Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2010". Автор - А. В. Зубехин, ООО "Херренкнехт тоннельсервис" (Россия, Москва).
С первого же года своего существования (1984) компания Bohrtec GmbH производит бурошнековые установки. Завод расположен в поселке Альсдорф, недалеко от города Ахэн и в 2-х часах езды на машине от Франкфурта.
Приблизительно 10 лет назад Bohrtec GmbH заключил партнерское соглашение с одним из крупнейших в мире производителей тоннелепроходческой техники - концерном Herrenknecht AG.
Бурошнековое бурение появилось на свет из-за возросшей потребности подключения домов к централизованной канализационной системе с помощью точного, направляемого метода. С тех пор прошло уже много лет. Машины, их оптические системы навигации и многие механизмы совершенствовались. Как следствие, на сегодня проходка на 100 – 120 м стальной трубой внешним диаметром 1020 мм стала заурядным делом.
Традиционный метод бурошнекового бурения с использованием буровых пилотных штанг давно зарекомендовал себя в качестве надежной технологии для бестраншейной прокладки труб малого диаметра. И компания Borhtec GmbH всегда стремилась отвечать самым взыскательным требованиям своих партнеров. На сегодняшний день в мире успешно функционируют более 250 машин различной мощности, произведенных компанией Bohrtec GmbH. В том числе 15 из них работают в разных городах России.
Ограничения
Стандартное бурение с применением пилотных буровых штанг позволяет с высокой точностью проложить трубы малых диаметров. Под словом «малый» в данном контексте подразумевается внешний диаметр до 1220 мм. Если сравнивать бурошнековые установки с конкурирующими методами, то явные преимущества первых заключаются в том, что они требуют относительно низкие капиталовложения, минимум места на стройплощадке и короткое время установки. Они просты в обращении и универсальны.
Однако по сей день все эти преимущества упираются в несколько сдерживающих факторов. Грунт должен быть вытесняемым. Согласно европейским стандартам почва должна иметь комплексный фактор вытесняемости SPT (standard penetration test) не выше 35. Метафорически выражаясь, речь идет прежде всего о грунте, в который средний взрослый человек сможет воткнуть отвертку. При этом условии бурошнековая установка сможет вдавить в землю копье первой пилотной штанги. И это условие сильно ограничивает возможности технологии на первой же стадии – продавливании пилотных труб.
Второе ограничение заключается в том, что на пути бурошнековой установки не должны появляться камни диаметром более 80 мм.
Front Steer
Компания Bohrtec GmbH бросила вызов этим ограничениям. Инженеры Bohrtec GmbH начали разработку метода, который позволил бы совершать проходку в почве с показателем SPT, намного превышающим 35 и в даже в мягкой скальной породе. И более того, метод должен был быть по-прежнему таким же простым и удобным в применении, как и стандартная технология с пилотными буровыми штангами.
И решение было найдено. Новая технология получила название Front Steer. Это простая система, в которой почва не вытесняется, а извлекается с помощью шнеков. При этом точность проходки по прежнему остается высокой.
Сферы применения метода Front Steer
Существует два поля применения метода Front Steer. Первый – это продавливание труб с применением уже зарекомендовавшей себя оптической навигационной системы. В этом случае вместо стандартного шнека используются полые шнеки, оптический канал которых позволяет использовать стандартную систему из теодолита с камерой и диодной мишени.
Вторая область применения – адаптация системы Front Steer к уже существующему набору шнеков со сплошным сердечником, то есть без оптического канала. Метод применим при проходках, где параметры отклонения по вертикали и горизонтали не имеют большого значения, а расстояние относительно мало. В данном случае проходка ведется без использования оптической навигационной системой, но регулировка положения осуществляется за счет других методов, которые будут изложены ниже.
Front Steer с оптической системой навигации
В случае, когда согласно проекту требуется очень высокая точность выхода и в плане и в профиле, а прочность, плотность и связность грунта не позволяют использовать стандартный бурошнековый метод, возможно применение системы Front Steer.
На рис. 1 изображены компоненты навигационной системы, состоящей из теодолита с камерой, направленной на светодиодную мишень, которая расположена в буровой головке, подобно тому, как она располагается в пилотном буровом копье в стандартном методе. В данном случае применяются специальные полые шнеки, гарантирующие визуальный контакт по оптическому пути.
Основа системы – это специальная буровая головка, надетая на переднюю часть рабочей трубы. Она представлена на рис. 2. Эта буровая головка состоит из двух подвижных частей, за счет которых можно вносить поправку в направление движения в процессе разработки грунта. Буровая головка использует ответную силу грунта для изменения направления проходки, и оператор может вручную или с помощью автоматики контролировать движение, основывая свои действия на показаниях панели управления, которая отображает положение буровой головки.
На рис. 3 показана раздельная панель управления. На левой стороне расположен монитор, на который выводится информация о положении буровой головки, а на правой стороне оператор может управлять движением режущего инструмента простым нажатием кнопок «влево», «вправо», «вверх» и «вниз». Все остальное управляется автоматикой.
Принцип системы управления заключается в следующем. Если оператор нажимает кнопку «вниз» первая труба составной буровой головки системы Front Steer отклоняется вверх и благодаря ответному воздействию грунта система движется вниз. Желтая полоска на левом мониторе показывает оператору актуальное положение первой трубы относительно заданной центральной оси. Сочетание монитора и диодной мишени позволяет навигатору направлять систему под нужным углом. Причем с очень высокой точностью.
Опыт применения Front Steer с оптической системой навигации
Несмотря на то, что технология Front Steer была разработана специально для невытесняемого грунта и мягких скальных пород (прочность на одноосное сжатие грунта до 10 МПа), свое боевое крещение система прошла в несколько иных условиях. Организация “Berliner Wasserbetriebe” (Берлинский водоканал) нуждался в прокладке новой канализационной трубы путем разрушения старой керамической. Рассматривались только бестраншейные методы, поскольку нужно было пройти 60 м под шестью мощными деревьями.
За неделю до начала проходки существующая канализационная труба была залита цементным раствором, что всегда требуется при разрушении старой трубы подобным методом. А через 2 дня после начала работ бурошнековой установки 54 метра трубы были успешно проложены на месте старой глиняной канализации с помощью точно управляемой системы Front Steer. Система прошла без отклонений как в плане, так и в профиле.
Приведенный метод не является типичной сферой применения для метода Front Steer, но выполненная работа великолепно продемонстрировала возможности системы. На данный момент европейские подрядчики выполнили уже более 20 проходок с разрушением старых глиняных труб различных диаметров.
Front Steer без оптической системы навигации
Вторая область применения технологии Front Steer заключается в совместной работе оборудования с традиционными шнеками без использования системы навигации. В этом случае буровая головка соединяется со сварной стальной трубой и обычными шнеками без оптического пути. То есть возможно применение системы Bohrtec c бурошнековыми установками, произведенными конкурирующими компаниями, что может значительно расширить спектр их возможностей.
При продавливании сварных стальных труб, например, под автомобильными и железными дорогами зачастую не требуется высокая точность в плане, а иногда и в профиле. Как следствие, нет никакой нужды в полых шнеках и оптической системе навигации – что позволяет использовать стандартные шнеки. В этом случае отклонения в профиле контролируются с помощью инклинометра совместно с электронным гидростатическим уровнем.
Для аккуратной проходки необходимы отрезки стальной трубы длиной не менее 3 м (большая длина отрезков рабочей трубы обеспечивает более высокую точность прокладки тоннеля) и специальное шарнирное соединение позади Front Steer. Этот специальный шарнир обеспечивает соединение Front Steer с трубой и жестко фиксирует трубу в горизонтальной плоскости, тем не менее, оставляя оператору 100%-ую возможность изменять направление бурения в профиле. Стоит отметить, что в случае значительных отклонений направления бурения по горизонтали Front Steer все же можно вернуть на заданное направление.
На рис. 4. Представлена система навигации и система управления, применяемая в данном методе. Она состоит из следующих элементов: электрического кабеля для передачи сигналов автоматике буровой головки и водяного шланга электронного гидростатического уровня, а также панели управления.
На данный момент испытаны системы для работы с трубами внешних диаметров 406 и 609 мм. На рис. 5 приведено изображение стальной рабочей трубы, соединенной с Front Steer.
На картинке также заметны кабели и шланги, идущие поверх трубы и покрытые стальным защитным коробом. Успешные тестовые проходки, проведенные в Германии (Франкфуртском международном аэропорте) и в Швейцарии доказали надежность и точность работы Front Steer: приемная шахта была достигнута без отклонений по вертикали и с небольшим отклонением в горизонтальной плоскости.
«Скважинный расширитель»
Вторая технология, освещенная в настоящем докладе – это разработка несколько нестандартная для бурошнековых установок. Как правило, при возникновении необходимости работать с полимерными трубами, например, для прокладки самотечной канализации, подрядчик оказывается в затруднительном положении. Усложняется порядок работ, поскольку, сначала, используя стандартный бурошнековый метод, при котором в землю вдавливается пилотная штанга. После чего идет расширительная буровая головка с обсадной трубой. И только на третьей стадии, после того, как весь участок пройден со стальной трубой, строители могут вдавить рабочую полимерную трубу. Труба должна иметь определенные параметрами прочности, иначе она просто сомнется под давлением каретки.
Более того, крупные проблемы могут встретиться на втором этапе работ. Для экономии времени возможно использование многоразовой лекгоразъемной стальной трубы. Однако в случае необходимости прокладки труб различных диаметров требуется такой же разнообразный набор быстроразъемных обсадных труб и шнеков соответствующих диаметров. Это приводит к увеличению стоимости оборудования.
Во избежание лишних расходов, зачастую используется обычная стальная труба. Она сваривается в стартовом котловане, а после разрезается на выходе в приемной шахте. В этом случае по-прежнему нужен большой набор шнеков разных диаметров и соответствующие трубы. Кроме того, процессы сварки и резки труб требуют времени, что отдаляет срок выполнения проекта.
Компания Bohrtec GmbH разработала метод, позволяющий преодолеть множество неприятностей при использовании полиэтиленовых и пластиковых труб. Во-первых, строительные компании избавляются от необходимости запасаться обсадными трубами и шнеками разных диаметров. Во-вторых, сокращается общее время строительства, поскольку нет нужды сваривать и резать стальные трубы. В третьих, пропадают ограничения по прочности на сжатие рабочих полимерных труб, то есть с использованием предложенного ниже метода возможно использовать не специальные полимерные трубы для микротоннелирования а любые полиэтиленовые и стеклопластиковые трубы, обладающие необходимым уровнем защиты от коррозии.
Система, разработанная компанией Bohrtec GmbH, называется «Скважинный расширитель».
Технологический процесс при работе со «Скважным расширителем»
Первая стадия процесса совпадает со стандартным управляемым шнековым бурением. В землю вдавливаются пилотные буровые штанги, ведомые уже зарекомендовавшей себя системой навигации.
На второй стадии проходки используется обсадная колонна, состоящая из специальных быстроразъемных стальных труб, предназначенная как для продавливания, так и для протяжки. Отдельное внимание стоит уделить тому факту, что диаметр обсадной трубы стандартен для всех диаметров рабочей трубы – 406 мм.
По окончании проходки в приемной шахте к обсадной колонне присоединяется расширительная буровая головка и шланги для подачи воды и бентонита. Буровая головка устроена таким образом, что весь отработанный грунт поступает в обсадную колонну и шнеками доставляется в стартовую шахту.
Бентонит, идущий по шлангам из приемного котлована, поступает в затрубное пространство и обеспечивает беспрепятственное скольжение рабочей полимерной трубы в скважине. Вода же через специальные форсунки под давлением подается на лопасти расширителя и тем самым очищает режущий инструмент от налипшего грунта.
На приведенном изображении (рис. 6) изображена схема оборудования, составляющего «Скважинный расширитель». Система состоит из устойчивой к протяжке обсадной колонны внешним диаметром 406 мм, непосредственно расширительной буровой головки и идущего следом за ней вертлюга с специальной технологической трубой для присоединения рабочей трубы.
Таким образом, в методе «Скважинный расширитель» обеспечивается высокая точность, благодаря использованию оптической навигационной системы и пилотных штанг.
К обсадной трубе внешним диаметром 406 мм можно присоединить расширительную буровую головку любого диаметра от 420 мм до 1020 мм. То есть строительной компании понадобятся лишь универсальная обсадная колонна и набор недорогостоящих расширителей.
И благодаря технологическому процессу, основанному на протяжке, снимается ограничение по жесткости рабочих труб. Теперь не нужно использовать полимерные трубы, предназначенные специально для микротоннелирования, можно использовать трубы, применяемые совместно с методом горизонтально направленного бурения.
На рис. 7 показан «Скважинный расширитель» до входа под землю и непосредственно процесс протяжки. В данном случае не используется буровая головка, поскольку диаметр обсадных и рабочих труб совпадает. На следующем рисунке представлен «Скважинный расширитель» с расширительной буровой головкой для трубы внешним диаметром 630 мм.
«Скважинный расширитель» - это универсальная и недорогая технология, позволяющая выполнять проекты с прокладкой полимерных труб в кратчайшие сроки. Front Steer - простая в управлении и крайне точная система, с помощью которой можно проложить трубу в невытесняемых грунтах и мягких скальных породах прочностью до 10 МПа.
И обе технологии обладают стандартным набором атрибутов бурошнековых технологий: они требуют невысоких капиталовложений, занимают минимум места на стройплощадке, требуют мало времени на установку и предельно просты в эксплуатации. Сочетание перечисленных выше факторов могут значительно увеличить области применения бурошнекового оборудования.
Комментарии 0