УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ГРУНТА

Изобретение относится к строительству, а именно устройствам для закрепления грунта, обеспечивающим введение в грунт закрепляющих веществ через полый буровой став.
Известно устройство для закрепления грунта, включающее полый буровой став с буровым наконечником, уплотнитель в виде герметичной трубы, сальник - вертлюг и питающую магистраль (Камбефор А. Инъекция грунтов. - М.: Энергия, 1971. - c.l37).
Недостаток данного устройства заключается в его низкой эффективности из-за неудовлетворительной герметизации зоны нагнетания, ввиду отсутствия перекрытия именно верха зоны нагнетания, и низкой производительности вследствие больших затрат времени собственно на сам процесс бурения грунта гладким буровым ставом, монтаж уплотнителя и прочее.
Наиболее близким к изобретению является устройство для закрепления грунта по способу (А.С. СССР №1113475, кл. E 02 D 3/12, 1984 г.), включающее уплотнитель, полый шнековый буровой став с буровым наконечником и сальником - вертлюгом для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль, состоящий из отдельных проходных шнеков, по крайней мере один из которых выполнен перфорированным, содержащих трубу с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль и реверсивные замковые соединения.
Недостаток этого устройства заключается в низкой эффективности из-за больших затрат времени и энергии на выполнение переподъема бурового става при перемещении разрыхленного грунта в верхнюю часть скважины и его уплотнения над перфорированным шнеком, необходимости установки уплотнителя на всех без исключения грунтах, а также повышенного износа непрерывной винтовой спирали шнека вследствие того, что последняя
вторично разрушает и перемещает сверху вниз уплотненный грунт (пробку), зачастую с наличием абразива, находящегося в закрепляющем веществе. При этом расположение отверстий перфорированного шнека в средней части межвиткового пространства непрерывной винтовой спирали не исключает случаев их забивания буровым шламом в процессе бурения, что ухудшает качество закрепления грунта, а отсутствие каких-либо ориентиров расположения отверстий в устройстве, находящемся в скважине, затрудняет осуществление направленной инъекции.
Изобретение направлено на повышение эффективности устройства для закрепления грунта, за счет того, что в устройстве для закрепления грунта, включающем полый шнековый буровой став, с буровым наконечником и сальником-вертлюгом для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль, состоящий из отдельных проходных шнеков, по крайней мере один из которых выполнен перфорированным, содержащих трубу с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль и реверсивные замковые соединения, в межвитковом пространстве проходного шнека, размещенном над перфорированным шнеком, закреплен, с возможностью поворота и перекрытия указанного пространства при реверивном вращении полого шнекового бурового става, криволинейный скребок, охватывающий трубу проходного шнека по наружному диаметру в направлении реверсивного вращения полого шнекового бурового става, а отверстия на трубе перфорированного шнека выполнены по ее длине последовательно, с шагом кратным шагу непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, и размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях, расположенных относительно друг друга под углом 120°, при этом один из рядов ориентирован на концы непрерывной винтовой спирали перфорированного шнека, внутрь отверстий установлены, с возможностью принудительной эвакуации при помощи закрепляющего вещества, эластичные пробки, а сами отверстия размещены под нерабочей поверхностью непрерывной винтовой спирали и снабжены по периметру
защитным козырьком. Кроме этого, все проходные шнеки, включая перфорированный, имеют одинаковую длину. Также, один конец криволинейного скребка шарнирно закреплен на трубе проходного шнека, а второй образует с ее наружной поверхностью гарантированный зазор. Также, поворот криволинейного скребка при реверсивном вращении полого шнекового бурового става ограничен посредством упоров, закрепленных соответственно на рабочей и нерабочей поверхностях непрерывной винтовой спирали проходного шнека.
Указанный способ закрепления грунта и устройство для его осуществления позволяют повысить эффективность закрепления грунта, за счет повышения долговечности полого шнекового бурового става, снижения энергоемкости и увеличения производительности, путем уменьшения времени создания и последующего транспортирования уплотненного грунта (пробки) на начальном и последних этапах, а также за счет улучшения условий эвакуации эластичных пробок из отверстий перфорированного шнека и обеспечения хорошего качества закрепления грунта, в том числе за счет совершенствования схемы обработки зоны нагнетания.
На фиг.1 показан полый шнековый буровой став в момент окончания процесса бурения на полную глубину зоны нагнетания I (после кратковременной очистки скважины); на фиг.2 показан полый шнековый буровой став в момент формирования грунтовой пробки; на фиг.3 показан полый перфорированный шнек; на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.3; на фиг.5 показан полый проходной буровой шнек с криволинейным скребком; на фиг.6 - разрез по Б-Б на фиг.5.
Устройство для закрепления грунта включает полый шнековый буровой став с буровым наконечником 1 и сальником-вертлюгом 2 для подачи закрепляющего вещества через питающую магистраль 3. Полый шнековый буровой став состоит из отдельных проходных шнеков 4, из которых по крайней мере один выполнен перфорированным 5, содержащих трубу 6 с одинаковым наружным диаметром, непрерывную винтовую спираль 7 и
реверсивные замковые соединения 8. В межвитковом пространстве проходного шнека 4, размещенном над перфорированным шнеком 5, закреплен, с возможностью перекрытия указанного пространства при реверсивном вращении полого шнекового бурового става, криволинейный скребок 9, у которого один конец 10 шарнирно связан с трубой 6 проходного шнека 4 и охватывает ее по наружному диаметру в направлении вращения полого шнекового бурового става, а другой 11 образует с наружной поверхностью этой трубы 6 гарантированный зазор δ. Поворот криволинейного скребка 9 при реверсивном вращении полого шнекового бурового става ограничен посредством упоров 12, размещенных соответственно на рабочей 13 и нерабочей 14 поверхностях непрерывной винтовой спирали 7 проходного шнека 4. По длине трубы 6 перфорированного шнека 5 выполнены последовательно отверстия 15, с шагом кратным шагу непрерывной винтовой спирали 7 перфорированного шнека 5, которые размещены в трех рядах, лежащих в плоскостях расположенных относительно друг друга под углом 120°. При этом один из рядов ориентирован на концы 16 непрерывной винтовой спирали 7 перфорированного шнека 5. Внутрь отверстий 15 установлены, с возможностью принудительной эвакуации при помощи закрепляющего вещества, эластичные пробки 17. Причем отверстия 15 размещены под нерабочей поверхностью 14 непрерывной винтовой спирали 7 и снабжены по периметру защитным козырьком 18.
Работает устройство следующим образом. На начальном этапе при помощи вращательно-подающего механизма буровой установки (не показан) производят бурение скважины полым шнековым буровым ставом на полную глубину зоны нагнетания I (количество перфорированных и полых проходных шнеков определяется проектом), в процессе которого криволинейный скребок 9 постоянно прижат к наружной поверхности трубы 6 непрерывным потоком разрыхленного грунта, перемещаемого рабочей поверхностью 13 непрерывной винтовой спирали 7 от бурового наконечника
1 снизу вверх к устью скважины 19. После достижения проектной глубины подача шнекового бурового става выключается, без прекращения его вращения, и осуществляется кратковременная очистка скважины (прошуровка), главным образом в зоне нагнетания I (фиг.1). Выбуренный в этот период грунт складируется вблизи устья 19 скважины в виде бурового шлама 20. Затем к верхнему концу полого шнекового бурового става (или к полому шпинделю вращателя) присоединяется сальник - вертлюг 2 с питающей магистралью 3 для подачи закрепляющего вещества в скважину. После этого осуществляется реверсирование полого шнекового бурового става в процессе которого производится перекрытие верха зоны нагнетания I путем перемещения разрыхленного грунта, находящегося на рабочей поверхности 13 непрерывной винтовой спирали 7, из верхней части скважины в ее нижнюю часть. Вследствие наличия гарантированного зазора δ между наружной поверхностью трубы 6 и концом 11 криволинейного скребка 9, движущейся вниз грунт поворачивает криволинейный скребок 9 относительно шарнира 10 до контакта с упорами 12. Криволинейный скребок 9 перекрывает своим телом межвитковое пространство непрерывной винтовой спирали 7 и обеспечивает уплотнение движущегося вниз грунта, формирующегося над перфорированным шнеком 5 в виде грунтовой пробки 21 (фиг.2). В зависимости от проектных решений, свойств и состояния грунта в скважину могут подаваться дополнительно порции заполнителя в виде бурового шлама 20 или песка, локализующие, в случае необходимости, места прорыва грунтовой пробки 21 закрепляющим веществом.
После перекрытия верха зоны нагнетания I приступают непосредственно к нагнетанию закрепляющего вещества через питающую магистраль 3 и сальник - вертлюг 2 внутрь полого шнекового бурового става. В первый момент подачу закрепляющего вещества производят с давлением, превышающим проектное для надежной эвакуации эластичных пробок 17 из отверстий 15 перфорированного шнека 5. Причем защитные козырьки 18 при бурении в сложных условиях, например вязкие грунты, нарушают
сплошность потока транспортируемого грунта и снижают силы сцепления последнего с трубой 6, что облегчает эвакуацию эластичных пробок 17 из отверстий 15. Этому же способствует и размещение отверстий 15 перфорированного шнека 5 под нерабочей поверхностью 14 непрерывной винтовой спирали 7, т.е. в зоне наименьших давлений от движущегося разрыхленного грунта. При этом, с целью избирательного воздействия инъекционными струями определенного ряда отверстий на закрепляемый участок зоны нагнетания I, вращение полого шнекового бурового става прекращают по мере уплотнения грунтовой пробки (определяется по нагрузке привода), ориентируясь на концы 16 непрерывной винтовой спирали 7 верхнего проходного шнека 4, находящегося над устьем 19 скважины. При выполнении же ускоренной объемной инъекции грунта в зоне нагнетания I, нагнетание закрепляющего вещества ведут одновременно на всю толщину данной зоны вокруг перфорированного шнека 5 путем ее послойной обработки инъекционными струями, также с возможностью избирательного действия вследствие известной их направленности (под углом 120°), перемещаемыми в диаметральной плоскости зоны нагнетания I посредством поворота в реверсивном направлении полого шнекового бурового става через определенные промежутки времени до момента возникновения давления отказа. При этом расположение отверстий 15 вышеуказанным образом является наиболее рациональным, так как оно не только технологично по своей сути при изготовлении и позволяет повысить прочность трубы 6 перфорированного шнека 5 из-за увеличения расстояния между соседними отверстиями 15, которых в диаметральной плоскости оказывается не более одного, но и при прочих равных условиях (например, ограничение габарита длины шнека) обеспечивает наибольшее количество отверстий 15 в одноименном ряду на трубе 6 перфорированного шнека 5 и более равномерную обработку зоны нагнетания I вокруг перфорированного шнека 5 в процессе его поворота. Это в процессе нагнетания грунта способствует его гидроразрыву не только в закрепляемых слоях (пластах) 22,
но и в межпластовом пространстве 23 зоны нагнетания I, т.е. в вертикальной плоскости, что в свою очередь снижает случаи защемления подземных вод в закрепляемом грунте, вспучивание грунтов и позволяет получить монолитную структуру, близкую к ячеистой.
На последнем этапе по окончании нагнетания закрепляющего вещества при необходимости извлечения полого шнекового бурового става из скважины ему придают рабочее направление вращения, позволяющее отвести криволинейный скребок 9 от стенок скважины и сорвать пробку 23. При этом перемещение находящегося в скважине уплотненного грунта (пробки) 23 на данном этапе осуществляют снизу вверх, без его вторичного разрушения непрерывной винтовой спиралью 7, т.е. вместе с извлекаемым при подъеме из скважины полым шнековым буровым ставом. После извлечения проходной шнек 4 с грунтовой пробкой 23 очищают и устанавливают криволинейный скребок 9 в исходное положение. Перфорированный шнек 5 также очищают от остатков закрепляющего вещества и на место эвакуированных (оставшихся в скважине) пробок 17 устанавливают новые. Устройство готово к бурению следующей скважины.