устройство для проходки скважины в грунте и способ образования расширения в конце скважины с его помощью

Формула изобретения

1. Устройство для проходки скважины в грунте, включающее реверсивный пневмопробойник и расширитель с цилиндрическим и, по меньшей мере, одним коническим участками на внешней поверхности, состоящий из продольных секций, индивидуально установленных на пневмопробойнике, отличающееся тем, что продольные секции расширителя установлены на пневмопробойнике шарнирно с возможностью поворота в продольной плоскости, а их оси поворота расположены в пределах конического участка его внешней поверхности.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на цилиндрическом участке внешней поверхности, по меньшей мере, одной из продольных секций расширителя выполнен выступ.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на цилиндрическом участке внешней поверхности противолежащих друг другу продольных секций расширителя выполнены продольные выступы по винтовой линии одного направления.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передний торец расширителя выполнен с режущей внешней кромкой.

5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что на внутренней поверхности продольных секций расширителя образованы продольные ребра с выступами на их задних частях, входящими в ответные пазы втулки, съемно установленной на пневмопробойнике, причем наружные поверхности выступов указанных ребер и контактирующие с ними поверхности ответных пазов втулки выполнены по радиусам, а продольные секции расширителя соединены с втулкой пальцами, диаметр которых существенно меньше диаметра отверстий в продольных ребрах продольных секций расширителя.

6. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что втулка составлена из продольных секций, охватываемых бандажами, зафиксированными в осевом направлении.

7. Устройство по одному из пп.1-6, отличающееся тем, что на пневмопробойнике выполнен бурт, охватываемый проточкой в продольных секциях втулки.

8. Способ образования расширения в конце скважины, при котором проходят пионерную скважину, отличающийся тем, что пионерную скважину проходят до проектной глубины начала ее расширения и продолжают проходку до проектной глубины скважины с помощью устройства по пп.1-7, диаметр расширителя которого в транспортном положении примерно равен диаметру пионерной скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительной технике и может быть использовано для проходки преимущественно вертикальных скважин в грунте под набивные сваи, анкеры и для целей водозабора.

Известно устройство для расширения скважины в грунте (а.с. СССР 241164, Е 21 В 7/28, 20.03.1967 г.), включающее корпус с ударником, образующие пневмопробойник, и расширитель с цилиндрическим и коническим участками на внешней поверхности, смонтированный на передней конической части корпуса пневмопробойника.

Недостатком этого устройства является потребность в мощном тяговом механизме для извлечения его из вертикальных скважин. Применение для извлечения устройства из скважины обратного хода пневмопробойника путем его реверсирования практически невозможно из-за схода расширителя с передней конической части корпуса пневмопробойника, потери расширителя и нарушения, тем самым, проектного профиля скважины.

Известно также устройство для расширения скважин в грунте (а.с. СССР 699101, E 02 D 17/148, E 02 F 5/18, E 02 D 17/146, опубл. в БИ 43, 1979 г.), включающее реверсивный пневмопробойник и смонтированный на передней конической части его корпуса расширитель с цилиндрическим и коническими участками на его внешней поверхности, причем в передней части корпуса пневмопробойника выполнено отверстие, в котором посредством резьбы монтирован конический наконечник, при этом на корпусе и расширителе выполнены дополнительные конические поверхности. В этом устройстве расширитель зафиксирован в двух направлениях, что позволяет для извлечения устройства из вертикальных скважин использовать его обратный ход путем реверсирования пневмопробойника. Тяговый механизм нужен здесь только для поддержания собственного веса устройства.

Недостатком этого устройства является низкая производительность процесса проходки скважин с его помощью из-за малой скорости обратного хода устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является устройство для расширения скважин в грунте (патент РФ 2109910, Е 21 В 7/28, опубл. в БИ 12, 1998 г.), включающее реверсивный пневмопробойник и расширитель с цилиндрическим и коническими участками на внешней поверхности, состоящий из продольных секций, последовательно соединенных между собой, а одна из них - с пневмопробойником, гибкой связью, индивидуально установленных на пневмопробойнике и радиально зафиксированных на нем при помощи упорного бурта пневмопробойника, охватывающего поверхность меньшей ступени расширителя в его верхней части. Производительность процесса проходки скважин здесь выше, так как обратный ход устройства необходим только на начальной стадии извлечения его из скважины, а дальше оно легко и быстро осуществляется тяговым механизмом небольшой мощности. Однако производительность процесса ограничивается наличием ручных операций по очистке секций расширителя от грунта и установке их на пневмопробойнике перед каждой новой проходкой скважины.

К недостаткам следует отнести и то, что для удержания секций расширителя в исходном положении до входа их в грунт требуются значительные физические усилия оператора, который в это время подвергается интенсивному вибрационному воздействию.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение производительности процесса проходки скважины и улучшение условий труда за счет устранения ручных операций по обслуживанию устройства.

Это достигается тем, что в устройстве для проходки скважины в грунте, включающем реверсивный пневмопробойник и расширитель с цилиндрическим и, по меньшей мере, одним коническим участками на внешней поверхности, состоящий из продольных секций, индивидуально установленных на пневмопробойнике, согласно изобретению продольные секции расширителя установлены на пневмопробойнике шарнирно с возможностью поворота в продольной плоскости, а их оси поворота расположены в пределах конического участка его внешней поверхности. В этом устройстве продольные секции расширителя установлены на пневмопробойнике несъемно в процессе работы, что сразу же ликвидирует потери времени на ручные операции по очистке, установке и удержанию их и способствует повышению производительности процесса проходки скважин за счет сокращения затрат времени на вспомогательные операции, а также улучшению условий труда персонала. Шарнирная, с возможностью поворота в продольной плоскости, установка продольных секций расширителя на пневмопробойнике позволяет им занимать два крайних положения. Расположение осей поворота продольных секций расширителя в пределах конического участка его внешней поверхности приводит к тому, что диаметр расширителя разный для разных положений его продольных секций. Первое положение - рабочее, когда диаметр расширителя максимальный, продольные секции расширителя образуют автоматически при внедрении устройства в грунт. Второе положение - транспортное, когда диаметр расширителя минимальный, продольные секции расширителя образуют также автоматически при кратковременном реверсировании устройства. Это позволяет гарантированно проходить вертикальные скважины заданного размера и легко извлекать из них устройство.

Можно на цилиндрическом участке внешней поверхности, по меньшей мере, одной из продольных секций расширителя выполнить выступ, что позволит проходить вертикальные скважины с необходимыми в нужную сторону искривлениями, например, под набивные сваи для укрепления фундаментов зданий и сооружений.

Можно также на цилиндрическом участке внешней поверхности противолежащих друг другу продольных секций расширителя выполнить продольные выступы по винтовой линии одного направления. Это дает возможность проходить скважины с винтовой нарезкой на их стенках, что будет способствовать повышению несущей способности набивных свай.

А также можно передний торец расширителя выполнить с режущей внешней кромкой, что позволит более эффективно проходить участки грунта с включениями.

Целесообразно на внутренней поверхности продольных секций расширителя образовать продольные ребра с выступами на их задних частях, входящими в ответные пазы втулки, съемно установленной на пневмопробойнике, причем наружные поверхности выступов указанных ребер и контактирующие с ними поверхности ответных пазов втулки выполнить по радиусам, а продольные секции расширителя соединить с втулкой пальцами, диаметр которых существенно меньше диаметра отверстий в продольных ребрах продольных секций расширителя. Такое исполнение шарнирного соединения продольных секций расширителя с пневмопробойником позволит передавать ударные нагрузки только через продольно ориентированные элементы деталей, что благоприятно скажется на их надежности и долговечности. Соединительные пальцы здесь разгружены от ударных нагрузок и служат только для удержания продольных секций расширителя от распадания.

Целесообразно также втулку составить из продольных секций, охватываемых бандажами, зафиксированными в осевом направлении, что наиболее просто для сборки и разборки устройства.

Кроме того, целесообразно на пневмопробойнике выполнить бурт, охватываемый проточкой в продольных секциях втулки. Это также наиболее просто для осевой фиксации расширителя на пневмопробойнике и передачи ударов.

Известен способ образования разветвлений в конце скважины и устройство для его реализации (а.с. СССР 985237, Е 21 В 7/28, E 02 D 17/00, опубл. в БИ 48, 1982 г.), при котором проходят пионерную скважину до проектной глубины и образуют ответвления в ее конце с помощью устройства, состоящего из пневмопробойника с шарнирно установленным на нем наконечником в виде двух полуцилиндров с противоположно скошенными передними гранями.

Недостатком этого способа является значительный разброс в значениях несущей способности набивных свай, сформированных в полученных с его применением скважинах, из-за изменений площади пяты, вызванных обрушением грунта при извлечении устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ образования расширения в конце скважины и устройство для его реализации (а.с. СССР 1270215, E 02 D 5/44, Е 21 В 7/28, опубл. в БИ 42, 1986 г.), при котором проходят пионерную скважину до проектной глубины с помощью устройства, состоящего из реверсивного пневмопробойника и расширителя, ограниченно подвижных друг относительно друга в осевом направлении. Затем, многократно передвигая устройство вверх и вниз и перепуская при этом формовочный материал вниз, образуют расширение в конце скважин путем вдавливания формовочного материала в грунт. Здесь также наблюдается значительный разброс в значениях несущей способности набивных свай, сформованных по этому способу, из-за колебаний поперечных размеров расширений скважин, вызванных неравномерным строением грунта и переменностью его физико-механических свойств. Кроме того, этот способ значительно трудоемок, так как требует многократных проходок устройства.

Технической задачей, также решаемой предлагаемым изобретением, является гарантированное получение точных и повторимых поперечных размеров расширений в конце скважин, что позволит стабилизировать значения несущей способности набивных свай, сформованных в этих скважинах, а также снизить трудоемкость.

Это достигается тем, что в способе образования расширения в конце скважины, при котором проходят пионерную скважину, согласно изобретению пионерную скважину проходят до проектной глубины начала ее расширения и продолжают проходку до проектной глубины скважины с помощью устройства по пп.1-7 формулы изобретения, диаметр расширителя которого в транспортном положении примерно равен диаметру пионерной скважины. При включении пневмопробойника устройства в работу и продвижении его в грунте расширитель практически сразу же принимает рабочее положение, при котором его диаметр становится больше такового при транспортном его положении, то есть при продвижении устройства в грунте происходит проходка скважины до ее проектной глубины с расширением в ее конце. Благодаря непосредственному контакту расширителя устройства с грунтом, диаметр расширений в разных скважинах практически одинаковый, несмотря на разный состав и свойства грунтов, что гарантирует практически одинаковую несущую способность набивных свай, сформованных в скважинах, полученных этим способом. Этот способ дешев и не трудоемок, так как расширение в конце скважины получают за одну проходку.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами конкретного исполнения и чертежами, где на фиг.1 показано устройство для проходки скважины в грунте (первое исполнение) в продольном разрезе с частичными обрывами, причем на левой половине чертежа приведено положение устройства при проходке скважины, то есть при рабочем положении расширителя, а на правой половине чертежа - положение устройства при извлечении его из скважины, то есть при транспортном положении расширителя; на фиг.2 - второе исполнение устройства в тех же положениях; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1, 2; на фиг.4 - устройство по п. 2 формулы изобретения в тех же положениях; на фиг.5 - устройство по п.3 формулы изобретения в тех же положениях; на фиг.6 - продольный разрез пионерной скважины; на фиг.7 - продольный разрез скважины в начале образования ее расширения; на фиг. 8 - то же, в конце образования расширения; на фиг.9 - продольный разрез готовой скважины с расширением в ее конце.

Устройство для проходки скважины в грунте в первом исполнении (фиг.1) состоит из реверсивного пневмопробойника 1 любого известного типа с буртом 2 на его наружной поверхности. На наружной поверхности пневмопробойника 1 установлена втулка 3, охватывающая бурт 2 своей проточкой 4. Втулка 3 (фиг.3) составлена, например, из четырех продольных (идентичных друг другу) секций (далее секций втулки), охватываемых сверху бандажами 5 (фиг.1), которые зафиксированы в осевом направлении пружинными кольцами 6. На втулке 3 установлен расширитель 7, состоящий, например, из четырех продольных (идентичных друг другу) секций (далее секций расширителя). Наружная поверхность расширителя 7 имеет конический участок 8 с вершиной конуса в сторону передней части пневмопробойника 1 и переднюю коническую часть 9 с углом конуса, большим угла конуса участка 8, а также цилиндрический участок 10 за участком 8. На внутренней поверхности каждой из секций расширителя 7 образованы продольные ребра 11 с выступами 12 на их задней части (фиг.1). Выступы 12 скользяще входят в ответные пазы 13 в каждой из секций втулки 3. Наружная поверхность 14 каждого из выступов 12 и ответная ей поверхность 15 дна каждого из пазов 13 выполнены по радиусу одного размера. При взаимодействии поверхностей 14 и 15 образовано шарнирное соединение каждой из секций расширителя 7 с ответной ей секцией втулки 3, дающее первым возможность поворота в продольной плоскости. Оси поворота секций расширителя 7 совпадают с общими центрами поверхностей 14,15 и лежат в плоскости А-А, которая по длине расширителя 7 находится в пределах его конического участка 8. Каждая из секций расширителя 7 может занимать два крайних положения. В первом положении, рабочем (левая половина фиг. 1), каждая секция расширителя 7 упирается своей передней конической частью 9 в пневмопробойник 1, наружный диаметр Д₁ расширителя 7 имеет максимальное значение и соответствует диаметру проходимой скважины. Для удержания каждой из секций расширителя 7 в этом положении диаметр Д₂ окружности, проходящей через их оси поворота, выбран из соотношения:

F₁>F₂,

где F₁ - площадь с торца расширителя 7, при воздействии грунта на которую возникает сила, прижимающая каждую из его секций своей передней конической частью 9 к пневмопробойнику 1;

F₂ - площадь с торца расширителя 7, при воздействии грунта на которую появляется противоположно первой направленная сила. Во втором положении, транспортном (правая половина фиг. 1), каждая из секций расширителя 7 повернута в сторону задней части пневмопробойника 1 и при положении секций расширителя 7, когда конический участок 8 его внешней поверхности занимает положение, параллельное пневмопробойнику 1, диаметр Д₃ расширителя 7 минимален и значительно меньше диаметра Д₁ того же расширителя 7 в рабочем положении, а отсюда и диаметра скважины, что позволяет легко извлекать из нее устройство. Каждая из секций расширителя 7 соединена с ответной секцией втулки 3 пальцем 16, причем диаметр его существенно меньше диаметра отверстия 17 в выступе 12 ребра 11 секции расширителя 7, что разгружает пальцы 16 от воздействия ударов.

Второе исполнение устройства (фиг.2, 3) в общем аналогично описанному (фиг. 1, 3), но отличается тем, что конический участок 8 внешней поверхности расширителя 7, в пределах которого расположены оси поворота секций указанного расширителя 7, выполнен с вершиной конуса в сторону задней части пневмопробойника 1, поэтому рабочее положение с диаметром Д₁ расширитель 7 принимает при упоре задних частей каждой из его секций в пневмопробойник 1. Передний торец расширителя 7 выполнен с режущей внешней кромкой 18, образованной конической расточкой.

В устройстве (фиг.4) по п.2 формулы изобретения, в общем аналогичном описанному (фиг. 1, 3), на цилиндрическом участке 10 внешней поверхности, по меньшей мере, одной из секций расширителя 7 выполнен выступ 19, наружная поверхность которого является продолжением конического участка 8 той же внешней поверхности. В рабочем положении (левая половина фиг.4) выступ 19 выходит за диаметр Д₁ расширителя 7, а в транспортном положении (правая половина фиг.4) его наружный размер равен диаметру Д₃ расширителя 7 в этом положении.

В устройстве (фиг. 5) по п.3 формулы изобретения, также в общем аналогичном описанному (фиг.1, 3), на цилиндрическом участке 10 внешней поверхности противолежащих друг другу секций расширителя 7 выполнены продольные выступы 20 по винтовой линии одного направления, в остальном идентичные выступу 19 описанного устройства по фиг.4.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Его приводят в рабочее состояние, устанавливают в необходимое положение и включают источник сжатого воздуха, приводя тем самым в действие пневмопробойник 1, который начинает внедряться в грунт.

ПРОХОДКА ВЕРТИКАЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ

Секции расширителя 7 до встречи его с грунтом могут занимать любое положение между рабочим (левая половина фиг.1) и транспортным (правая половина фиг.1). При работе устройства удары от пневмопробойника 1 через передний торец его бурта 2 передаются переднему торцу проточки 4 втулки 3 и далее - через поверхности 15, 14, выступ 12 и ребро 11 каждой из секций расширителя 7, которые при контакте с грунтом начинают в него внедряться. Под действием грунта на переднюю коническую часть 9, а далее и на конический участок 8 каждой из секций расширителя 7 они поворачиваются до упора их частей 9 в пневмопробойник 1. Расширитель 7 принимает рабочее положение (левая половина фиг. 1) с диаметром Д₁, равным диаметру проходимой скважины. Это положение в процессе проходки сохраняется, так как реакция грунта, прижимающая часть 9 каждой из секций расширителя 7 к пневмопробойнику 1 по величине больше реакции грунта, действующей в противоположном направлении, в силу описанного выше соотношения F₁>F₂. В процессе проходки скважины удары от пневмопробойника 1 расширителю 7 передаются через поверхности 15, 14 и пальцы 16 (фиг. 1, 3) от динамического воздействия разгружены. Устройство во втором исполнении (фиг. 2, 3) работает, в основном, аналогично описанному (фиг.1, 3). Здесь также при встрече с грунтом расширитель 7 принимает рабочее положение (левая половина фиг.2) при упоре задних частей каждой из секций расширителя 7 в пневмопробойник 1. При проходке скважины расширитель 7 идет открытым концом вниз и перед ним под действием ударов образуется грунтовой керн конусообразной формы, который раздвигает грунт. Окончательно скважина формуется цилиндрическим участком 10 внешней поверхности расширителя 7. Встречающиеся по пути скважины включения в грунте срезаются режущей внешней кромкой 18, что способствует поддержанию прямолинейности проходимых скважин.

ПРОХОДКА СКВАЖИНЫ С ИСКРИВЛЕНИЕМ В НУЖНУЮ СТОРОНУ

Устройство по п.2 формулы изобретения (фиг.4) перед запуском ориентируют выступом 19 в сторону искривления скважины. После вхождения выступа 19 в грунт на устройство начинает действовать тормозящая сила со стороны грунта, отклоняющая его в выбранную сторону искривления скважины. Необходимый радиус искривления скважины обеспечивается наличием сменных секций расширителя 7 с различной шириной выступа 19.

ПРОХОДКА СКВАЖИНЫ С ВИНТОВОЙ НАРЕЗКОЙ НА ЕЕ СТЕНКАХ

Устройство по п.3 формулы изобретения (фиг.5) запускают ранее описанным способом. После вхождения расширителя 7 в грунт на него и на втулку 3 начинает действовать радиальная составляющая реакции грунта через выступы 20, приводящая расширитель 7 и втулку 3 во вращение, в результате чего на стенках скважины образуются винтовые канавки.

ИЗВЛЕЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА ИЗ СКВАЖИНЫ

После достижения устройством (фиг. 1, 3) проектной глубины скважины пневмопробойник 1 реверсируют известным способом на самое короткое время и выключают. При этом устройство сдвигается вверх, и коническая передняя часть 9 расширителя 7 и его конический участок 8 теряют контакт с грунтом и на расширитель 7 перестают действовать силы со стороны грунта. При включении тягового механизма и извлечении устройства из скважины секции расширителя 7 под воздействием стенок скважины и возможных в ней выклиниваний поворачиваются, и расширитель 7 может занимать положение от рабочего (левая половина фиг. 1) до транспортного (правая половина фиг.1), где его диаметр Д₃ минимальный. Это позволяет легко извлечь устройство из скважины.

Во втором исполнении устройство (фиг.2, 3) также легко извлекается из скважины, так как после контакта с грунтом секции его расширителя 7 под действием описанных факторов также занимают положение от рабочего (левая половина фиг.2) до транспортного (правая половина фиг.2).

Устройства (фиг. 4, 5) по пп.2, 3 формулы изобретения также легко извлекаются из скважины, так как наружные размеры их выступов 19, 20 на цилиндрическом участке 10 внешней поверхности расширителя 7 в транспортном положении последнего не выходят за пределы его диаметра Д₃ в этом положении.

ОБРАЗОВАНИЕ РАСШИРЕНИЯ В КОНЦЕ СКВАЖИНЫ

Любым известным способом, в том числе с помощью описанного устройства, проходят пионерную скважину диаметром Д₁ на глубину 1₁ (фиг.6) до проектной отметки начала ее расширения. Затем в скважину опускают заявляемое устройство с расширителем 7 (фиг.1, 2), диаметр Д₄ которого в транспортном положении примерно равен диаметру Д₁ пионерной скважины. По достижении дна скважины устройством его пневмопробойник 1 включают, и он начинает внедряться в грунт. По достижении частью 9 расширителя 7 бывшего дна скважины (фиг. 7) каждая из его секций под действием грунта на указанную часть 9, а далее на конический участок 8 его внешней поверхности повернется и расширитель 7 займет описанным образом рабочее положение с диаметром Д₅, большим его диаметра Д₄ в транспортном положении, а следовательно, большим и диаметра Д₁ ранее пройденной пионерной скважины, то есть при дальнейшем движении устройства происходит образование расширения в конце скважины с диаметром Д₅ (фиг.8), большим диаметра Д₁ пионерной скважины. Образование расширения происходит при раздвигании грунта частью 9 и коническим участком 8 расширителя 7 и калибровании его диаметра Д₅ цилиндрическим участком 10 того же расширителя 7. Это гарантирует постоянство диаметра Д₅ расширений в конце скважины, пройденных в грунтах с разными физико-механическими свойствами, что стабилизирует несущую способность набивных свай, сформованных в этих скважинах.

После достижения проектной глубины скважины с длиной l₂ расширения в ее конце (фиг.9) пневмопробойник 1 устройства выключают и его описанным образом извлекают из скважины, при этом расширитель 7 займет транспортное положение с диаметром Д₄, примерно равным диаметру Д₁, что не создает трудностей при этой операции. Расширение в конце скважины образуется за одну проходку устройства, что наименее трудоемко.