СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ СКВАЖИН В ГРУНТЕ
PROCEDURE AND FACILITY FOR DRILLING HOLES IN SOIL

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу выполнения скважин в грунте в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения. При таком способе предусмотрено, что буровую трубу и транспортирующий шнек, расположенный внутри буровой трубы, приводят во вращение и заглубляют в грунт, и целик грунтового материала разрыхляют посредством, по меньшей мере, одной основной режущей кромки, установленной перед транспортирующим шнеком в осевом направлении, и отводят посредством транспортирующего шнека внутри буровой трубы.
Изобретение относится также к устройству для выполнения скважин в грунте в соответствии с ограничительной частью пункта 5 формулы изобретения, причем устройство содержит буровую трубу, транспортирующий шнек, расположенный внутри буровой трубы, и, по меньшей мере, одну основную режущую кромку, которая установлена перед транспортирующим шнеком в осевом направлении для разработки грунтового материала.
Скважины могут служить в особенности для сооружения фундаментных элементов и/или свайных стен.
Уровень техники
Из уровня техники известны способы и устройства для выполнения в грунте скважин с помощью буровых труб, в особенности способы бурения и буровые устройства со сдвоенными буровыми головками. При таких способах буровую трубу и расположенный внутри буровой трубы, в частности, проходящий насквозь шнек заглубляют в грунт с одновременным вращением. При этом шнек в своей концевой области снабжен основной режущей кромкой, которая разрабатывает или разрыхляет целик грунта по поперечному сечению шнека и транспортирует грунтовый материал на винтовую лопасть шнека. От основной режущей кромки грунтовый материал отводится вверх вдоль вращающегося шнека. Это движение транспортирования обеспечивается за счет трения между грунтовым материалом и верхней поверхностью шнековой лопасти, а также трения между грунтовым материалом и внутренней поверхностью боковой стенки буровой трубы.
Такой способ известен, например, из патентного документа ЕР 1394351 В1. Он особенно подходит для использования при проходке скважин в несвязных грунтах, таких как галечник или песок, в связных смешанных грунтах и/или в грунтах, лежащих ниже зеркала грунтовых вод, поскольку здесь можно обойтись без создания искусственной водяной нагрузки.
Однако практика показала, что при бурении со сдвоенной головкой при определенных условиях может достигаться только относительно низкая скорость проходки скважин и к тому же наблюдается относительно высокий износ внутренней поверхности буровой трубы и транспортирующего шнека. В особенности проявляется этот эффект при слабом разделении грунта на фракции и/или при наличии крупного галечника.
Из патентных документов США №А-3565190, ФРГ №10359103 А1, Франции №А-2832438 или Японии №2001003363 известны способы и устройства для выполнения скважин с помощью буровой трубы и расположенного внутри нее транспортирующего шнека. На нижнем конце буровой трубы предусмотрен режущий венец. На нижнем конце транспортирующего шнека находится режущее устройство, которое проходит радиально и служит в качестве основной режущей кромки.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и устройства для выполнения скважин в грунте, которые при обеспечении относительно низкого износа и высокой скорости проходки предоставляют особенно многосторонние возможности использования.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет способа в соответствии с пунктом 1 и устройства в соответствии с пунктом 5 формулы изобретения. Предпочтительные примеры осуществления изложены в зависимых пунктах.
Предложен способ выполнения скважин в грунте, при котором буровую трубу и транспортирующий шнек, расположенный внутри буровой трубы, приводят во вращение и заглубляют в грунт. Целик грунтового материала разрыхляют посредством, по меньшей мере, одной основной режущей кромки, установленной перед транспортирующим шнеком в осевом направлении, и отводят посредством транспортирующего шнека внутри буровой трубы. Согласно изобретению основную режущую кромку вращают посредством буровой трубы вокруг оси бурения, причем основная режущая кромка расположена на буровой трубе и проходит к оси бурения таким образом, что режущая кромка при своем вращении перекрывает по меньшей мере, значительную часть площади поперечного сечения транспортирующего шнека.
В изобретении учитывается тот факт, что в известных из уровня техники способах бурения и буровых устройствах при расположении основной режущей кромки на транспортирующем шнеке этот транспортирующий шнек выполняет задачи как разработки или разрыхления целика грунта, так и отвода разрыхленного грунта. Однако такое решение не является оптимальным для всех условий эксплуатации. Так, при определенной геологии грунтов могут требоваться, например, относительно высокие усилия для разрыхления грунта, так что основная режущая кромка, а следовательно, и транспортирующий шнек могут приводиться во вращение только с относительно низкой скоростью. В зависимости от условий работы эта медленная скорость вращения может оказаться недостаточной для непрерывного отвода материала. В этом случае материал скапливается в нижней области шнека. В особенности крупные куски могут снова и снова скатываться вниз и застревать между шнеком и боковой стенкой буровой трубы. В результате это приводит к относительно высокому сопротивлению вращения, высокой энергоемкости, относительно низкой скорости проходки скважины и высокому износу.
В противоположность этому основная идея изобретения заключается в том, чтобы освободить шнек, по меньшей мере, частично от задачи разрыхления целика грунта. Соответственно согласно изобретению основная режущая кромка, которая предназначена для разработки целика грунтового материала по поперечному сечению транспортирующего шнека, расположена не на транспортирующем шнеке, а на буровой трубе с возможностью вращения относительно транспортирующего шнека. Вследствие этого число оборотов транспортирующего шнека и число оборотов основной режущей кромки, то есть ее режущая способность, могут регулироваться независимо друг от друга. В частности, при проходке скважин в грунтах переменных геологических свойств скорость транспортирования транспортирующего шнека может индивидуально адаптироваться к текущей величине подачи грунта от основной режущей кромки, что позволяет избежать нежелательного скопления материала в нижней части транспортирующего шнека. Таким образом, при быстром процессе проходки скважины может быть значительно снижен износ, вызываемый таким скоплением материала. Кроме того, решение по изобретению позволяет гибко реагировать на изменение геологических свойств грунта без затрат на перенастройку транспортирующего шнека или других компонентов устройства.
Согласно изобретению число оборотов буровой трубы определяет число оборотов основной режущей кромки. Для этого основная режущая кромка может быть жестко установлена на буровой трубе. Однако возможно также установить основную режущую кромку на буровой трубе с возможностью относительного поворота в определенных пределах.
Согласно предпочтительному примеру осуществления изобретения управление буровой трубой и транспортирующим шнеком в отношении числа оборотов и/или направления вращения производят независимо, что создает способ особенно многостороннего применения. Для этой цели буровая труба и транспортирующий шнек могут быть, например, снабжены раздельными приводными моторами. Однако может быть также предусмотрен, по меньшей мере, один общий приводной мотор для привода как буровой трубы, так и транспортирующего шнека посредством регулируемого передаточного механизма. Регулируемый передаточный механизм может быть выполнен, в частности, в виде преобразователя крутящего момента, в особенности бесступенчато регулируемого, однако он может быть также выполнен и в виде передаточного механизма ступенчатого переключения.
В особенно простом конструктивном примере осуществления основная режущая кромка может быть выполнена, например, в виде режущей кромки. Однако основная режущая кромка может быть образована также несколькими расположенными рядом друг с другом режущими инструментами, такими как плоские зубья, зубья по типу долота с круглым стержнем и/или зубки горных машин, которые могут быть, в частности, установлены на держателе рабочего инструмента или непосредственно на буровой трубе, то есть прикреплены винтами, приварены или прикреплены пальцами. Предпочтительно основная режущая кромка проходит от боковой стенки, в особенности радиально, к оси бурения. В соответствии с изобретением основная режущая кромка расположена таким образом и имеет такие размеры, что при своем вращении перекрывает, по меньшей мере, значительную часть площади поперечного сечения транспортирующего шнека и предпочтительно также буровой трубы. Для достижения особенно высокой режущей способности при хорошем распределении усилий согласно изобретению предпочтительно предусмотрены, по меньшей мере, две основные режущие кромки, которые, в особенности, могут быть расположены симметрично относительно оси буровой трубы.
В особенно предпочтительном примере осуществления транспортирующий шнек приводят во вращение с более высоким числом оборотов, чем буровую трубу с основной режущей кромкой. Такой способ привода особенно подходит при проходке в крупном галечнике. Высокое число оборотов транспортирующего шнека имеет следствием то, что сравнительно большие центробежные силы воздействуют на отдельные куски грунта, в результате чего грунтовый материал транспортируется вверх особенно быстро и эффективно. Предпочтительно число оборотов транспортирующего шнека, по меньшей мере, вдвое превышает число оборотов буровой трубы. Так, например, число оборотов транспортирующего шнека может превышать в десять раз число оборотов буровой трубы с основной режущей кромкой. В частности, число оборотов транспортирующего шнека может лежать в области 0,5-3 об/с, предпочтительно в области 1-2 об/с. Буровая труба и транспортирующий шнек могут выгодным образом приводиться во вращение в противоположных направлениях, однако они могут вращаться также и в одном направлении.
Согласно изобретению используется сквозной транспортирующий шнек, предпочтительно длина которого превышает предусмотренную глубину бурения, так что транспортирующий шнек в течение всего процесса бурения выступает вверх из скважины. Предпочтительно также, чтобы охватывающая его буровая труба была длиннее запланированной глубины бурения. Предпочтительно транспортирующий шнек приводят во вращение непрерывно для непрерывного отвода разрыхленного грунтового материала к дневной поверхности.
Далее, в предпочтительном примере осуществления через центральную трубу транспортирующего шнека в скважину вводят материал заполнителя для сооружения в скважине элемента основания или элемента стены. Предпочтительно после достижения конечной глубины буровую трубу и транспортирующий шнек одновременно вытягивают обратно и при этом в образованное полое пространство через центральную трубу вводят материал заполнителя, предпочтительно содержащий бетон.
Устройство для выполнения скважин в грунте, в особенности для осуществления вышеописанного способа, содержит буровую трубу, транспортирующий шнек, расположенный внутри буровой трубы, и, по меньшей мере, одну основную режущую кромку, которая установлена перед транспортирующим шнеком в осевом направлении для разработки грунтового материала. Устройство по изобретению отличается тем, что основная режущая кромка расположена на буровой трубе и выполнена с возможностью привода во вращение вокруг оси бурения посредством буровой трубы, причем основная режущая кромка проходит от боковой стенки буровой трубы к оси бурения.
Устройство может использоваться, в частности, для осуществления способа по изобретению с получением описанных преимуществ. При этом описанные особенности способа могут использоваться в устройстве по изобретению, а особенности устройства использоваться при осуществлении способа.
Согласно изобретению транспортирующий шнек снабжен, по меньшей мере, одной винтовой лопастью. Поскольку в соответствии с изобретением целик грунта в поперечном сечении транспортирующего шнека, в особенности в поперечном сечении винтовой лопасти, разрыхляется, по меньшей мере, частично основной режущей кромкой, расположенной на буровой трубе, на этой винтовой лопасти не должно быть предусмотрено никакого инструмента для разрыхления. Она служит только для транспортирования и вступает в контакт с грунтовым материалом только тогда, когда он уже разрыхлен основной режущей кромкой. Предпочтительно винтовая лопасть смещена назад внутрь от торцевой поверхности буровой трубы.
В принципе согласно изобретению может быть предусмотрено, что транспортирующий шнек полностью разгружен от функции резания, а основная режущая кромка выполнена таким образом, что при своем вращении разрабатывает целик грунтового материала по всему поперечному сечению транспортирующего шнека. Однако может быть предпочтительным пример выполнения, в котором на транспортирующем шнеке предусмотрена, по меньшей мере, одна центрирующая режущая кромка, которая в особенности расположена с опережением основной режущей кромки в осевом направлении. В этом случае в дополнение к основной режущей кромке транспортирующий шнек посредством этой центрирующей режущей кромки также выполняет определенную функцию резания в зоне поперечного сечения транспортирующего шнека. Предпочтительно центрирующая режущая кромка жестко укреплена на транспортирующем шнеке. Поверхность резания, разрабатываемая центрирующей режущей кромкой при вращении транспортирующего шнека, соответствующим образом меньше, чем поверхность резания, разрабатываемая основной режущей кромкой при вращении буровой трубы. Центрирующая режущая кромка может содержать, например, несколько зубьев.
Далее, в предпочтительном примере осуществления с торцевой стороны на буровой трубе на окружной периферии трубы расположен, по меньшей мере, один дополнительный режущий инструмент. За счет этого в дополнение к основной режущей кромке на торцевой стороне буровой трубы может быть образована кольцевая режущая кромка, которая разрыхляет целик грунтового материала по линии окружной периферии буровой трубы и облегчает ее осевое заглубление. Дополнительный режущий инструмент может быть выполнен в виде зуба.
Особенно простое конструктивное выполнение устройства достигается за счет того, что в концевой области буровой трубы, в особенности в поперечном сечении трубы, расположен держатель рабочего инструмента, на котором расположена основная режущая кромка. Держатель рабочего инструмента может содержать, например, пластину, закрывающую буровую трубу с торцевой стороны. Однако держатель рабочего инструмента может также быть смещен от торца буровой трубы внутрь или выступать от него наружу. Предпочтительным образом на держателе рабочего инструмента предусмотрено, по меньшей мере, одно отверстие для сквозного прохода разработанного грунтового материала внутрь трубы.
В предпочтительном примере осуществления предусмотрен, по меньшей мере, один запорный элемент для запирания отверстия. Это позволяет запирать отверстие при вытягивании буровой трубы, так что находящийся внутри буровой трубы разработанный грунтовый материал не может попасть обратно в скважину. Предпочтительно запорный элемент выполнен с возможностью поворота вокруг продольной оси буровой трубы относительно буровой трубы и отверстия.
Запорный элемент может быть, например, жестко связан с транспортирующим шнеком. В этом случае отверстие может быть открыто и вновь закрыто посредством поворота транспортирующего шнека относительно буровой трубы. Однако запорный элемент может быть также жестко связан с основной режущей кромкой. В особенно простом конструктивном примере осуществления основная режущая кромка жестко установлена на буровой трубе. Однако может быть также предусмотрено, что основная режущая кромка выполнена с возможностью поворота относительно буровой трубы и предусмотрены ограничительные средства, в особенности упоры, но также и запорные пальцы или запорные стопоры, которые могут приводиться в действие механическими и/или гидравлическими средствами, или подобные ограничительные средства, предназначенные для ограничения угла поворота основной режущей кромки относительно буровой трубы. Согласно этому примеру выполнения основная режущая кромка может перемещаться относительно буровой трубы в пределах определенной угловой области. Основная режущая кромка захватывается вращающейся буровой трубой только тогда, когда она прямо или косвенно упирается в один или несколько упоров на буровой трубе. Для привода в действие запорных пальцев, запорных стопоров или других запорных устройств могут быть предусмотрены приводные средства.
Этот пример выполнения особенно выгоден в тех случаях, когда основная режущая кромка и запорный элемент жестко соединены друг с другом. При этом отверстие может быть освобождено или заперто посредством поворота основной режущей кромки вместе с запорным элементом относительно буровой трубы. В особенности это может осуществляться таким образом, что основную режущую кромку устанавливают на целике грунта, а буровую трубу поворачивают дальше, в то время как основная режущая кромка с запорным элементом остается на грунте вследствие трения. Предпочтительно упоры расположены таким образом, что при вращении буровой трубы в направлении резания основной режущей кромки они удерживают запорный элемент в открытом положении, в котором отверстие открыто, а при вращении в направлении, противоположном направлению резания основной режущей кромки, запорный элемент удерживается в запорном положении и перекрывает отверстие. Для этой цели ограничительные средства могут дополнительно или альтернативно содержать пальцы, стопоры и/или запоры.
В дальнейшем примере развития изобретения основная режущая кромка расположена на несущей пластине, проходящей наклонно к продольной оси буровой трубы, в особенности на винтовой лопасти. За счет своего наклонного положения несущая пластина, которая может быть также названа режущей планкой или транспортирующим отвалом, при вращении буровой трубы и основной режущей кромки может отводить разработанный грунтовый материал в осевом направлении к транспортирующему шнеку, который производит дальнейшее транспортирование грунтового материала. Предпочтительно несущая пластина расположена таким образом, что образует угол в области от 10° до 80° с дном скважины и/или с горизонталями, перпендикулярными продольной оси буровой трубы. В том случае, когда основная режущая кромка предусмотрена на винтовой лопасти, она может быть выполнена спиральной. Однако в принципе основная режущая кромка может быть также выполнена, например, по существу проходящей радиально к оси буровой трубы на конце винтовой лопасти. Предпочтительно винтовая лопасть выполнена в виде прогрессивной спиральной лопасти, наружный диаметр которой увеличивается к свободному концу и/или высота хода винта которой уменьшается к свободному концу. В этом случае основная режущая кромка может образовывать виток спирали переменного диаметра. В особенности основная режущая кромка может быть выполнена таким образом, что при вращении она описывает коническую или другую выпуклую поверхность.
Для особенно эффективного транспортирования грунтового материала от основной режущей кромки через отверстие внутрь трубы к транспортирующему шнеку в предпочтительном примере осуществления несущая пластина расположена в области отверстия на держателе рабочего инструмента и предпочтительно образует острый угол с торцевой поверхностью отверстия. В этом случае несущая пластина может при вращении подавать грунтовый материал через отверстие.
В следующем предпочтительном примере выполнения транспортирующий шнек содержит центральную трубу для ввода материала заполнителя в скважину, причем на центральной трубе предусмотрено, по меньшей мере, одно выпускное отверстие для материала заполнителя. Предпочтительно центральная труба выступает в осевом направлении вперед от торцевой стороны буровой трубы, снабженной основной режущей кромкой. При этом выпускное отверстие соответствующим образом смещено в осевом направлении наружу от буровой трубы. Однако выпускное отверстие для материала заполнителя может быть расположено на участках центральной трубы внутри буровой трубы. В этом случае материал заполнителя выходит наружу из внутренней полости трубы через отверстие в центральной трубе и/или через отверстие в держателе рабочего инструмента, которое служит также в особенности для прохода разработанного грунтового материала внутрь буровой трубы. В качестве примера выпускное отверстие может быть расположено на центральной трубе сбоку и/или с торцевой стороны. Предпочтительно на торцевой стороне центральной трубы установлена центрирующая режущая кромка.
Особенно высокое качество элемента основания и/или элемента стены, получаемого при заполнении скважины, может достигаться за счет того, что предусмотрено запорное устройство для запирания выпускного отверстия. Предпочтительно запорное устройство выполнено таким образом, что выпускное отверстие может запираться путем установки центральной трубы на дно скважины. Запорное устройство может, например, содержать плунжер, установленный внутри центральной трубы подвижно в осевом направлении и имеющий на торцевой стороне поверхность контакта с целиком грунтового материала. В процессе бурения этот плунжер соответствующим образом задвигается целиком грунта в центральную трубу, и в результате этого может быть заперто выпускное отверстие, расположенное на центральной трубе сбоку. Когда же транспортирующий шнек вытягивают в противоположном направлении, плунжер может выдвигаться из центральной трубы в осевом направлении, например, под действием давления или силы тяжести или с помощью подпружиненного возвратного устройства и освобождать выпускное отверстие. Вместо плунжера, расположенного внутри центральной трубы, запорное устройство может содержать также подвижную в осевом направлении втулку, расположенную на центральной трубе снаружи.
Особенно надежное устройство достигается за счет того, что транспортирующий шнек установлен в концевой области буровой трубы с возможностью вращения относительно буровой трубы. В качестве примера на держателе рабочего инструмента буровой трубы может быть предусмотрена опора вращения для установки в ней центральной трубы. Под концевой областью может подразумеваться в особенности та область, которая обращена к грунту и на которой расположены режущие кромки. За счет опорной установки транспортирующего шнека в конце буровой трубы транспортирующий шнек центрируется в буровой трубе, так что длина транспортирующего шнека может быть особенно большой без риска контакта шнека с внутренней стенкой буровой трубы.
Согласно следующему предпочтительному примеру осуществления основная режущая кромка содержит калибровочную режущую область, которая соответствующим образом проходит вокруг оси трубы, по меньшей мере, примерно по дуге. Такая калибровочная режущая область может облегчать внедрение буровой трубы в грунт и улучшать плавность вращения.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны предпочтительные примеры осуществления изобретения. На чертежах:
фиг.1 изображает на виде сбоку с частичным разрезом устройство по изобретению в первом примере выполнения,
фиг.2 изображает устройство по фиг.1 на виде снизу,
фиг.3 изображает на виде сбоку с частичным разрезом устройство по изобретению в следующем примере выполнения,
фиг.4 изображает на виде сбоку с частичным разрезом устройство по изобретению в следующем примере выполнения в различных рабочих состояниях,
фиг.5 изображает на виде сбоку с частичным разрезом (верхний чертеж) и на виде снизу с частичным разрезом (нижний чертеж) устройство в следующем примере выполнения,
фиг.6 изображает в перспективе устройство по изобретению в следующем примере выполнения,
фиг.7-14 изображают в перспективе устройство по изобретению в следующих примерах выполнения.
Осуществление изобретения
Устройство для выполнения скважин в грунте в первом примере осуществления показано на фиг.1 и 2. Устройство содержит приводимую во вращение буровую трубу 1, в которой коаксиально расположен транспортирующий шнек 2. Транспортирующий шнек 2 содержит центральную трубу 8 и продольно проходящую по ней наружную винтовую лопасть 9. На обращенном к дну скважины конце буровой трубы 1 предусмотрен держатель 13 рабочего инструмента, выполненный в виде закрывающего диска и частично перекрывающий буровую трубу 1. Держатель 13 рабочего инструмента проходит участками от боковой стенки буровой трубы 1 радиально к ее продольной оси. В держателе 13 рабочего инструмента выполнены два отверстия 11, 11' в форме секторов круга, допускающих проход материала через держатель 13 в область транспортирования транспортирующего шнека 2.
На стороне держателя 13 рабочего инструмента, обращенной наружу от буровой трубы 1, диаметрально противоположно относительно продольной оси буровой трубы 1 расположены две наклонные несущие пластины 3, 3'. На каждой несущей пластине 3, 3' предусмотрено множество зубьев 4, образующих основную режущую кромку 50, 50'. Зубья 4 могут быть, например, плоскими зубьями, зубьями по типу долота с круглым стержнем и/или зубками горных машин. В частности, они могут быть снабжены вставками из твердого металла.
Посредством несущих пластин 3, 3' и держателя 13 обе основные режущие кромки 50, 50' жестко соединены с буровой трубой 1. За счет расположения режущих кромок 50, 50' на торцевой стороне транспортирующего шнека 2 при вращении буровой трубы 1 целик грунтового материала может разрабатываться или разрыхляться основными режущими кромками 50, 50' по всему поперечному сечению транспортирования транспортирующего шнека 2. Разрыхленный грунтовый материал принимается несущими пластинами 3, 3', проходящими наклонно к горизонтали, и при вращении буровой трубы 1 подается через отверстия 11, 11' в область транспортирования транспортирующего шнека 2. Для более надежного захвата разрыхленного грунтового материала винтовой лопастью 9 может быть целесообразно выполнение этой винтовой лопасти 9 с гладкими, в особенности радиально и/или горизонтально проходящими кромками в концевой области входа грунтового материала.
В держателе 13 рабочего инструмента центрально относительно буровой трубы 1 предусмотрена проточка 10 для сквозного прохода центральной трубы 8 транспортирующего шнека 2. В этой проточке транспортирующий шнек 2 установлен в буровой трубе 1 с возможностью вращения, причем для этого в проточке 10 может быть предусмотрен подшипник скольжения или качения. На конце центральной трубы 8, выступающем за проточку 10, расположена торцевая центрирующая режущая кромка 5. Эта центрирующая режущая кромка 5 выступает в осевом направлении перед основными режущими кромками 50, 50' и жестко соединена с транспортирующим шнеком. С помощью центрирующей режущей кромки 5, которая в целях наглядности не показана на фиг.2 (как и центральная труба 8), при вращении транспортирующего шнека 2 может разрабатываться или разрыхляться грунт в зоне поперечного сечения центральной трубы 8. В концевой области центральной трубы 8, выступающей за держатель 13 рабочего инструмента, в боковой стенке центральной трубы 8 предусмотрено выпускное отверстие 7. Дополнительно или альтернативно в центральной трубе 8 может быть предусмотрено также торцевое выпускное отверстие. При вытягивании транспортирующего шнека 2 и буровой трубы 1 через центральную трубу 8 в образованное полое пространство может вводиться материал заполнителя, причем этот материал заполнителя выходит через выпускное отверстие 7 центральной трубы 8. В другом примере осуществления материал заполнителя может подаваться в образованное полое пространство через проточку 10.
Со стороны торца буровой трубы 1 на ее обечайке расположены дополнительные режущие инструменты 6, выполненные в виде зубьев. Они образуют кольцевую режущую кромку, которая разрабатывает целик грунтового материала под буровой трубой 1. Режущие инструменты 6 также могут быть выполнены в виде зубков горной машины или резцов типа долота.
Устройство для выполнения скважин в грунте по изобретению в следующем примере осуществления показано на фиг.3. Оно отличается от устройства по фиг.1 и 2 в основном тем, что дополнительно к сквозной винтовой лопасти 9 в нижней области транспортирующего шнека 2 расположена вторая винтовая лопасть 30.
Устройство для выполнения скважин в грунте по изобретению в следующем примере осуществления показано на фиг.4 в двух рабочих состояниях. Левый чертеж изображает устройство в процессе бурения, а правый - в процессе вытягивания или удаления.
Согласно примеру выполнения по фиг.4 центральная труба 8 снабжена на своем конце плунжером 70, который установлен с возможностью осевого перемещения внутри участка центральной трубы. Выпускное отверстие 7 предусмотрено в боковой стенке плунжера 70. На торце плунжера 70 расположена центрирующая режущая кромка 5.
В процессе бурения, представленном на фиг.4 слева, транспортирующий шнек 2 вместе с центральной трубой 8 прижимается в осевом направлении к целику грунта. Соответствующие реактивные силы удерживают прилегающую к грунту центрирующую режущую кромку 5 вместе с плунжером 70 в верхнем положении, в котором плунжер 70 задвинут в участок центральной трубы, а выпускное отверстие 7 прилегает к боковой стенке участка центральной трубы и заперто. За счет этого снижается риск проникновения грунтового материала внутрь центральной трубы 8 и ее забивания грунтом.
В процессе удаления или вытягивания, представленном на фиг.4 справа, плунжер 70 вместе с центрирующей режущей кромкой 5 поднимается из грунта. При этом плунжер 70 может выдвинуться из центральной трубы 8, что может обеспечиваться силой тяжести или с помощью подпружиненного возвратного устройства и/или путем подачи давления во внутреннюю полость центральной трубы 8. При этом осевое перемещение плунжера с выдвижением из центральной трубы 8 может ограничиваться, например, с помощью упора. В показанном на фиг.4 справа выдвинутом состоянии плунжера 70 выпускное отверстие 7 смещено от боковой стенки участка центральной трубы 8 и освобождено, так что материал заполнителя может подаваться наружу из центральной трубы 8.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.5. В отличие от примера выполнения по фиг.1 здесь предусмотрены запорные элементы 15, 15' для закрытия отверстий 11, 11' держателя 13 рабочего инструмента. Эти запорные элементы 15, 15' жестко связаны с транспортирующим шнеком 2. Посредством поворота транспортирующего шнека 2 относительно буровой трубы 1 запорные элементы 15, 15' могут переводиться между запорным положением, в котором они закрывают отверстия 11, 11', и открытым положением, в котором они смещены относительно отверстий 11, 11' и освобождают их. На фиг.5 запорные элементы 15, 15' показаны в промежуточном положении, в котором они частично перекрывают отверстия 11, 11'. В примере выполнения по фиг.5 запорные элементы 15, 15' выполнены в виде радиальных пластин, прикрепленных к концам обеих винтовых лопастей 9 или 30.
Соответствующим образом при вытягивании буровой трубы 1 отверстия 11, 11' заперты, так что находящийся внутри буровой трубы 1 грунтовый материал не может падать вниз в образованное полое пространство и/или выходящий из центральной трубы 8 материал заполнителя, такой как бетон, не может проникнуть внутрь буровой трубы 1. В особенности важно, чтобы грунтовый материал не мог попадать из буровой трубы в материал заполнителя, что приводило бы к нежелательному нарушению однородности. В качестве примера может быть предусмотрено, что вначале запорные элементы 15, 15' устанавливают в запорное положение путем поворота транспортирующего шнека 2 относительно буровой трубы 1, а затем транспортирующий шнек 2 и буровую трубу 1 вытягивают без дальнейшего вращения. Однако возможен также вариант, при котором буровую трубу 1 и транспортирующий шнек 2 при вытягивании вращают с одной и той же скоростью в одном направлении, так что запорные элементы 15, 15' остаются в своем запорном положении.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.6. Этот чертеж представляет предпочтительное расположение несущих пластин 3, 3' на держателе 13 рабочего инструмента. На фиг.6-14 в целях наглядности не показан транспортирующий шнек.
Как показано на фиг.6, несущие пластины 3, 3' предусмотрены на держателе 13 таким образом, что они примыкают к отверстиям 11, 11' и при вращении подают разрабатываемый грунтовый материал в осевом направлении через отверстия 11, 11'. При этом несущие пластины 3, 3' наклонены к плоскости отверстий 11, 11' под острым углом.
Угол α наклона между несущими пластинами 3, 3' и целиком грунта лежит в пределах от 10° до 80°. Величина угла α определяет, разрыхляется ли грунт срезом или внедрением и перемешиванием.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.7. Согласно ему основная режущая кромка 50 расположена на торцевой стороне винтовой лопасти 16, которая жестко соединена с буровой трубой 1 посредством держателя 13 рабочего инструмента. Винтовая лопасть 16 обеспечивает особенно надежную транспортировку разработанного грунтового материала в буровую трубу 1 к транспортирующему шнеку.
В примере выполнения по фиг.7 основная режущая кромка 50 содержит кроме радиально проходящей режущей области также калибровочную или окружную режущую область 18, проходящую в осевом направлении буровой трубы 1. Как в радиальной режущей области, так и в калибровочной режущей области 18 на режущей кромке 50 расположены отдельные зубья.
Винтовая лопасть 16 проходит вокруг трубчатой опоры 23, выступающей вперед от держателя 13 рабочего инструмента. Эта трубчатая опора 23 может служить, например, в качестве опорной втулки для центральной трубы транспортирующего шнека, не показанной на чертеже. Со стороны торца трубчатой опоры 23 расположена центрирующая режущая кромка 5, которая в представленном примере выполнения укреплена на центральной трубе, предпочтительно с возможностью вращения относительно трубчатой опоры 23. Однако в принципе центрирующая режущая кромка 5 может быть жестко укреплена на трубчатой опоре 23, и в этом случае она образует дополнительную основную режущую кромку. Центрирующая режущая кромка 5 образована несколькими зубьями.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.8. Устройство содержит запорный элемент 20, с помощью которого может быть закрыто отверстие 11 в держателе 13 рабочего инструмента. Этот запорный элемент 20 выполнен в виде заслонки, расположенной на стороне держателя 13 рабочего инструмента, обращенной наружу от внутренней полости буровой трубы 1. Запорный элемент 20 установлен на держателе 13 рабочего инструмента с возможностью поворота, например, с помощью опоры скольжения или качения. На поворотном запорном элементе 20 предусмотрена жестко укрепленная основная режущая кромка 50.
Для запирания отверстия 11 буровую трубу заглубляют в грунт, так что основная режущая кромка 50 врезается в целик грунта. После этого буровую трубу 1 приводят во вращение. Вследствие внедрения основной режущей кромки 50 в грунт и создающегося в результате этого трения запорный элемент 20 не поворачивается вместе с буровой трубой 1, так что осуществляется относительный поворот между этим запорным элементом 20 и буровой трубой 1 с отверстием 11. Это перемещение происходит до тех пор, пока отверстие 11 не будет желательным образом закрыто или открыто запорным элементом 20.
Для получения в процессе работы жесткого кинематического соединения поворотной основной режущей кромки 50 с буровой трубой 1 в примере выполнения по фиг.8 предусмотрены средства фиксации, не показанные на чертеже. Они могут управляться дистанционно, в частности открываться или запираться с поверхности Земли. Средства фиксации могут содержать, например, стопоры или пальцы.
Запорный элемент 20 выполнен в виде пластины в форме сегмента круга с плоской поверхностью со стороны внутренней полости буровой трубы 1. Прилегающая к ней сторона держателя 13 рабочего инструмента, обращенная наружу от буровой трубы, также выполнена плоской. За счет этого надежно обеспечивается то, что при работе запорного элемента 20 между ним и держателем 13 рабочего инструмента проникает относительно небольшое количество грунтового материала и снижается опасность заклинивания и износа.
В примере выполнения по фиг.8 зубья 4, образующие основную режущую кромку 50, расположены наклонно непосредственно на запорном элементе 20 типа заслонки.
Проточка 10 для прохода центральной трубы 8, не показанной на фиг.8, проходит насквозь через держатель 13 рабочего инструмента и поворотно установленный на нем запорный элемент 20. Эта проточка 10 позволяет также и при закрытом отверстии 11 при вытягивании буровой трубы вводить материал заполнителя через ее торец в образованное полое пространство.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.9. Как и в примере выполнения по фиг.8, здесь также предусмотрен запорный элемент 20, установленный на торцевой стороне держателя 13 рабочего инструмента с возможностью поворота относительно него и буровой трубы 1 и выполненный в виде заслонки с расположенной на ней основной режущей кромкой 50. Дополнительно в примере выполнения по фиг.9 на держателе 13 рабочего инструмента предусмотрены упоры 24, 25, которые ограничивают угол поворота запорного элемента 20 относительно держателя 13 рабочего инструмента и буровой трубы 1.
В примере выполнения по фиг.9 закрытие или открытие отверстия 11 запорным элементом 20 также производится посредством поворота буровой трубы 1. При этом запорный элемент 20 вследствие трения между ним и грунтом также не поворачивается вместе с буровой трубой, что вызывает относительное перемещение между запорным элементом 20 и отверстием 11. Однако из-за наличия упоров 24, 25 поворот запорного элемента 20 с основной режущей кромкой 50 относительно буровой трубы 1 ограничен угловой областью. По достижении края этой угловой области запорный элемент 20 упирается в упор 24, 25 и захватывается буровой трубой 1 для совместного вращения. После этого основная режущая кромка 50 следует за вращением буровой трубы 1 и может разрабатывать целик грунтового материала. Упоры 24, 25 расположены таким образом, что при вращении буровой трубы 1 в направлении резания основной режущей кромки 50 они удерживают запорный элемент 20 в открытом положении, в котором отверстие 11 открыто, а при вращении в направлении, противоположном направлению резания основной режущей кромки 50, запорный элемент 20 удерживается в запорном положении и перекрывает отверстие 11.
В представленном примере выполнения упоры 24, 25 предусмотрены на держателе 13 рабочего инструмента. Дополнительно или альтернативно упоры могут быть расположены на буровой трубе 1 и/или на запорном элементе 20.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.10. Оно также содержит запорный элемент 20 для перекрытия отверстия 11. В отличие от примера выполнения по фиг.8 и 9 здесь основная режущая кромка 50 выполнена не непосредственно на плоском листовом запорном элементе 20. Вместо этого на запорном элементе 20 жестко укреплена винтовая лопасть 16, на торцевой стороне которой выполнена основная режущая кромка 50. При этом винтовая лопасть 16 и основная режущая кромка 50 выполнены аналогично примеру осуществления по фиг.7. Ограничение угла поворота запорного элемента 20 может обеспечиваться средствами фиксации и/или упорами (не показаны).
Как и в примере по фиг.7, здесь также на торцевой стороне устройства предусмотрена трубчатая опора 23', вокруг которой проходит винтовая лопасть 16. В примере выполнения по фиг.10 трубчатая опора 23' расположена на запорном элементе 20. В трубчатой опоре 23' установлена не показанная здесь центральная труба транспортирующего шнека. Сбоку на трубчатой опоре 23' предусмотрено выпускное отверстие 19 для выпуска материала заполнителя из центральной трубы. Открытие или закрытие выпускного отверстия 19 может удобным образом обеспечиваться осевым перемещением центральной трубы, заходящей в трубчатую опору 23', относительно этой трубчатой опоры 23'.
В представленном примере выполнения на трубчатой опоре 23' расположен направляющий режущий инструмент 50'', также образующий основную режущую кромку.
На фиг.11-13 представлено устройство по изобретению в следующих примерах выполнения, в которых в устройстве предусмотрены две спиральные основные режущие кромки 50, 50', выполненные в виде прогрессивных спиральных режущих кромок. Эти прогрессивные спиральные кромки 50, 50' образованы зубьями 5, расположенными на прогрессивной спиральной лопасти 26.
В примере выполнения по фиг.12 предусмотрен поворотный относительно буровой трубы 1 запорный элемент 20 для запирания отверстия 11. На этом запорном элементе 20 у кромки сквозного отверстия расположена дополнительная линейная основная режущая кромка 50'''.
В примере выполнения по фиг.13 на лопасти 26 на центральной оси буровой трубы 1 расположена дополнительная основная режущая кромка 50'', выполненная в виде направляющей режущей кромки.
Устройство по изобретению в следующем примере выполнения показано на фиг.14. Здесь основные режущие кромки 50, 50' выполнены на наклонных пластинах 33.