности извлечения длинномерного элемента 2 из грунта можно осуществить проходку полости 8 кольцеобразной формы возле находящегося в грунте длинномерного элемента 1, при этом кольцевая полость 8 может быть замкнутой (фиг. 6) или незамкнутой (фиг. 7, 8) в зависимости от конструкции используемого устройства. Так, если использовать замкнутый трос (цепь) 9, прикрепленный к пневмопробойнику 3 (фиг. 6), то при проходке полости трос (цепь) 9, натягиваясь, становится элементом, исполняющим функцию ножа. Размер этого гибкого элемента должен превышать периметр извлекаемого из грунта длинномерного элемента 1, причем цепь имеет большую прочность и легче ремонтируется, а трос более доступный и дешевый элемент, но не подлежит ремонту. Выбор решения зависит от конкретных условий производства. Наиболее целесообразно этот способ использовать для извлечения труб небольшого диаметра из слабого грунта. При этом извлечение трубы и устройства могут быть совмещены, т.е. одновременно прилагается к трубе статическое усилие и устройство при этом работает в режиме реверса.

При необходимости извлечения длинномерного элемента 1 из плотного грунта или в случае прочного химического соединения у поверхности длинномерного элемента 1 с грунтовым массивом (это бывает при разработке месторождений полезных ископаемых, например солевых, урана и т.д.) можно использовать устройство, выполненное с кольцеобразными ножами 10, прикрепленными к втулке 11, которая в свою очередь закреплена на передней части пневмопробойника 3 (фиг. 7, 8). В этом случае ножи, имеющие кольцеобразную форму, охватывают извлекаемый длинномерный элемент 1 по всей боковой поверхности или частично, как показано на фиг. 7, 8. В случае охвата по всей боковой поверхности длинномерного элемента 1 для извлечения последнего из грунта можно ограничиться проходкой одной полости 8. Пневмопробойник 3 с втулкой 11 образуют круглую скважину 8, а ножи 10 - кольцеобразные щели вокруг боковой поверхности длинномерного элемента 1.

Как известно, пневмопробойник, имеющий осесимметричную переднюю часть, идет по пути наименьшего сопротивления, поэтому жесткий длинномерный элемент 1, находящийся с одной его стороны, может привести к уходу пневмопробойника 3 в сторону от извлекаемого длинномерного элемента 1. Для исключения этого корпус пневмопробойника 3 (весь или передняя его часть) выполнен асимметричным. При этом одна поверхность выполнена конической, размещенной вне соприкосновения с поверхностью извлекаемого длинномерного элемента 1, а другая, прилегающая к извлекаемому длинномерному элементу, выполнена параллельно его продольной оси. При этом поверхность втулки, прилегающая к находящемуся в грунте извлекаемому длинномерному элементу 1, может быть выполнена в виде цилиндра с вогнутой формой, диаметр которого соответствует внешнему размеру извлекаемого длинномерного элемента 1 (фиг. 5), или плоской (фиг. 4). Плоская форма передней части проще в изготовлении, однако при эксплуатации устройства с такой передней частью обуславливается необходимость уплотнения большого объема грунта. Вместе с тем это устройство более универсально, т.е. может быть использовано для извлечения длинномерного элемента 1 любого поперечного размера. Вогнутая форма, более прилегающая к боковой поверхности извлекаемого длинномерного элемента 1, за один проход освобождает от грунта большую его поверхность, однако выполнение такой конструкции более сложно. На фиг. 8 показана конструкция устройства, у которого комбинированная форма выполнения боковой внешней поверхности: сама втулка 11 может быть выполнена с плоской (как показано на чертеже) или вогнутой боковой поверхностью, а ножи, охватывающие боковую поверхность извлекаемого длинномерного элемента 1, могут образовывать в поперечном сечении овал (замкнутый или нет) или иметь плоскую форму.

При выполнении устройства с асимметричной относительно его продольной оси боковой поверхностью со стороны грунта при проходке возникает асимметричное сопротивление и горизонтальная его составляющая, которая постоянно прижимает устройство к извлекаемому длинномерному элементу 1, препятствуя отходу его от извлекаемого длинномерного элемента 1.

При каждой проходке полости (скважины) вдоль боковой поверхности извлекаемого длинномерного элемента 1 на его воздействует горизонтальная составляющая сопротивления грунта, величина которой соответствует радиальному сопротивлению грунта при уплотнении. Под действием этой силы извлекаемой длинномерный элемент 1 сдвигается в поперечном направлении, при этом нарушается его сцепление с грунтом.

Проходку полостей в грунте вокруг извлекаемого длинномерного элемента 1 можно осуществить на всю длину или на часть его длины, например, можно на длине 1 - 2 м оставлять его в грунте. В последнем случае выдергивающая сила, прикладываемая к извлекаемому длинномерному элементу 1, должна превышать силу сцепления с грунтом по боковой его поверхности. После проходки полостей возле находящегося в грунте длинномерного элемента 1 и извлечения из грунта устройства длинномерный элемент 1 выдергивают, прилагая динамические усилия, как, например, по [1], или, используя подъемный кран, извлекают его статически.

Представляется возможным использовать несколько технологий, каждая из которых имеет свои плюсы и минусы в зависимости от условий применения. Так, возможно длинномерный элемент 1 извлекать одновременно с устройством для образования полости. В этом случае повышается производительность процесса, так как после проходки полости вдоль извлекаемого длинномерного элемента 1 совмещаются две операции по извлечению длинномерного элемента 1 и устройства.

Можно осуществить и другую технологию, когда кольцевую полость проходят глубже длины извлекаемого длинномерного элемента 1, который имеет размер (диаметр) меньше диаметра кольцевой полости, затем поднимают его, поэтому силу трения по его боковой поверхности практически не будет. Затем осуществляют подъем устройства, образующего кольцевую полость вокруг длинномерного элемента 1, на круглой грунтовой полости (скважины). Стенки извлекаемого элемента в этом случае не оказывают сопротивления при извлечении. Более того, если используется складывающийся режущий элемент (цепь, трос), то извлечение устройства не круглой грунтовой полости не сопровождается трением (сопротивлением) со стороны стенок грунтовой полости.

Таким же образом можно извлекать длинномерные элементы, уложенные в грунт горизонтально, в частности при замене старых коммуникаций (водопровод, газопровод и т.д.).

Применение предлагаемого способа извлечения длинномерных элементов конструкций из грунта и устройства для его реализации позволяет эффективно извлекать трубы, погруженные в грунт на большую глубину, тонкостенные трубы, трубы большого диаметра, двутавры и иные профильные элементы конструкций, используемые, в частности, в качестве подпорных стенок.