СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРУБЫ ОТ ГРУНТОВОГО КЕРНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR REMOVING SOIL CORE FROM PIPE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Техническое решение относится к горной и строительной технике и предназначено для очистки труб от грунтового керна при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций.
Известен способ бестраншейной прокладки подземной коммуникации по авт. свид. СССР №802464, Е02F 5/18, опубл. в БИ №5, 1981 г., основанный на забивании трубы в грунт и удалении его из трубы под действием сообщаемых ей ударов. После забивания трубы на требуемую глубину ударное воздействие на нее прекращают, трубу стопорят и затем возобновляют на нее ударное воздействие.
Недостатком этого способа является снижение производительности в пределе до нуля к концу процесса, неустойчивость процесса и невозможность полной очистки трубы от грунта, т.к. по мере очистки грунт перераспределяется по всей длине трубы, высота слоя грунта снижается, поэтому силы трения, обеспечивающие перемещение грунта по трубе, уменьшаются.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ очистки трубы от грунтового керна по патенту РФ №2130997, Е02F 5/18, опубл. в БИ №15, 1999 г., включающий приложение статических усилий к грунтовому керну, перемещение и выдавливание его из трубы, при котором одновременно с приложением статических усилий к грунтовому керну воздействуют продольными возвратно-поступательными силовыми импульсами на трубу. Статическое усилие к грунтовому керну прикладывают со стороны переднего торца трубы, а продольные возвратно-поступательные импульсы - со стороны заднего торца трубы. При этом трубу фиксируют от продольных перемещений.
Под действием продольных возвратно-поступательных импульсов труба продолжит движение относительно грунтового массива, и ее передний торец начнет заглубляться в стенку приямка. Фиксация трубы, т.е. введение жесткой связи между грунтовым массивом и трубой, препятствует осевым колебаниям трубы. Труба не двигается относительно грунтового керна, т.е. не происходит их относительного проскальзывания, и грунтовый керн движется в направлении очистки только за счет действия статической выдавливающей силы. Фиксация трубы в значительной мере снижает производительность очистки.
Известно устройство для очистки трубы от грунта, реализующее способ бестраншейной прокладки подземной коммуникации по авт. свид. СССР №802464, Е02F 5/18, опубл. в БИ №5, 1981 г., содержащее ударный механизм, смонтированный на заднем конце трубы при помощи переходника. Грунт удаляется из трубы через отверстие в переходнике.
Недостаток такого устройства в том, что оно не обеспечивает устойчивость процесса и возможность полной очистки трубы. Движение грунтового керна в направлении разгрузки имеет место в узком диапазоне значений силы трения межу грунтовым керном и трубой. При больших значениях образуется грунтовая пробка, а при меньших - грунтовый керн колеблется внутри трубы.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство для очистки трубы от грунтового керна по патенту РФ №2130997, Е02F 5/18, опубл. в БИ №15, 1999 г. Оно содержит установленный в трубе поршень с приводом, а также смонтированный на трубе генератор продольных возвратно-поступательных силовых импульсов. Устройство снабжено фиксатором от продольных перемещений, расположенным на боковой поверхности трубы.
Если не фиксировать трубу, то она будет перемещаться в грунтовом массиве и очистка будет невозможна. Жесткий фиксатор препятствует колебательному движению трубы под действием ударных импульсов, вследствие чего отсутствует относительное перемещение трубы и грунтового керна, т.е. грунтовый керн движется только за счет статической выдавливающей силы. Такая очистка трубы малопроизводительна.
Решаемая техническая задача заключается в увеличении производительности процесса очистки за счет увеличения интенсивности колебаний трубы под действием возвратно-поступательных силовых импульсов путем изменения структуры колебательной системы.
Задача решается тем, что в способе очистки трубы от грунтового керна, включающем одновременное периодическое ударное воздействие на трубу, забитую в грунтовый массив открытым концом на всю длину перехода, и противоположно направленное воздействие статической выдавливающей силы на грунтовый керн через расположенный в передней части трубы поршень, согласно предлагаемому техническому решению указанные воздействия осуществляют при наличии упругой связи между трубой и грунтовым массивом.
Такое изменение структуры колебательной системы «пневмомолот - труба с грунтовым керном - грунтовый массив» приводит к возрастанию интенсивности колебаний, т.е. труба движется после каждого ударного воздействия, а грунтовый керн, проскальзывая относительно трубы, перемещается в направлении разгрузки. Это приводит к увеличению производительности процесса очистки.
Целесообразно смещения трубы относительно грунтового массива в направлении действия указанной статической выдавливающей силы лимитировать жестким ограничителем. Это обеспечивает повышение производительности: после контакта трубы с жестким ограничителем грунтовый керн под действием силы инерции и воздействия статической выдавливающей силы продолжает перемещение в направлении разгрузки, что приводит к увеличению относительного перемещения трубы и грунтового керна за цикл.
Целесообразно в грунтовый керн через поршень в процессе очистки подавать смачивающую жидкость. Это позволяет повысить производительность за счет снижения коэффициента трения в паре «труба - грунтовый керн».
Целесообразно подачу смачивающей жидкости осуществлять в полость между грунтовым керном и поршнем. Это обеспечивает более полное смачивание всей поверхности контакта грунтового керна и трубы, что приводит к большему снижению силы трения. Происходит увеличение производительности очистки трубы.
Задача решается также тем, что устройство для очистки трубы от грунтового керна, включающее пневмомолот, воздействующий на трубу, забитую в грунтовый массив открытым концом на всю длину перехода, и размещенный в передней части трубы поршень, согласно предлагаемому техническому решению имеет упругую связь между трубой и грунтовым массивом.
Упругая связь ограничивает перемещение трубы вперед, а также возвращает ее в предударное положение. Она позволяет трубе перемещаться вперед под действием периодического ударного воздействия и вместе с тем проскальзывать относительно грунтового керна. Как только труба останавливается, упругая связь начинает перемещать ее в обратном направлении, преодолевая силы трения в паре «труба - грунтовый массив». После следующего удара цикл повторяется. Таким образом, упругая связь образует колебательную систему «пневмомолот - труба с грунтовым керном - грунтовый массив». Это означает, что под действием ударов труба проскальзывает относительно грунтового керна, находящегося внутри, обеспечивая тем самым более высокую производительность выхода грунтового керна из трубы.
Целесообразно, чтобы упругая связь представляла собой оболочку, заполненную сжатым воздухом и размещенную между двух опор, одна из которых зафиксирована на трубе, а другая уперта в грунтовый массив. Это позволяет регулировать амплитуду колебаний системы «пневмомолот - труба с грунтовым керном - грунтовый массив», добиваясь ее максимального значения при условии возврата трубы в исходное положение под действием энергии, накопленной упругой связью. Чем выше амплитуда колебаний, тем больше относительное перемещение грунтового керна и трубы за один удар.
Целесообразно снабдить устройство жестким ограничителем обратного движения трубы. Это позволит увеличить относительное перемещение грунтового керна и трубы за счет того, что после жесткой остановки трубы в момент контакта ее с жестким ограничителем грунтовый керн продолжает движение в направлении разгрузки.
Целесообразно в трубе размещать заглушку, образующую с поршнем камеру, при этом камеру соединить с источником сжатого воздуха. Давление сжатого воздуха в этой камере создает статическую выдавливающую силу, а реакция от этой силы воспринимается не грунтовым массивом, а трубой через закрепленную в ней заглушку. В этом случае статическая выдавливающая сила не будет создавать сопротивления движению трубы вперед при действии на нее периодического ударного воздействия и будет способствовать увеличению перемещения грунтового керна относительно трубы.
Целесообразно устройство снабдить гибким трубопроводом, один конец которого протянут сквозь поршень и закреплен в нем, а другой конец соединен с резервуаром со смачивающей жидкостью. Это позволяет смачивать грунтовый керн в процессе очистки и снизить силу трения в паре «труба - грунтовый керн».
Целесообразно при этом между грунтовым керном и поршнем образовать полость. Эта полость заполняется смачивающей жидкостью. При этом происходит более полное смачивание всей поверхности контакта грунтового керна и трубы, что приводит к более значительному снижению силы трения. Происходит увеличение производительности очистки трубы.
Сущность технического решения иллюстрируется примерами реализации и конкретного исполнения и чертежами.
На фиг.1 изображена схема очистки трубы от грунтового керна при одновременном периодическом ударном воздействии на трубу, забитую в грунтовый массив открытым концом на всю длину L перехода и соединенную с грунтовым массивом упругой связью, и противоположно направленном воздействии статической выдавливающей силой F через поршень на грунтовый керн.
На фиг.2 изображена схема, в которой упругая связь выполнена в виде оболочки, заполненной сжатым воздухом и размещенной между двух опор, одна из которых зафиксирована на трубе, а другая уперта в грунтовый массив.
На фиг.3 изображена схема с жестким ограничителем движения трубы в обратном направлении.
На фиг.4 изображена схема, в которой статическую выдавливающую силу F создают путем подачи сжатого воздуха в камеру между поршнем и заглушкой.
На фиг.5 представлено то же, с подачей смачивающей жидкости в грунтовый керн.
На фиг.6 изображена схема, в которой перед поршнем имеется полость для смачивающей жидкости.
Устройство содержит пневмомолот 1, воздействующий на трубу 2 (фиг.1) с грунтовым керном 3, забитую открытым концом на всю длину L перехода в грунтовый массив 4, и установленный в передней части трубы 2 поршень 5. Труба 2 соединена с грунтовым массивом 4 упругой связью 6. Упругая связь 6 может быть оболочкой 7 (фиг.2), заполненной сжатым воздухом и размещенной между двух опор, одна из которых зафиксирована на трубе 2, а другая уперта в грунтовый массив 4. На наружной поверхности трубы 2 может быть закреплен жесткий ограничитель 8 (фиг.3), при этом упругая связь 6 поджата с силой, превышающей силу трения между трубой 2 и грунтовым массивом 4. В передней части трубы 2 может быть установлена заглушка 9 (фиг.4), образующая с поршнем 5 камеру, соединенную с источником (поз. не обозначен) сжатого воздуха. Устройство может быть снабжено гибким трубопроводом 10 (фиг.5), один конец которого протянут сквозь поршень 5 и закреплен в нем, а другой конец соединен с источником 11 смачивающей жидкости. Для более равномерного смачивания поверхности контакта грунтового керна 3 и трубы 2 (фиг.6) межу грунтовым керном 3 и поршнем 5 образована полость (поз. не обозначена).
Способ очистки трубы от грунтового керна реализуют с помощью устройства того же назначения следующим образом.
С помощью пневмомолота1 трубе 2 с грунтовым керном 3, забитой в грунтовый массив 4 открытым концом на всю длину L перехода, сообщают периодическое ударное воздействие и одновременно воздействуют на грунтовый керн 3 статической выдавливающей силой F через поршень 5 (фиг.1). Под действием удара пневмомолота 1 труба 2 перемещается с ускорением вперед. Этому перемещению трубы 2 противодействуют силы трения трубы 2 о грунтовый массив 4 и грунтовый керн 3, статическая выдавливающая сила F, а также сила упругости упругой связи 6. Грунтовый керн 3, находящийся к моменту удара пневмомолота 1 в состоянии покоя, проскальзывает относительно трубы 2 под действием силы инерции и статической выдавливающей силы F на некоторое расстояние. После того как вся энергия удара пневмомолота 1 израсходована на преодоление внешних сил, труба 2 на мгновение останавливается и начинает движение в обратном направлении под действием силы упругости упругой связи 6. Поскольку ускорение обратного перемещения трубы 2 невелико по сравнению с ее послеударным ускорением, то статическая выдавливающая сила F компенсирует действие силы инерции грунтового керна 3, и труба 2 с грунтовым керном 3 двигаются в обратном направлении без относительного проскальзывания. Сила упругости упругой связи 6 должна быть такой, чтобы накопленной после удара энергии хватило на преодоление трения между трубой 2 и грунтовым массивом 4, и к моменту следующего удара труба 2 находилась в исходном положении. Эту силу можно изменять, если упругую связь 6 выполнить в виде оболочки 7 (фиг.2), заполненной сжатым воздухом, при изменении давления в которой меняется сила упругости. Следует также отметить, что периодическое ударное воздействие на трубу 2 значительно снижает коэффициенты трения в парах «труба - грунтовый керн» и «труба - грунтовый массив». Кроме того, одновременное периодическое ударное воздействие на трубу 1 и противоположно направленное воздействие статической выдавливающей силы F через поршень 5 на грунтовый керн 3 приводит к перераспределению влажности по поперечному сечению грунтового керна 3 с увеличением влажности пристеночного слоя. Такой эффект тоже приводит к снижению коэффициента трения в паре «труба - грунтовый керн» и увеличению производительности очистки.
Относительное перемещение грунтового керна 3 и трубы 2 может происходить и при обратном движении трубы 2. Для этого необходимо обеспечить жесткую остановку трубы 2 при помощи жесткого ограничителя 8 (фиг.3). В этом случае при обратном движении труба 2 резко остановится, а грунтовый керн 3 продолжит движение по инерции. В таком случае упругая связь 6 должна быть предварительно сжата, а сила предварительного сжатия должна быть больше, чем сила трения в паре «труба - грунтовый массив».
Для исключения отрицательного воздействия статической выдавливающей силы F на послеударное перемещение трубы 2 реакцию от действия этой силы F должна воспринимать труба 2, а не грунтовый массив 4. Это достигается установкой в передней части трубы 2 заглушки 9 и подачей сжатого воздуха в камеру (поз. не обозначена) между поршнем 5 и заглушкой 9 (фиг.4).
Коэффициент трения в паре «труба - грунтовый керн» является ключевым параметром процесса очистки трубы 2. Снижение этого коэффициента достигается подачей смачивающей жидкости (фиг.5) в грунтовый керн 3 через поршень 5 и гибкий трубопровод 10 от источника 11 смачивающей жидкости. При этом происходит увлажнение грунтового керна 3 и снижение трения в паре «труба - грунтовый керн».
Для равномерного распределения смачивающей жидкости по грунтовому керну 3 (фиг.6) можно создавать между грунтовым керном 3 и поршнем 5 полость, заполненную смачивающей жидкостью. В таком случае будет происходить увлажнение по всему поперечному сечению грунтового керна 3. Особое значение в этом случае имеет тот факт, что увлажняется зона контакта трубы 2 и грунтового керна 3 по всей поверхности контакта.