способ разработки траншеи магистрального трубопровода в мерзлых грунтах и скважина для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ разработки траншеи магистрального трубопровода в мерзлых грунтах, заключающийся в проходке с поверхности грунта скважин посредством растепления мерзлого грунта струйными тепловыделяющими элементами до нарушения связей между частицами грунта и их перемешивания, размещении в скважинах зарядов взрывчатых веществ (ВВ) и взрывании последних после смерзания выпавшей из пульпы фракции грунта, отличающийся тем, что для улучшения качества дробления грунта и улучшения проработки дна траншеи в каждой скважине в зависимости от ее глубины выполняют не менее одного местного уширения, нижнее из которых располагают на расчетном расстоянии от проектного уровня дна траншеи, в каждой скважине располагают под местным уширением или в нем расчетную массу заряда ВВ, при этом их взрывание осуществляют после смерзания пульпы в сечении скважин, причем последние располагают в два ряда, не менее, по ступенчатой схеме при разработке траншеи шириной до 1,5 м, и не менее чем в три ряда при большей ширине траншеи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при разработке траншеи в сильнольдистых грунтах и количестве местных уширений в скважине два и более суммарная длина заряда не превышает 2/3 глубины скважины, а ее заполнение над каждым верхним зарядом ВВ осуществляют местным или привозным минеральным грунтом.

3. Скважина для разработки траншеи магистрального трубопровода в мерзлых грунтах, содержащая размещенный в ее полости заряд взрывчатого вещества (ВВ), его забойку в виде смерзшейся фракции грунта, выпавшей из полученной при растеплении мерзлого грунта пульпы, отличающаяся тем, что для улучшения качества дробления грунта и проработки дна траншеи в скважине в зависимости от ее глубины выполнено не менее одного местного уширения, причем нижнее из них располагается на расчетном расстоянии от проектного уровня дна траншеи, расчетная масса заряда ВВ располагается под каждым местным уширением скважины или в нем, а взрывание зарядов ВВ осуществляется после смерзания пульпы в сечении скважины.

4. Скважина по п.3, отличающаяся тем, что при растеплении скважины в сильнольдистых грунтах и количестве местных уширений в скважине два и более суммарная длина заряда не превышает 2/3 глубины скважины, а ее заполнение над каждым верхним зарядом ВВ осуществляется местным или привозным минеральным грунтом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при отрывке траншей магистральных трубопроводов в мерзлых грунтах.

Известно, что при отрицательных температурах большинство грунтов резко меняет свои свойства. Это объясняется тем, что многие грунты содержат в себе в разных количествах воду в свободном или капиллярном состоянии. Вода, превращающаяся в лед, связывает минеральные частицы грунта в твердое тело, причем, чем больше воды замерзает при низких температурах, тем крепче становится грунт. В связи с этим трудность разработки мерзлых грунтов по сравнению с талыми грунтами значительно возрастает. Промерзание грунта наблюдается в тех районах, где бывает устойчивая отрицательная температура воздуха в относительно длительные периоды холодного времени года. Глубина промерзания и твердость замерзшего грунта зависят от длительности и величины зимних морозов, характера грунтов, от уровня грунтовых вод, наличия растительного слоя, толщины снегового покрова, силы и продолжительности действия ветра и других условий. Для облегчения разработки мерзлых грунтов при строительстве магистральных трубопроводов в зимнее время проводят мероприятия по предохранению грунтов от глубокого промерзания. Так грунт из отвалов, предназначенный для засыпки траншеи, рыхлят механизированными способами и оттаивают отвалы.

Рыхление мерзлого грунта при разработке траншеи дроблением производят обычно при его толщине, не превышающей 25 см. При толщине мерзлого слоя до 0,6-0,7 м дробление грунта производят ударными приспособлениями, подвешиваемыми к тросу стрелы экскаватора или крана. Грунт скалывается в результате нескольких ударов по одному следу.

Известный из уровня техники метод резания мерзлого слоя грунта на блоки при помощи баровых машин эффективен в городских условиях при рытье котлованов и не применим при отрывке траншей, когда грунт отрывки используют для обратной засыпки траншеи, поскольку действующие СНиП ограничивают наибольшую допустимую величину мерзлых комьев и их содержание в грунте засыпки магистрального трубопровода.

Известен глубинный способ отогревания грунтов при большой толщине мерзлого слоя грунта. Грунт прогревают при помощи нагревательных приборов в виде игл, устанавливаемых в пробуренных в мерзлом слое скважины. Иглы могут быть паровые, водяные циркуляционные и электрические. Водяные и паровые иглы требуют наличия специальных котлов для получения горячей воды, парогенераторов.

При глубине промерзания 1,3-1,5 м и больших разрабатываемых объемах грунта в полевых условиях применяют взрывной способ - наиболее экономичный и эффективный (см. Шальнов А.П. Строительство газовых сетей и сооружений. М.: Стройиздат, 1980, стр. 142-145).

Известны методы взрывного рыхления мерзлого грунта. Один из них заключается в бурении в мерзлом массиве грунта скважины, закладке в нее заряда взрывчатого вещества (ВВ), создании над зарядом ВВ грунтовой забойки и взрываний заряда (см. Афонин В.Г. и др. Взрывные работы в строительстве, Краткий справочник. Киев: Будивельник, 1971, стр. 140).

При бурении скважины для рыхления мерзлого грунта на всю глубину траншеи на дне скважины скапливается грунтовая вода, в результате чего заряд ВВ не обеспечивает высокого эффекта взрывания, поскольку вода выступает в качестве буфера. Процесс создания в мерзлом грунте скважины длителен и энергоемок. Создание грунтовой забойки в скважине требует наличия минерального грунта определенной фракции, как правило, привозного минерального грунта.

Наиболее близким к заявленному способу и устройству для его осуществления является способ разработки мерзлого грунта, заключающийся в проходке скважины в мерзлом грунте его растеплением с помощью струйного тепловыделяющего устройства до нарушения связей между частицами грунта и их перемешивания, размещении в скважине заряда взрывчатого вещества (ВВ) до прекращения выпадения в осадок тяжелой фракции грунта в забое скважины и взрываний заряда ВВ после смерзания тяжелой фракции в забое скважины (см. SU 1745923 А1, 07.07.1992). Данный способ не обеспечивает хорошей проработки дна траншеи и ее откосов.

Из сказанного следует, что существует задача эффективного формирования в мерзлом грунте скважин, обеспечивающих получение заданного сечения траншеи в мерзлом грунте, а также исключение из технологического процесса привозного минерального грунта определенной фракции за счет использования грунта в сечении скважины.

Заявленное изобретение направлено на решение указанной задачи. При осуществлении изобретения достигаемым техническим результатом является эффективное формирование в мерзлом грунте скважин, обеспечивающих заданное дробление мерзлого грунта при отрывке траншеи магистрального трубопровода и необходимую проработку дна траншеи и ее откосов.

Указанная задача решается тем, что в способе разработки траншеи магистрального трубопровода в мерзлых грунтах проходят с поверхности грунта скважины посредством растепления мерзлого грунта струйными тепловыделяющими элементами до нарушения связей между частицами грунта и их перемешивания, размещают в скважинах заряды взрывчатых веществ (ВВ) и взрывают последние после смерзания выпавшей из пульпы фракции грунта. Для улучшения качества дробления грунта и улучшения проработки дна траншеи в каждой скважине в зависимости от ее глубины и свойств грунта выполняют не менее одного местного уширения, нижнее из которых располагают на расчетном расстоянии от проектного уровня дна траншеи, в каждой скважине располагают под местным уширением или в нем расчетную массу заряда ВВ, при этом их взрывание осуществляют после смерзания пульпы в сечении скважин, причем последние располагают в два ряда, не менее, по ступенчатой схеме при разработке траншеи шириной до 1,5 м, и не менее чем в три ряда при большей ширине траншеи. При разработке траншеи в сильнольдистых грунтах и количестве местных уширений в скважине 2 и более суммарная длина заряда не превышает 2/3 глубины скважины, а ее заполнение над каждым верхним зарядом ВВ осуществляют местным или привозным минеральным грунтом. Кроме того, скважина для разработки траншеи магистрального трубопровода в мерзлых грунтах содержит размещенный в ее полости заряд взрывчатого вещества (ВВ), его забойку в виде смерзшейся фракции грунта, выпавшей из полученной при растеплении мерзлого грунта пульпы. Для улучшения качества дробления грунта и проработки дна траншеи в скважине в зависимости от ее глубины и свойств мерзлых грунтов выполнено не менее одного местного уширения, причем нижнее из них располагается на расчетном расстоянии от проектного уровня дна траншеи, расчетная масса заряда ВВ располагается под каждым местным уширением скважины или в нем, а взрывание зарядов ВВ осуществляется после смерзания пульпы в сечении скважины. При растеплении скважины в сильнольдистых грунтах и количестве местных уширений в скважине 2 и более суммарная длина заряда не превышает 2/3 глубины скважины, а ее заполнение над каждым верхним зарядом ВВ осуществляется местным или привозным минеральным грунтом. Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена в плане схема установки металлических игл для проходки скважин в мерзлом грунте; на фиг.2 - разрез скважины с установленным в ней зарядом ВВ; на фиг.3-5 - различные формы сечения скважин с учетом местных условий промерзания грунтов в районе строительства трубопровода.

В соответствии с заявленным способом для разрушения мерзлого грунта в пределах контура траншеи 1 в грунтовом массиве 2 осуществляют создание скважин 3 методом растепления грунта металлическими паровыми иглами 4. В зависимости от степени насыщения мерзлых грунтов возможны различные режимы использования паровых игл, погружаемых в оттаиваемый грунт. Погружаемые иглы могут работать секциями, смонтированными, например, на стреле Г-образной формы, установленной на мобильной буровой машине или на бульдозере с заменой его отвала на указанную стрелу. Для вертикального перемещения игл возможно использование привода буровой машины, индивидуального привода или ручного механического привода.

Проходку скважин в мерзлых грунтах осуществляют посредством паровых игл. При помощи такой иглы получают высокотемпературную струю высокого давления с диаметром струи 25-30 мм. Регулированием режимов струи по температуре, давлению и продолжительности действия (температура 150-200С, давление 10-15 атм, продолжительность - 10-15 мин) одновременно с разрушением мерзлого грунта его растеплением, создают местные уширения 5 скважины, например, при остановке паровой иглы на заданной глубине, осуществляется насыщение грунта водой и превращение грунта в пульпу.

Местные уширения выполнены в виде камер, под которыми или в которых в зависимости от свойств мерзлых грунтов размещаются заряды ВВ 6, при этом местные уширения позволяют из вмещающих пород выделить грунтовые фракции и, что особенно важно, - тяжелые фракции 7. Одновременно с растеплением грунта происходит нарушение связей между частицами грунта за счет барбатирования пульпы, осуществляется хаотическое взвешивание частиц грунта в пульпе в пределах скважины. После извлечения из скважины иглы из пульпы выпадает в осадок тяжелая фракция 7 грунта. До окончания этого процесса в забое 8 скважины размещают заряд ВВ 6, вокруг которого до момента смерзания грунта обеспечивается гарантированное формирование слоя забойки из крупных тяжелых фракций 7 грунта. Проведенные эксперименты (см. ГОСТ 12536-79 "Грунты...") подтвердили послойное разделение выпадающих из пульпы твердых частиц по фракциям: вначале формируется слой из крупных частиц (тяжелой фракции), затем - из средних, и выше формируется слой из мелких частиц грунта. Заряды ВВ взрывают после смерзания фракций в сечении скважин, особенно, тяжелой фракции 7, при этом взрывная волна к массиву мерзлого грунта проходит через плотно сложившийся промороженный жесткий слой тяжелой фракции грунта. При растеплении сильнольдистого или мелкодисперсного грунта и наличии в скважине двух и более местных уширений (в зависимости от глубины скважины) после погружения верхних зарядов ВВ скважину следует заполнить на 1/3-1/2 ее глубины (в соответствии с расчетами) грунтом. Замерзшая в скважине пульпа и вода также служат забойкой 9 для зарядов ВВ, размещенных в скважине. В зависимости от местных условий и времени года при проходке скважин на значительной глубине возможна обсадка устья скважины в пределах сезонно-талого слоя грунта.

Известно, что для улучшения качества дробления и хорошей проработки дна траншеи в донной части скважины рекомендуется размещать более мощные заряды ВВ, при этом половина расчетной массы заряда должна располагаться в нижней трети скважины, а суммарная длина заряда не должна превышать 2/3 скважины (ОИ Монтажные и специальные строительные работы, серия: "Специальные строительные работы", выпуск 4, Москва, Минмонтажспецстрой СССР, ЦБНТИ, 1989, стр. 16).

Данным рекомендациям хорошо соответствует форма скважин, представленных на фиг.4, 5. Цилиндрическая часть 10 скважины располагается ниже уровня дна траншеи ("перебур" скважины), нижнее уширение 5 - на расчетном расстоянии от проектного уровня дна траншеи, предпочтительно на проектном уровне дна траншеи. Таким образом, размещение основной части заряда ВВ хорошо согласуется с указанными рекомендациями. Кроме того, заполненные замерзшей мелкой фракцией грунта и водой уширения 5 способствуют лучшему использованию энергии взрывной волны для разрушения и дробления пород мерзлого массива грунта, поскольку известно, что энергия взрыва распространяется по линии наименьшего сопротивления (ЛНС). При проходке траншей в мерзлых грунтах возможно использование вертикальных и наклонных скважинных зарядов различного диаметра, при этом паровые иглы устанавливают на расчетном расстоянии друг от друга в зависимости от необходимой степени дробления мерзлого грунта и получения контура траншеи.

Поскольку мощность взрываемого слоя пород изменяется в пределах от 3 до 7 м, то максимальный диаметр скважин (без местного уширения) достигает 100-200 мм. Диаметр местного уширения скважины составляет от двух до трех диаметров скважины. Для улучшения качества дробления при взрывании слоев мощностью до 6 м следует применять комбинированные схемы отбойки скважинными зарядами различного диаметра: от большого 200-165 мм до малого 100 мм и менее. Количество рядов зарядов и расстояния между ними принимаются в зависимости от заданной ширины траншеи, свойств взрываемых мерзлых пород и мощности используемых строительных машин. Так при проходке траншеи шириной до 1,5 м заряды ВВ в скважинах предпочтительно располагать в два ряда по ступенчатой схеме (см. фиг.1а). Расстояние между скважинами диаметром до 100 мм вдоль оси траншеи составляет 0,8-1,6 м. Заряды должны быть удалены от оси траншеи на расстояние 0,6-1,0 м. Глубина перебура изменяется в пределах 0,3-0,5 м. При проходке траншей большей ширины заряды располагают не менее чем в три ряда (см. фиг.1б). Для скважины диаметром 120 мм среднее расстояние между зарядами составляет 1,5-2 м, а глубина перебура принимается равной 0,1 мощности взрываемого слоя. При этом удельный расход ВВ можно принять как при отбойке вулканических пород и гранитов (0,6-0,75 кг/м³). При заряжании обводненных скважин используется известное водосодержащее ВВ.

Возможно использование врубовой схемы короткозамедленного взрывания, при котором интервал замедления между соседними рядами составляет 50 и 100 мс. С точки зрения улучшения качества дробления мерзлого массива грунта наиболее оптимальным будет использование клиновой схемы взрывания, а для ограничения ширины развала пород при расположении зарядов более чем в три ряда можно рекомендовать клиновую схему с боковым врубом. В качестве средства для инициирования зарядов ВВ используют, например, детонирующий шнур, при этом магистральная сеть из детонирующего шнура располагается над зарядами или сбоку от них. Одновременно в группе взрывают от 2 до 4 зарядов.

С целью уменьшения переборов по ширине траншеи желательно использовать скважины диаметром не более 100 мм и располагать их не ближе 0,3-0,5 м от проектного контура траншеи. Для уменьшения нарушенности стенок траншеи массу скважинных зарядов следует уменьшить, располагая их по сближенной сетке, при этом следует использовать известные взрывчатые материалы для обводненных пород, исключающие отказы при взрываний по суженным сеткам.

При льдистости грунта более 0,4 и количестве местных уширений в скважине 2 и более может потребоваться заполнение скважин над верхними зарядами ВВ, после из размещения в скважине, местным или привозным минеральным грунтом.

Таким образом, заявленная группа изобретений упрощает процесс проходки скважин в мерзлых, приравненных к скальным, грунтах, позволяет улучшить качество дробления грунта, используемого для обратной засыпки траншеи после укладки в нее трубопровода, а также повышает степень полезного использования энергии заряда ВВ.