Способ образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке и устройство для его осуществления

 

Сущность изобретения: способ образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке включает перемещение формующего приспособления по проектной оси предварительно образованной скважины или предварительно проложенного трубопровода. При этом одновременно с перемещением формующего приспособления в полость между его центратором и головкой подают под давлением обделочный материал. Трубопровод или внутренний защитный кожух в нем формируют со стенками, толщина которых в их нижней части превышает толщину в их верхней части. Устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке содержит центратор с цилиндрической рабочей поверхностью, головку с рабочей поверхностью, образованной поверхностью тела вращения, и трубопровод для подачи обделочного материала. Головка жестко соединена с центратором. Центратор и головка образуют кольцевую полость, которая сообщена с трубопроводом для подачи обделочного материала. Продольные оси симметрии центратора и головки расположены параллельно и смещены друг относительно друга по поперечной оси устройства. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к горной промышленности и строительству и может быть использовано при сооружении переходов под препятствиями, а также при прокладке и ремонте трубопроводов для транспортировки различных материалов.

Известен способ образования скважин в грунте с одновременным возведением обделки и устройство для его осуществления. В соответствии с известным способом в грунтовом массиве с помощью самоходного устройства ударного действия образуют скважину. При этом одновременно с образованием скважины в грунте в стенки образованной скважины впрессовывают обделочный материал, который укрепляет стенки и после затвердения образует обделку, которая может быть использована в качестве трубопровода для транспортировки материала или как футляр для трубопровода. Устройство, с помощью которого реализуется известный способ, содержит пневмопробойник, на наружной поверхности корпуса которого расположена кольцевая выемка, и трубопровод для подачи обделочного материала, который сообщен с полостью указанной кольцевой выемки (см., например, авторское свидетельство СССР N 338666, кл. E 02 F 5/18, опубл. 1972).

К недостаткам известного способа и устройства для его осуществления можно отнести невозможность их использования при образовании внутреннего защитного кожуха в уже уложенном трубопроводе, а также совместное проведение работ по изготовлению трубопровода и защитного кожуха. Кроме того, область применения известных способа и устройства ограничена грунтами, плотность и прочность которых позволяет осуществлять впрессовывание обделочного материала в стенки образованной скважины. При этом следует отметить, что получаемая при реализации известной технологии обделка не может выполнять в полном объеме функции трубопровода для транспортировки материала, поскольку при неоднородном составе грунтового массива по длине проходки толщина образуемой обделки различна и не исключено образование участков, на которых из-за высокой прочности грунта вообще невозможно получение качественной обделки.

Известен способ образования трубопровода в грунте и устройство для его осуществления, которые частично устраняют недостатки описанной выше технологии. Согласно известному способу по проектной оси бурят скважину с помощью бурового инструмента и вслед за буровым инструментом протягивают металлическую трубу, которую извлекают из скважины по мере выхода на поверхность бурового инструмента. При этом одновременно с извлечением трубы формируют пластмассовую обсадную трубу с подпоркой ее водой, которая может быть использована в качестве транспортного трубопровода. Устройство содержит корпус с центратором и головкой, трубопровод для гранул и приспособление для формирования обделочного материала в виде винта и нагревательных элементов (см., например, авторское свидетельство СССР N 941496, кл. E 02 F 5/18, опубл. 1982).

Известные способ и устройство позволяют получить трубопровод со стенками заданной одинаковой толщины по всей длине проходки в независимости от свойств массива. К недостаткам известных технологии и устройства можно отнести невозможность их применения при образовании внутреннего защитного кожуха в трубопроводе. При этом следует отметить, что в соответствии с описываемой технологией возможно образование трубопровода (обсадной трубы) только со стенками одинаковой толщины по всей его длине. Однако при транспортировке материалов, которые содержат абразивные частицы, происходит неравномерный износ стенок проложенного трубопровода, то есть нижняя часть стенок трубопровода подвергается более интенсивному износу, что вызывает необходимость преждевременной замены трубопровода по причине износа его стенок в их нижней части и, следовательно, снижает его эксплуатационную надежность.

Известны способ образования трубопровода в грунте и устройство для его осуществления, которые являются наиболее близкими к заявленному по технической сущности и достигаемому результату. Согласно известному способу по проектной оси образуют пионерную скважину, во внутреннюю полость скважины подают обделочный материал и с помощью формующего приспособления формируют обделочный слой скважины (трубопровод), При этом после образования пионерной скважины с помощью рабочего органа расширяют участок пионерной скважины. В начале расширенного участка пионерной скважины размещают формующее приспособление и подачу обделочного материала осуществляют во внутреннюю полость расширенного участка пионерной скважины между формующим приспособлением и рабочим органом после окончания расширения участка пионерной скважины. После заполнения внутренней полости расширенного участка пионерной скважины подачу обделочного материала прекращают и формуют обделочный слой скважины перемещением формующего приспособления в направлении к рабочему органу. Устройство содержит рабочий орган, формующее приспособление и трубопровод для подачи обделочного материала (см., например, патент РФ N 2034118, кл. E 02 F 5/18, опубл. 1995).

К недостаткам известных способа и устройства для его реализации можно отнести невозможность образования с их помощью внутреннего защитного кожуха в трубопроводе, а также ведение работ по образованию трубопровода в грунте и внутреннего защитного кожуха в трубопроводе на одном участке в общем технологическом цикле. При этом с помощью известных технологии и устройства возможно образование трубопровода в грунте только со стенками одинаковой толщины, что снижает эксплуатационную надежность изготовленного трубопровода за счет более быстрого износа нижней части его стенок при транспортировке по трубопроводу материала, который содержит абразивные частицы.

Изобретение направлено на решение задачи по созданию таких технологии и устройства для ее осуществления, которые позволяли бы осуществлять образование трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке как раздельно, так и совместно на одном участке трубопровода. Технический эффект, который может быть получен при реализации заявленных технологии и устройства для ее реализации, заключается в повышении эксплуатационной надежности образованного трубопровода и/или внутреннего защитного кожуха в нем за счет обеспечения более равномерного износа их стенок при транспортировке материала, который содержит абразивные частицы.

Поставленная задача решена за счет того, что согласно способу образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке по проектной оси предварительно образованной скважины и/или предварительно проложенного трубопровода перемещают формующее приспособление, при этом одновременно с перемещением формующего приспособления в полость между его центратором и головкой подают под давлением обделочный материал, а трубопровод и/или внутренний защитный кожух формируют со стенками, толщина которых в их нижней части превышает толщину в их верхней части.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что в обделочный материал добавляют отвердитель, который подают под давлением в полость головки формующего приспособления. Применение указанного приема в заявленной технологии позволяет повысить качество образуемого трубопровода и/или внутреннего защитного кожуха за счет ускорения процесса затвердевания обделочного материала.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке содержит центратор с цилиндрической рабочей поверхностью, жестко соединенную с центратором головку с рабочей поверхностью, которая образована поверхностью тела вращения, и трубопровод для подачи обделочного материала, при этом центратор и головка образуют кольцевую полость, которая сообщена с трубопроводом для подачи обделочного материала, причем максимальный диаметр рабочей поверхности головки менее диаметра рабочей поверхности центратора, а продольные оси симметрии центратора и головки расположены параллельно и смещены друг относительно друга по поперечной оси устройства.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что устройство имеет трубопровод для подачи отвердителя, а головка вы полнена с расположенной на ее рабочей поверхности кольцевой выемкой, полость которой сообщена с трубопроводом для подачи отвердителя. При таком варианте конструктивного выполнения устройства ускоряется процесс формирования трубопровода и/или внутреннего защитного кожуха и обеспечивается лучшая прочность его стенок.

Кроме того, поставленная задача решена за счет того, что головка выполнена с опорными элементами. При таком варианте конструктивного выполнения устройства обеспечивается лучшее центрирование головки в скважине и/или в трубопроводе.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке, на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез по Б - Б на фиг. 1 (при образовании трубопровода в грунте) и на фиг. 4 - разрез по В-В на фиг. 1 (при образовании трубопровода в грунте).

В соответствии с заявленным способом в конечных точках по проектной оси трубопровода отрывают приемный и рабочий котлованы. Между рабочим и приемным котлованами образуют скважину расчетного диаметра любым известным методом, например бурением или проколом. Затем в приемном (или рабочем ) котловане размещают формующее приспособление, которое перемещают по проектной оси скважины любым известным методом, например с помощью нажимной штанги, тросовой системы или самоходного устройства, которое перемещается по скважине и тянет за собой формующее приспособление. Одновременно с началом перемещения по скважине формующего приспособления в полость между его центратором и головкой подают под давлением обделочный материал. Подачу обделочного материала осуществляют из рабочего (или приемного) котлована, например, с помощью трубопровода, который сообщен с указанной полостью, или из специальной емкости, которая соединена с центратором и перемещается по скважине вместе с формующим приспособлением. Обделочный материал из полости между центратором и головкой формующего приспособления частично проникает в стенки образованной скважины, а большая его часть поступает в зазор между стенками образованной скважины и выходом головки формующего приспособления, где уплотняется и образовывает трубопровод с заданной толщиной стенок, которая определяется величиной зазора между головкой и стенками скважины. Заданная величина указанного зазора поддерживается в процессе образования трубопровода с помощью центратора формующего приспособления. Следует отметить, что скорость перемещения формующего приспособления по скважине должна выбираться из условия достаточного затвердевания обделочного материала на выходе из указанного зазора. При этом трубопровод формируют со стенками, толщина которых в их нижней части превышает толщину в их верхней части. Толщина стенок образуемого трубопровода и изменение ее по высоте, а также форма контура поперечного сечения образуемого трубопровода определяются величиной и формой зазора между стенками скважины и головкой на ее выходе.

При образовании внутреннего защитного кожуха в трубопроводе технология проведения работ аналогична описанной выше технологии проведения работ по образованию трубопровода в грунте. Отличия заключаются в том, что в образованной скважине между приемным и рабочим котлованами размещают трубопровод. При этом следует отметить, что размещение трубопровода в скважине может быть осуществлено одновременно с образованием скважины любым известным методом, например методом продавливания или прокола, или после образования скважины путем заталкивания в образованную скважину трубопровода. При образовании внутреннего защитного кожуха в трубопроводе формующее приспособление размещают внутри трубопровода и перемещают его внутри трубопровода. Внутренний защитный кожух трубопровода формируют со стенками, толщина которых в их нижней части превышает толщину в их верхней части. Толщина и форма контура поперечного сечения образуемого защитного кожуха определяется величиной зазора между внутренней поверхностью стенок проложенного трубопровода и рабочей поверхностью головки формующего приспособления. При этом центратор формующего приспособления поддерживает величину указанного зазора в процессе проходки постоянной.

При образовании трубопровода в грунте и внутреннего защитного кожуха в трубопроводе последовательность выполнения приемов способа и их состав не изменяются. После образования скважины в грунте по всей длине проходки на одном из участков образованной скважины размещают трубопровод, который при наличии обводненных участков массива изолирует внутреннюю полость скважины от грунтовых вод и поддерживает форму стенок образованной скважины. Затем в полости образованной скважины или проложенного трубопровода размещают формующее приспособление, с помощью которого описанным выше способом формируют на соответствующем участке трубопровод или внутренний защитный кожух в трубопроводе. Вне зависимости от внутреннего диаметра образованной скважины и проложенного трубопровода, которые могут отличаться друг от друга на толщину стенок проложенного трубопровода, с помощью формующего приспособления образуют транспортный канал одинакового диаметра по всей длине от приемного до рабочего котлована, поскольку в процессе перемещения формующего приспособления максимальный диаметр его головки не изменяется. Для обеспечения центрирования формующего устройства при проходе им стыков между скважиной и проложенным трубопроводом центратор формующего приспособления может быть выполнен с приспособлением для изменения его диаметра. Кроме того, для обеспечения центрирования формующего приспособления при проходе им стыков может быть выбран такой вариант выполнения работ, при котором внутренний диаметр прокладываемого трубопровода выбирают из условия его равенства диаметру образованной скважины или наоборот.

В обделочный материал может быть добавлен отвердитель, который целесообразно подавать под давлением в полость головки формующего приспособления, то есть в период формирования трубопровода или защитного кожуха. Вид отвердителя выбирают в зависимости от типа обделочного материала, который используют для формирования трубопровода или защитного кожуха. Так, например, при использовании в качестве обделочного материала ненасыщенных полиэфирных смол марок ПН в качестве отвердителей могут быть использованы органические перекиси или гидроперекиси: гидроперекись кумола, перекись метилэтилкетона, гидроперекись изопропилена и др. Для инициирования (ускорения) процесса в обделочный материал могут быть добавлены инициаторы (ускорители), например, нафтенат кобальта, являющийся стирольным раствором кобальтовой соли нафтенновых кислот.

Устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке содержит центратор 1 с цилиндрической рабочей поверхностью 2 для взаимодействия с поверхностью внутренних стенок трубопровода 3 и/или со стенками скважины 4. С центратором 1 жестко соединена посредством разъемного или неразъемного соединения головка 5 с рабочей поверхностью 6, которая образована телом вращения, например боковой поверхностью цилиндра вращения, боковой поверхностью усеченного конуса вращения или др. Следует отметить, что центратор 1 и головка 5 могут быть выполнены в виде единой детали. С центратором 1 соединена нажимная штанга 7, которая предназначена для перемещения формующего приспособления по скважине. В нажимной штанге 7 расположен трубопровод 8 для подачи обделочного материала. Нажимная штанга 7 может быть выполнена полой и в этом случае трубопровод 8 целесообразно разместить в полости нажимной штанги 7. Нажимная штанга 7 может быть выполнена с продольным каналом, который образует трубопровод 8 для подачи отделочного материала. Центратор 1 и головка 5 образуют кольцевую полость 9, которая сообщена с трубопроводом 8 для подачи обделочного материала. Максимальный диаметр рабочей поверхности 6 головки 5 менее диаметра рабочей поверхности 2 центратора 1, то есть если диаметр рабочей поверхности 2 центратора 1 приблизительно равен внутреннему диаметру трубопровода 3 и/или диаметру скважины 4, то максимальный диаметр рабочей поверхности 6 центратора 5 всегда меньше внутреннего диаметра трубопровода 3 и/или диаметра скважины 4. При этом продольные оси симметрии центратора 1 и головки 5 расположены параллельно и смещены друг относительно друга по поперечной оси симметрии устройства, то есть головка 5 установлена с эксцентриситетом относительно центратора 1.

В головке 5 может быть выполнена кольцевая выемка 10, которая расположена на ее рабочей поверхности 6. При этом устройство снабжено трубопроводом 11 для подачи отвердителя, который сообщен с полостью кольцевой выемки 10. Трубопровод 11 для подачи отвердителя может быть расположен в полости нажимной штанги 7 или выполнен в виде продольного канала в нажимной штанге 7.

Головка 5 может быть выполнена с расположенными на ее рабочей поверхности 6 опорными элементами 12 для взаимодействия со стенками скважины 4 и/или с внутренней поверхностью стенок трубопровода 3. Опорные элементы 12 могут быть выполнены в виде выступов на рабочей поверхности 6 головки 5 или установленных с возможностью перемещения и фиксации в промежуточных положениях опор.

Устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке работает следующим образом.

В предварительно образованной любым известным способом скважине 4 или в предварительно проложенном любым известным способом трубопроводе 3 размещают устройство и соединяют нажимную штангу 7 с центратором 1. Из рабочего или приемного котлована (на чертежах не изображены) к нажимной штанге 7 прикладывают осевое усилие, например, с помощью размещенной в указанном котловане гидродомкратной установки. Под действием осевого усилия нажимная штанга 7 вместе с устройством начинает перемещаться по скважине 4 или трубопроводу 3. Одновременно с приложением к нажимной штанге 7 осевого усилия по трубопроводу 8 подают под давлением обделочный материал, в качестве которого может быть использована, например, бетон или строительный раствор. Обделочный материал поступает из специальной емкости (на чертежах не изображена), которая расположена либо в соответствующем котловане, либо на стройплощадке. По трубопроводу 8 обделочный материал под давлением поступает в кольцевую полость 9 и заполняет последнюю. Поскольку максимальный диаметр рабочей поверхности 6 головки 5 меньше диаметра рабочей поверхности 2 центратора 1, то между рабочей поверхностью 6 головки 5 и соответственно поверхностью внутренней стенки трубопровода 3 или поверхностью стенок скважины 4 образуется зазор, в который поступает обделочный материал. При этом по мере перемещения устройства по трубопроводу 3 или скважине 4 обделочный материал застывает в указанном зазоре, образовывая при этом соответственно внутренний защитный кожух 13 в трубопроводе 3 или трубопровод 14 в скважине 4. Следует отметить, что при формировании трубопровода 14 непосредственно в скважине 4 обделочный материал будет частично впрессовываться в грунтовый массив, что повысит прочность сформированного трубопровода 14 за счет его связи с окружающим массивом. Для ускорения застывания обделочного материала по трубопроводу 11 в полость 10 подается под давлением отвердитель, который, перемешиваясь с обделочным материалом, ускоряет процесс его застывания. Так, например, при использовании в качестве обделочного материала строительного раствора или бетона в качестве отвердителя может быть использована водяная суспензия золы, которая содержит тонкодисперсную минеральную добавку, например известь в количестве 2-25 % от веса сухой золы. При перемещении устройства по трубопроводу 3 или скважине 4 головка 5 взаимодействует опорной поверхностью своих опорных элементов 12 соответственно с внутренней поверхностью стенок трубопровода 3 или со стенками скважины 4, что обеспечивает лучшее центрирование устройства соответственно в скважине 4 или в трубопроводе 3. Поскольку головка 5 расположена с эксцентриситетом относительно центратора 1, то формируемый внутренний защитный кожух 13 в трубопроводе 3 или формируемый трубопровод 14 в скважине 4 имеют различную толщину стенок. Так толщина (H) стенок внутреннего защитного кожуха 13 в трубопроводе 3 или стенок формируемого трубопровода 14 в скважине 4 в их нижней части превышает толщину (h) в их верхней части, то есть выполняется условие H > h. При эксплуатации такого внутреннего защитного кожуха 13 в трубопроводе 3 или сформированного трубопровода 14 в грунте транспортируемый по нему материал за счет воздействия находящихся в нем абразивных частиц особенно эффективно разрушает нижнюю часть транспортной коммуникации, но поскольку толщина стенок (H) в нижней части транспортной коммуникации превышает толщину (h) стенок в ее верхней части, относительный износ внутреннего защитного кожуха 13 или трубопровода 14 в грунте будет происходить равномерно. Указанное обстоятельство позволит увеличить срок службы внутреннего защитного кожуха 13 или трубопровода 14.

Формула изобретения

1. Способ образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке, характеризуемый тем, что по продольной оси предварительно проложенного трубопровода перемещают формующее приспособление и одновременно с перемещением формующего приспособления в полость между его центратором и головкой подают под давлением обделочный материал, при этом трубопровод и/или внутренний защитный кожух в трубопроводе формируют со стенками, толщина которых в их нижней части превышает толщину в их верхней части.

2. Способ по п.1, характеризуемый тем, что в обделочный материал добавляют отвердитель, который подают под давлением в полость головки формующего приспособления.

3. Устройство для образования трубопровода в грунте и/или внутреннего защитного кожуха в трубопроводе при их бестраншейной прокладке, характеризуемое тем, что оно выполнено в виде центратора с цилиндрической рабочей поверхностью, жестко соединенной с центратором головки с рабочей поверхностью, которая образована телом вращения, и трубопровода для подачи обделочного материала, при этом центратор и головка образуют кольцевую полость, которая сообщена с трубопроводом для подачи обделочного материала, а максимальный диаметр рабочей поверхности головки менее диаметра рабочей поверхности центратора, причем продольные оси симметрии центратора и головки расположены параллельно и смещены друг относительно друга по поперечной оси устройства.

4. Устройство по п.3, характеризуемое тем, что оно имеет трубопровод для подачи отвердителя, а головка выполнена с расположенной на ее рабочей поверхности кольцевой выемкой, полость которой сообщена с трубопроводом для подачи отвердителя.

5. Устройство по одному из п.3 или 4, характеризуемое тем, что головка выполнена с опорными элементами для взаимодействия со стенками скважины и/или трубопровода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4