Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2008". Автор - А.Н. Ряшенцев (ООО «Р-технологии» Россия, Новосибирск).
Многофункциональное оборудование “RANER” позволяет формировать скважины (с проходкой через асфальт, гравий, железобетон) без выноса грунта на поверхность. Основным рабочим органом является инструмент для проходки скважин в уплотняемых грунтах – Проходчик скважин, модель DR (сертификат соответствия № РОСС RU.АЯ79.H05332).
Предпосылки для проведения работ
К концу XXI века накопился большой практический опыт бестраншейной проходки скважин с экскавацией и уплотнением грунта различными способами.
Опираясь на технические характеристики существующих машин, проведена сравнительная оценка величин энергии, подводимых к забою скважин диаметром до 200 мм в грунтах до IV категории крепости
a) установками горизонтального направленного бурения (ГНБ)
b) пневмопробойниками
c) раскатчиками.
Величина энергии в рассматриваемых вариантах, соответственно, равна: Еа ≈ 4.4 кДж (расчет по крутящему моменту на шпинделе), Еb ≈ (0.3-1.4) кДж (расчет по энергии удара), Еc ≈ 2.8 кДж (расчет по крутящему моменту), Еd ≈ 1 кДж.
По варианту b) следует, что для изготовления скважины в грунтах диаметром до 200 мм необходимо и достаточно энергии от 0.3 до 1.4 кДж. Другими словами, мощности электропривода 1.8 кВт (с учетом его КПД в 70%) вполне достаточно для формирования скважин в уплотняемых грунтах диаметром до 200 мм.
По имеющейся информации существующее оборудование, независимо от его производителя, имеет электропривод мощностью не менее 22 кВт. При необходимой энергии для формирования скважины до 1.4 кДж получается, что оценочный показатель «КПД формирования скважины» у известного оборудования не превышает 7%. Именно этот невысокий показатель КПД послужил основанием активного научно-технического поиска путей его увеличения, начиная от выбора энергосберегающего способа деформации грунта и заканчивая созданием устройства для его реализации.
Цель создания инструмента – за счет увеличения в 10 раз показателя «КПД формирования скважины» создать эргономичный энергосберегающий Проходчик, позволяющий с учетом физико-механических свойств грунта с минимальными потерями направить энергию электропривода на формирование зоны забоя скважины.
Модульное многофункциональное оборудование “RANER”
Анализ математического моделирования на четырехмерной (x, y, z, t) компьютерной модели режимов работы проектируемого инструмента позволил выбрать оптимальный вариант конструкции и создать Проходчик скважин модели DR, получивший наименование «Проходчик DR». Это изделие явилось базовым при создании оборудования и технологии “RANER”.
Для расширения функциональных возможностей оборудования “RANER” в его комплектность помимо лидерных Проходчиков DR 50...88 входят Проходчики-расширители DR 120...200, колонковые буры, алмазные коронки для сухого (мокрого) бурения, позволяющие сохранять направленность скважины при наличии в грунте инородных тел, типа строительного мусора, корней деревьев, и бурить асфальт, железобетон. Компактность и бесшумность работы оборудования позволяет его транспортировать в легковом автомобиле и использовать в стесненных условиях города.
Проходчики DR-50...DR-200
Проходчики DR-50...DR-80 (рис. 1) – инструмент для формирования лидерных скважин в грунте диаметрами от 50 до 80 мм соответственно, содержащие соединенный с электроприводом вал 1 с установленными на нем модулями прямого хода 3, обратного хода 4 и наконечником 2. Модуль обратного хода 4 выполнен в виде конического бурава. Модуль прямого хода состоит из ряда эксцентрических, последовательно развернутых относительно оси вращения колес 3, состоит из ступиц со свободно вращающимися ободьями. Боковые поверхности ободьев наклонены к оси вала на угол ϕi, удовлетворяющий условию:
Устройство работает следующим образом.
Прямой ход. При вращении приводного вала 1 от электропривода колеса 3, перемещаясь вдоль витков условной винтовой линии и обкатываясь по своим забоям, формируют стенку скважины и создают вектор силы тяги в направлении движения, обеспечивая продольную подачу устройства. Образуется скважина с плотными гофрированными стенками.
Реверс. При изменении направления вращения приводного вала устройство вывинчивается из скважины. Длина формируемой скважины определяется количеством наращиваемых штанг.
Проходчики и Проходчики-расширители моделей DR-120...DR-200 – инструмент для формирования или расширения скважин до интересуемого диаметра. Снятие наконечника 2 (рис. 1) у Проходчиков-расширителей позволяет прикладывать момент вращения от электропривода спереди инструмента, а замена наконечника 2 на вертлюг позволяет затягивать трубы в сформированную скважину (рис. 2).
Применение электропривода мощностью до 2 кВт позволяет создать колесами Проходчика радиальное давление на грунт величиной до 14 МПа (рис. 3) и обеспечить условия для создания суммарных сил (осевых и радиальных) до 100 кН. Радиальные силы направлены на формирование скважины с плотными стенками, осевые силы – на создание вектора силы тяги в направлении перемещения, что в свою очередь исключает необходимость принудительного осевого поджатия инструмента.
Примеры применения многофункционального оборудования “RANER”
Многофункциональное оборудования “RANER” с проходчиками DR позволяет формировать скважины без выноса грунта на поверхность, а в комплекте с колонковыми бурами и алмазными коронками бурить асфальт, гравий, железобетон. Питание от сети ≈220 В, автономная работа установки для бурения и формирования скважин обеспечивается подключением к бензогенератору ≈220 В, 5 кВт.
Компактная модульная установка для проходки и формирования скважин с коллекторным электроприводом ≈220 В, 2 кВт, частота вращения 0...2 Гц, вес 86 кг, габариты 1.4×0.8 м (рис. 4).
Отличительной особенностью оборудования “RANER” с применением асинхронного двигателя является бесшумность работы (рис. 5), средний уровень звука – 65 dB.
Малые габариты позволяют проводить работы по прокладке и замене инженерных коммуникаций в стесненных условиях колодца. Время развертывания оборудования составляет 10 мин, в разобранном виде размещается в легковом автомобиле.
Модульное оборудование “RANER” используется для проведения следующих работ:
- бестраншейная проходка скважин, замена ветхих и прокладка новых инженерных коммуникаций с последующим затягиванием труб диаметром 50...160 мм;
- формирование скважин с плотными стенками на воду;
- отбор проб глинистых, песчаных, гравийных грунтов с возможностью забуривания через асфальт, железобетон;
- замена выпусков трубопроводов водопровода и канализации диаметрами до 150 мм из зданий и пр.
Многофункциональное модульное оборудование “RANER”: технические характеристики
Изготовление и формирование скважин различной направленности в уплотняемом грунте, колонковое бурение асфальт-щебень-грунт-железобетон
Диаметр лидерного проходчика, мм 50...80
Диаметр проходчика-расширителя, мм 120...200
Потребляемая мощность, кВт 0.4...2.0
Скорость проходки номинальная, м/мин 0,2…1,0
Скорость бурения железобетона, мм/мин 12
Длина инструмента, мм 400...800
Габариты стойки, мм 1450×1000×600 (800×1000×600)
Вес оборудования, кг 69
Длина проходки номинальная, м 20
Длина проходки максимальная - определяется количеством присоединенных штанг
Время развертывания (сборка на объекте), мин 10
Средний уровень шума, Db 65
Проходчики DR-200...510. В настоящее время ведутся работы по подготовке к испытаниям Проходчиков диаметрами 320, 440, 510 мм для использования в качестве навесного инструмента на стандартное строительное оборудование для изготовления вертикальных скважин с прочными стенками (рис. 6).
По заказу ОАО «Новосибирскгортеплоэнерго» на базе многофункционального модульного оборудования “RANER” разработана технология поиска порыва и контроля состояния строительных конструкций и трубопроводов подземных участков тепловых сетей. Оборудование состоит из следующих составных частей:
- Компактная многофункциональная модульная установка “RANER” с электроприводом 220 В, вес 69 кг, габариты 1.5×0.8 м (рис. 4). Время развертывания – 10 мин, при изготовлении инспекционной скважины (шурфа) глубиной более 2 м применяется Проходчик DR-80 для формирования скважин с плотными стенками без выноса грунта на поверхность. При работе на глубинах до 2 м достаточно применение колонкового бура. В разобранном виде установка размещается в легковом автомобиле.
- Аппаратура для аудио-, видео-мониторинга состояния подземных участков строительных конструкций, трубопроводов сетей подземной канальной прокладки (поиск порыва, течи) при влажности до 100% и температуре внутри канала до 100˚С.
Технология заключается в следующем. При помощи модульной установки формируется инспекционная скважина (шурф) диаметром 72 мм, в нее устанавливается пластиковая труба, опирающаяся на бетонное перекрытие канала. По оборудованной таким образом скважине при помощи телескопической штанги в пространство канала опускается камера для видеонаблюдения. Видеокамера обеспечивает видимость на расстоянии 16 м. (рис. 7, вид на подающую и обратную трубы, расположенные в бетонном лотке полусферического типа). Изображение с двух камер транслируется на монитор и записывается на цифровой видеорегистратор. В местах с плохой видимостью в режиме поиска утечки используется прослушивание канала при помощи направленных микрофонов, размещенных через шурф внутри канала. По завершении работ на пластиковую трубу устанавливается герметичная заглушка.
Технология применения видеокамер с центраторами позволяет обследовать внутреннюю поверхность (рис. 8, осмотр внутренней поверхности трубопровода диаметром 100 мм одновременно двумя камерами) водопроводных труб и канализационных каналов диаметром до 1000 мм.
Предварительно изготовленные и законсервированные скважины с интервалом 30...50 м позволяют, во-первых, вести оперативный аудио-, видеомониторинг сетей подземной канальной прокладки в различное время года, во-вторых, в плановом порядке создать систему дистанционного контроля герметичности участков трубопроводов.
Установка “RANER” в комплекте с аппаратурой для аудио-, видеомониторинга находится в промышленной эксплуатации ОАО “Новосибирскгортеплоэнерго”, хорошо зарекомендовала себя при поисках порыва, осуществлении контроля состояния трубопроводов подземных участков тепловых сетей. Ее использование в режиме взятия проб грунта с последующим осмотром видеокамерами через отверстие, пробуренное в бетонном полу насосной станции, позволило своевременно увидеть наличие водной полости, а своевременно принятые меры – избежать провала пола и аварии оборудования насосной станции.
Аудио-, видеоинспекционная система: технические характеристики
Осмотр инженерных коммуникаций, наружной и внутренней поверхности скважин, труб, шахт, канализационных каналов
2 видеокамеры в гермокорпусе, углы обзора, град 33...100
Расположение видеокамер, град 90
Поворот видеокамер синхронный, град ±270
Регулирование светового потока, лм до 190
Комплект наборных штанг, м / радиус изгиба, м 36 / 1
Напряжение питания, В +12
Контроль температуры внутри гермокорпуса
Влажность до 100%, температура внутри канала до 100˚С
Центраторы, монитор, цифровой видеорегистратор, направленные микрофоны, наушники
Применяемые элементы модульного оборудования “RANER” созданы при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере при Правительстве РФ в рамках программы Инновации России.
Выводы
- При конструировании эргономичного энергосберегающего Проходчика DR, работающего без выноса грунта, поставлена амбициозная цель: в 10 раз увеличить показатель «КПД формирования скважины» и создать компактное многофункциональное оборудование для ЖКХ и строительства.
- Создана компактная многофункциональная модульная установка “RANER”, которая формирует скважины до 200 мм, затягивает пластиковые трубы до 160 мм, работает от сети ≈220 В, размещается в легковом автомобиле, обслуживается и эксплуатируется 2-я операторами, время развертывания – 10 мин. В комплекте с колонковыми бурами и алмазными коронками оборудование удобно при формировании скважин через железобетон, гравий. Номинальное расстояние проходки – 15 м. Максимальное расстояние определяется количеством присоединенных штанг.
- Создаваемые Проходчики DR-200…500 в качестве навесного оборудования на существующие установки, например, для шнекового бурения, формируют скважины с прочными стенками без выноса грунта на поверхность, используемые для создания буронабивных свай, упрочнения грунта.
- Совместное использование компактной установки “RANER” и проталкиваемой системы аудио-, видеоинспекции позволило создать технологию поиска порыва и контроля состояния строительных конструкций и трубопроводов подземных участков тепловых сетей.
- Отдельное применение системы видеоинспекции позволяет обследовать трубопроводы, скважины, дымоходы, канализационные каналы и другие инженерные сооружения диаметрами до 0.5 м и более. Применение сверхярких светодиодов с регулированием направленного светового потока обеспечивает видимость более 16 м состояния сетей подземной прокладки.
Список литературы
- Свирщевский В.К. (1982). Проходка скважин в грунте способом раскатки, Издательство «Наука», Новосибирск.
- Бобылев Л. (1991) Способом раскатки. Сельское строительство. №5, стр 48-49.
- Ряшенцев А. Н. (2007). Устройство для проходки скважин (варианты). Патент RU № 2310045 С2, МПК E02F 5/18, E21B 7/26.
- Потапкин В. О., Ряшенцев А. Н. (2007). Контроль состояния инженерных сетей подземной канальной прокладки. // Новости теплоснабжения, №12.
Комментарии 0