СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
EARTHWORKS STRENGTHENING METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области строительства, в том числе транспортного, дорожного и гидротехнического, и может быть использовано для укрепления земляных сооружений различного назначения, в том числе насыпей земляного полотна, дамб, откосов земляных сооружений, предназначенных для строительства на них различных сооружений и т.п. объектов, возводимых на слабых, в том числе болотистых грунтах.
Задачу снижения трудо- и материалозатрат, сокращение сроков производства работ, повышения надежности укрепления и долговечности укрепляемых конструкций при обеспечении возможности выполнения работ по укреплению земляных сооружений с откосами любой крутизны и в условиях строительства или укрепления земляных сооружений, расположенных на слабом, в том числе болотистом основании, а также уменьшения величины упругих колебаний земляного сооружения до заданного нормативного значения решает СПОСОБ УКРЕПЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ по патенту RU 2114957, опубл.: 10.07.1998.
Решение выбрано за прототип.
Способ по прототипу включает бурение с использованием обсадных труб скважин вдоль сооружения с прорезкой его тела, подстилающего слоя торфа и заглублением в минеральное дно. Затем в скважины последовательно опускают рабочий электрод, который подключают к электроимпульсной установке, заполняют скважины твердеющим материалом и производят электрические разряды в уровне нижней части скважины и по мере его подъема до образования вдоль рядов скважин противофильтрационных стенок из образующихся примыкающих вплотную друг к другу или секущихся свай. Устройство для укрепления включает подвижную платформу, состоящую из четырех соединенных гибкой связью секций и опор в виде двух рядов труб, расположенных вдоль сооружения в пробуренных скважинах. Трубы наиболее удаленного от продольной оси сооружения ряда образуют поддерживающие элементы опор, а трубы другого ряда образуют обсадные элементы для производства работ по укреплению. На первой по ходу секции платформы размещен буровой станок, на двух следующих - электроимпульсная установка и тяговые лебедки для перемещения платформы, а на последней секции - поворотный кран для извлечения труб из скважин.
При всех достоинствах решения по прототипу в части снижения трудо- и материалозатрат, сокращения сроков производства работ и повышения качества укрепления и долговечности сооружения оно обладает рядом недостатков. В частности, по ходу производства работ секции платформы, где размещен буровой станок и поворотный кран для извлечения из скважин труб, образующих поддерживающие и обсадные элементы опор, сами трубы являются инвентарными и после извлечения из скважин эти трубы посылают на первую секцию платформы для повторного использования.
Однако процесс извлечения труб краном сопряжен с рядом неудобств. Требуется обхват труб и в процессе подъема из вязкого и глинистого грунта они выскальзывают из обхвата. Решением проблемы извлечения труб явилось бы их удержание крюком крана посредством некоего приспособления на трубе, но подобных решений в прототипе не описано. Однако, даже при наличии некоего крюка, он создавал бы неудобство при транспортировке труб и при их погружении в заранее пробуренное отверстие. Кроме того, процесс погружения труб в заранее пробуренное отверстие чреват рядом проблем при наличии близко расположенных к поверхности грунтовых вод. В частности, при бурении отверстия при низких отрицательных температурах бур проникает до уровня грунтовых вод, где вода не мерзлая. Однако, после погружения труб в отверстия, холод быстро проникает в них и вода замерзает, формируя ледовые массы внутри трубы, которые приводят к их замерзанию изнутри трубы, и в процессе извлечения трубы из грунта ее приходится поднимать вместе с этими водными массами. Попутно вокруг трубы внутри отверстия, куда она заглублена, также происходит замерзание вод. В результате подъем (извлечение) труб становится в условиях отрицательных температур задачей очень сложной.
Помимо этого решение по прототипу создано исключительно для выполнения работ в заболоченных грунтах, где заглубление производят в подстилающий слой торфа. Фактически же при укреплении земляных сооружений в зонах автодорог и железных дорог процентная доля заболоченных грунтов не доминирующая. Встречаются также задачи укрепления насыпей дорог в зонах грунтов вечной мерзлоты, тундры, сплошных и мерзлых песков и других.
Также недостатком прототипа является то, что процесс опускания в скважины последовательно рабочего электрода, который подключают к электроимпульсной установке, а затем заполнение скважины твердеющим электропроводным материалом - нерационален с практической точки зрения экономии времени. Связано это с тем, что опускание рабочего электрода до заполнения скважины твердеющим электропроводным материалом чреват тем, что возможно осыпание стенок скважины. Это приводит к лишнему времени и расходам на повторное бурение при осыпании скважин. Процесс можно существенно ускорить благодаря решению, отраженному в заявленном изобретении.
Недостатками устройства прототипа являются излишнее оборудование - поворотный кран и нерациональная длительность процесса бурения. В прототипе процесс бурения ведет только одна буровая установка, а поворотный кран вытаскивает трубы.
Задача изобретения состоит в устранении указанных проблем при одновременном сохранении всех преимуществ прототипа: снижении трудо- и материалозатрат, сокращении сроков производства работ, повышении надежности укрепления и долговечности укрепляемых конструкций при обеспечении возможности выполнения работ по укреплению земляных сооружений с откосами любой крутизны и в условиях строительства или укрепления земляных сооружений, расположенных на слабом, в том числе болотистом основании, а также уменьшении величины упругих колебаний земляного сооружения.
Техническим результатом изобретения является ускорение процесса производства работ при одновременном сохранении преимуществ прототипа, а также обеспечивается применение изобретения в условиях любых слабых и подвижных грунтов.
Указанная задача и технический результат обеспечиваются за счет того, что заявлен способ укрепления земляного сооружения, включающий бурение вдоль сооружения скважин, заполнение скважин твердеющим материалом и формирование стволов свай, при укреплении земляного сооружения, возведенного или возводимого на слабых или мерзлых грунтах, где скважины бурят с подвижной платформы, используют поддерживающие трубы, которые устанавливают рядами с наружных сторон путей с верхней поверхности земляного сооружения с прорезкой тела сооружения, подстилающего его слоя слабого или подвижного грунта и заглублением в подстилающий их прочный грунтовый слой, заполняют скважины твердеющим электропроводным материалом, опускают рабочий электрод, который подключают к электроимпульсной установке, производят заданное число электрических разрядов, отличающийся тем, что в каждой из поддерживающих труб, на которые опирают подвижную платформу с установленным оборудованием, выполняют не менее одного удерживающего и не менее одного водосточного отверстия, при этом за удерживающее отверстие цепляют крюк лебедки буровой установки и используют для извлечения и погружения труб из скважин или внутрь них соответственно, причем сначала каждую из скважин заполняют твердеющим электропроводным материалом, а затем в скважину опускают рабочий электрод и производят заданное число электрических разрядов.
В качестве твердеющего электропроводного материала предпочтительно используют мелкозернистый бетон.
Указанная задача и технический результат также обеспечиваются за счет того, что заявлено устройство для укрепления земляного сооружения, включающее подвижную несущую металлическую платформу, установленную на опоры, и оборудование для производства работ по укреплению, электроимпульсную установку для производства электрических разрядов в скважинах при укреплении грунта и тяговые лебедки перемещения платформы на заданный расчетный шаг, платформа по длине выполнена составной из нескольких секций, а опоры - в виде труб, расположенных вдоль земляного сооружения в пробуренных двумя рядами скважинах, причем на первой по ходу производства работ секции платформы размещен буровой станок, отличающееся тем, что на последней секции установлен дополнительный буровой станок, лебедка которого имеет функцию извлечения из скважин труб, образующих поддерживающие элементы опор.
В результате реализации изобретения создаются буроинъекционные сваи с опрессовкой ствола посредством серии высоковольтных электрических разрядов, которые значительно увеличивают диаметр сваи, уплотняют уложенный бетон, уплотняют основание под пятой и боковой поверхностью сваи, а также приводят к цементации грунта вокруг ствола сваи и увеличивают угол внутреннего трения грунтов сложения вокруг сваи, что положительно сказывается на устойчивости земляного сооружения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана схема передвижного механизированного комплекса для укрепления земляного сооружения в смонтированном виде, где 1 - Буровой станок с платформой и шевром, 2 - Электростанция резервного электроснабжения, 3 - Буровой инструмент, 4 - Сварочный пост, 5 - Распределительный эл./щит, 6 - Тяговая лебедка, 7 - Компрессор, 8 - Электроимпульсная установка, 9 - Склад цемента, 10 - Резервуар для воды, 11 - Склад песка, 12 - Пневморастворный узел с бетоноводом, 13 - Дополнительный буровой станок, 14 - Свайные ряды, 15 - Опора ЛЭП, 16 - Ригель, 17 - Дистанция между секциями, 18 - Линии ЛЭП, I - Платформа передняя, II - Платформа средняя, III - Платформа средняя, IV - Платформа задняя.
На Фиг. 2 показан поперечный разрез установки передвижного механизированного комплекса на примере в сечении среза грунта и ж/д полотна, где 19 - Технологические подъемы на передвижные подмостки для прохода рабочих и доставки материалов, 20 - Платформы I, II, III, IV, 21 - Трубы поддерживающие.
На Фиг. 3 показан вид поддерживающих труб, где 22 - Удерживающий трос, 23 - Крюк или иной зацеп лебедки, 24 - Отверстие для фиксации крюка на краю трубы, 25 - Водосливное отверстие в трубе.
На Фиг. 4 показана технологическая схема работ в скважине поэтапно, где 26 - Зона формирования уширения сваи за счет серии высоковольтных разрядов, 27 - Скважина, 28 - Бетоновод, 29 - Рабочий электрод, 30 - Металлический каркас, 31 - Ростверк.
Осуществление изобретения
Способ укрепления земляного сооружения (см. Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 4), возведенного или возводимого на болотах, слабых, подвижных и зыбких грунтах, осуществляют путем бурения вдоль сооружения скважин 27, в которые затем опускают поддерживающие трубы 21 рядами 14 с наружных сторон путей или дороги, расположенных на сооружении. Скважины 27 прорезают тело земляного сооружения, подстилающий его слой торфа, песка или иного слабого основания и заглублены в подстилающий слой прочного грунта.
Далее в скважину опускают бетоновод 28 до забоя скважины, заполняют скважины 27 твердеющим электропроводным материалом, в качестве твердеющего электропроводного материала используют, например, мелкозернистый бетон (пескобетон).
Затем в скважину опускают рабочий электрод 29, который подключают к электроимпульсной установке 8, и производят заданное число электрических разрядов при расположении электрода в нижней части скважины и по мере его подъема до образования вдоль рядов скважин противофильтрационных стенок из образующихся примыкающих вплотную друг к другу или секущихся свайных рядов 14.
Важность опускания рабочего электрода после заполнения скважины твердеющим электропроводным материалом основана на том, что это исключает осыпание стенок скважины и гарантирует цельность скважины. В отличии от прототипа, где предварительное опускание рабочего электрода до заполнения скважины твердеющим электропроводным материалом приводит к осыпанию стенок скважины, в заявленном решении эта проблема устранена, что позволяет резко сократить время и расходы на повторное бурение при осыпании скважин.
Устройство для укрепления земляного сооружения содержит подвижную несущую металлическую платформу, выполненную из нескольких секций (на чертежах показан пример из четырех секций I, II, III, IV, соединенных гибкой связью. Платформа установлена на опоры 21, которые выполнены в виде двух рядов труб, расположенных вдоль сооружения.
Трубы 21 образуют поддерживающие элементы опоры, из которых при необходимости трубы, расположенные в наименее удаленном от продольной оси сооружения ряду, могут быть использованы для производства работ по укреплению земляного сооружения и именно в этом ряду скважин образуют примыкающие вплотную друг к другу или секущиеся сваи 14.
На первой по ходу производства работ секции I платформы размещен буровой станок 1, на этой же секции I или следующих II, III - электроимпульсная установка 8, при необходимости питающаяся от резервной электростанции 2 и служащая для производства электрических разрядов в скважинах при укреплении грунта, и тяговые лебедки 6 для перемещения платформы секций I, II, III, IV на заданный расчетный шаг, а на последней секции вместо поворотного крана устанавливают дополнительный буровой станок 13, лебедку которого используют для извлечения из скважин труб 21, образующих соответственно поддерживающие элементы опор. Благодаря установке вместо поворотного крана дополнительного бурового станка 13 на конце платформы, удается ускорить процесс бурения в два раза, поскольку выполнять бурение можно не только передним буровым станком 1, но и последним 13 одновременно.
Трубы 21 являются инвентарными и после извлечения из скважин эти трубы посылают на первую секцию I платформы для повторного использования.
Новизной изобретения является то, что в каждой из поддерживающих труб 21, на которые опирают буровую установку, выполняют (см. Фиг. 3) не менее одного удерживающего 24 и не менее одного водосточного отверстия 25, при этом за удерживающее отверстие 24 цепляют с помощью троса 22 крюк 23 лебедки дополнительного бурового станка 13 буровой установки и используют для извлечения и погружения труб 21 из скважин 27 или внутрь них соответственно; при этом рабочий электрод 29 опускают после заливки скважины твердеющим электропроводным материалом.
Перемещение платформы производят по роликам с ригелями 16 с помощью лебедки 6. Это снижает затраты на перенос и повторную укладку направляющих под нос платформы в направлении ее движения и позволяет отказаться от них. Причем ригели 16 установлены и закреплены на опорных трубах 21, что позволяет формировать опоры для перемещения платформы только из опор 21 и ригелей 16 с роликами.
На платформе могут быть также установлены: сварочный пост 4, распределительный эл./щит 5, компрессор 7, склад цемента 9, резервуар для воды 10, склад песка 11, пневморастворный узел 12 с бетоноводом.
При установке платформ они могут размещаться на незначительном расстоянии от опор 15 ЛЭП и рабочие органы платформы не задевают линии ЛЭП 18. При этом платформа размещается на скате дороги или уклона дорожного полотна, что позволяет вести работы вдоль автодорог непрерывно без остановки движения автомобильного транспорта или вдоль железных дорог непрерывно без остановки движения составов поездов.
Технический результат ускорения и упрощения производства работ достигается за счет:
- упрощения процесса извлечения и погружения труб 21, являющихся поддерживающими элементами опор; посредством использования отверстий 24 трубу легко извлекают из скважины и погружают в скважину, а за счет наличия водосливных отверстий 25 вода не застаивается внутри труб, когда при морозе верхний слой воды замерзает, образуя ледовую пробку, что позволяет в процессе извлечения трубы из грунта поднимать трубу без водных масс, которые вытекают через отверстия 25;
- за счет того, что рабочий электрод 29 опускают после заливки скважины 27 бетоном (это позволяет исключить осыпание стенок скважины и гарантирует цельность скважины, что в свою очередь позволяет резко сократить время и расходы на повторное бурение при осыпании скважин);
- за счет того, что на последней секции установлен дополнительный буровой станок 13, посредством которого удается ускорить процесс бурения в два раза и лебедка которого имеет функцию извлечения из скважин труб 21, образующих поддерживающие элементы опор (т.е. дополнительный буровой станок 13 выполняет одновременно функцию поворотного крана и бурового станка).
Работы по устройству армогрунтовых конструкций ведутся по разрядно-импульсной технологии.
Весь комплекс работ по устройству свай выполняется передвижным механизированным комплексом (ПМК), который представляет собой металлические площадки с установленным на них технологическим оборудованием. Конструкция ПМК позволяет перемещаться вдоль железнодорожного полотна по пересеченному профилю и грунтам с низкой несущей способностью, что дает возможность эффективно выполнять работы по усилению земляного полотна без предоставления «окон» в движении поездов. Монтаж металлоконструкций и оборудования передвижного механизированного комплекса (ПМК) в связи со стесненностью строительной площадки выполняется преимущественно «с колес» с применением автокрана или мотовоза и включает выполнение следующих технологических операций:
- Бурение с помощью бура скважин заданной глубиной и диаметром с заданным шагом примерно по 10 свай в каждом ряду.
- Опускание в скважину труб диаметром, который меньше диаметра пробуренной скважины с отметкой верха трубы, например на 0,8 м выше поверхности, монтаж башмаков на трубы и раскрепление труб диагональными раскосами.
- Монтаж на установочные трубы ригелей со стаканами и двух готовых секций платформы с помощью автокрана или мотовоза.
- Монтаж на секции платформы бурового станка, мачты, лебедки перемещения с помощью автокрана или мотовоза.
- Перемещение платформы с помощью лебедки на один шаг и повторение операций по предыдущим этапам.
- После перемещения комплекса на 9 шагов производится монтаж оставшихся секций платформы с помощью автомобильного или ж.д. крана.
- Монтаж на установленные секции с помощью автомобильного или ж.д. крана оставшегося оборудования.
- После прохождения всего комплекса и освобождения труб трубы извлекаются, скважины заполняются приготовленным бетоном либо затрамбовываются выбуренным грунтом.
Схема организации на смонтированном ПМК строительной площадки приведена на Фиг. 1, Фиг. 2.
При изготовлении армогрунтовых конструкций по разрядно-импульсной технологии предусматриваются следующие основные операции: шнековое бурение скважин, бетонирование, армирование и устройство уширения свай высоковольтными электрическими разрядами. Бурение скважин может выполняться непрерывной шнековой колонной (так называемыми полыми шнеками, состыкованными в одну колонну). «Полый» шнек представляет из себя трубу с навитой по спирали поверхностью металлической полосы, реборды и позволяет бурить скважину, а далее ее бетонировать, подавая бетонную смесь к устью скважины непосредственно через полый шнек.
После монтажа ПМК и перебазирования его к началу свайного ряда производится выверка бурового станка по осям, и осуществляется изготовление свай, например, в следующей технологической последовательности производственных операций (см. Фиг. 4)
A. Буровым станком на передней платформе осуществляется шнековое бурение (частичное разбуривание) скважин 27 с проектным шагом и глубиной 3,0 м. Шнековое бурение технологических (опорных, т.е. необходимых только для перемещения ПМК) скважин глубиной 3,0 м.
На этом этапе крепление скважин производят трубами-стойками ∅273 на глубину 3 метра с выпуском над поверхностью на проектную высоту. Установка труб-стоек в технологических (опорных) скважинах на глубину 3,0 м с выпуском над поверхностью на проектную высоту.
По мере продвижения ПМК буровым станком на задней площадке производится извлечение труб-стоек и добуривание ранее пробуренных по п. 1 скважин до проектной глубины с одновременной обсадкой буровой скважины непрерывной шнековой колонной.
Осуществляется приготовление мелкозернистого бетона.
B. Заполнение скважины бетоном через непрерывную шнековую колонну, которая по сути своей также выполняет функции бетоновода.
C. Погружение электроразрядника 29 в забетонированную скважину 27 до забоя и выполнение серии высоковольтных электрических разрядов (ВЭР), замер падения уровня бетона в скважине.
D. Подъем рабочего органа на расчетный шаг Δh. Подъем электроразрядника на следующий горизонт из заданных проектом, выполнение разрядов, замер падения уровня бетона, подливка бетона в скважину.
E. Повторение операций D на каждом горизонте.
F. Установка в скважину металлического каркаса 30, изготовленного до начала буровых работ.
Н-I. Устройство ростверка 31.
В дальнейшем производят перемещение буровых станков для бурения следующих технологических и рабочих скважин.
Бурение скважин осуществляется буровыми станками на задней площадке и буровыми станками на передней площадке.
Учитывая геологическое состояние грунтов насыпи, технологические сваи бурятся с шагом 2,4 м × 1,6 м на глубину 3 м. В случае осадки комплексов шаг бурения скважин уменьшается (1,6×1,6 м).
Подъем каркаса и установка его в скважину производится буровым станком в период отсутствия поезда на подходах к месту работ в пределах видимости.
Для бетонирования армогрунтовых конструкций - свай - может использоваться, например, бетонная смесь мелкозернистого бетона класса прочности на сжатие В22,5, марки по удобоукладываемости П4 (осадка стандартного конуса 18-20 см), обозначение БСМ В22,5 П4 ГОСТ 7473-2010. Для приготовления бетонной смеси используется песок для строительных работ, соответствующий ГОСТ 8736-93, класс 1 средней или крупной группы крупности, портландцемент марки не ниже М 400, соответствующий ГОСТ 22266-94 и ГОСТ 30515-97.
Приготовление бетона выполняется в построечных условиях, непосредственно на платформе ПМК. Контроль удобоукладываемости бетонной смеси производится перед укладкой бетона при помощи стандартного конуса по ГОСТ 10181-2000. Для надежного сцепления бетона в рабочем шве поверхность ранее уложенного монолита тщательно обрабатывают: кромку схватывания бетона очищают от цементной пленки, протирая проволочными щетками, и промывают струей воды. Особенно тщательно обрабатывают поверхность вокруг выпусков арматуры.
Очищенную поверхность стыка и арматуры перед началом бетонирования покрывают цементным раствором.
Вместо сборных подпорных железобетонных стен ставится ростверк, что значительно упрощает производство работ и ускоряет их. Ростверк 31 объединяет ряды свай и при необходимости на самом ростверке можно возвести опорные стенки.
Заключительный период строительства
На заключительном этапе строительства производятся работы по устройству щебеночной засыпки между конструкциями стен и насыпью, демонтажу и вывозу оборудования, уборке мусора и проведению рекультивации земельного участка, использовавшегося в процессе строительства.
Перед демонтажем ПМК комплекс отключается от электроснабжения. Далее все оборудование без разборки снимается с платформы с помощью крана, погружается в автотранспорт. Затем краном снимаются площадки комплекса с ригелей, грузятся в авто- или ж.д. транспорт. После демонтажа площадок краном снимаются ригеля, выдергиваются с помощью лебедки дополнительного бурового станка 13 трубы за отверстия 24, выполненные в них, и грузятся в автотранспорт. Затем все снятое оборудование, площадки, ригели и трубы вывозятся на склад подрядчика или на новый объект.
Все временные здания и сооружения перед демонтажем отключается от электроснабжения. Далее все домики и другие сооружения с помощью крана погружаются в автотранспорт и вывозятся на склад подрядчика или на новый объект.
Производство работ в зимний период
При изготовлении бетона для заливки свай в зимних условиях (температура ниже плюс 5°C) необходимо использовать только горячую воду для затворения. При наличии возможности желательно также прогревать заполнители. Вода для приготовления бетона допускается температурой до 70°C, а бетон при заливке может быть 35°C. Для предотвращения вымерзания воды при минусовых температурах в бетонную смесь в процессе перемешивания добавляется противоморозная добавка.