Выбор и обоснование параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки

Актуальность темы

Рост объёмов строительства, повышение требований к экологической безопасности ведения строительных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений обуславливают необходимость создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим условиям отвечают машины реализующие технологию прокладки коммуникаций методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности массива. Комплект оборудования для прокладки трубопроводов компактен и мобилен, не требует значительных территорий и времени для подготовки и выполнения работы. Однако существует возможность просадки грунта, приводящей к деформации и разрушению трубы. Вариантом решения данной проблемы является прокладка трубопроводов методом управляемого прокола с одновременным закреплением неустойчивого массива методом гидроструйной цементации фунтов (далее по тексту ГСЦ). Сущность ГСЦ грунтов заключается в использовании кинетической энергии высокоскоростной суспензионной водоцементной струи, погруженной в грунтовый массив и вращающейся в плоскости перпендикулярной оси предварительно прокалываемой до проектной отметки скважины с одновременным перемещением вдоль этой оси обратным ходом до следующей проектной отметки без создания в массиве избыточного давления. В результате разрушения и перемешивания грунта суспензионной струей формируется закрепленный грунтобетонный массив цилиндрической формы заданной длины, состоящий из нового материала — грунтобетона.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на обоснование конструктивных параметров и разработку установки для бестраншейной прокладки трубопровода с созданием защитной грунтобетонной оболочки в слабых неустойчивых грунтах, и определяет актуальность работы.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР Научно-образовательного центра по проблемам рационального природопользования при комплексном освоении минерально-сырьевых ресурсов Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)» (per. номер 2.2.1.1/3942) и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт № 02.740.11.0319).

Цель работы. Обоснование режимов работы инструмента и конструктивных параметров прокалывающе-цементирующей установки, а также выявление закономерностей формирования грунтобетонного массива заданной конфигурации.

Идея работы заключается в использовании эффекта повышения прочности и устойчивости грунтов при прокладке трубопроводов методом управляемого прокола путем разрушения и перемешивания их высокоскоростными водоцементными струями и создании на основе установленных закономерностей и при рациональных параметрах этого процесса эффективного оборудования для получения грунтобетонной оболочки в неустойчивых грунтах.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна: п установлены закономерности процесса ГСЦ грунтов с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструментап разработана математическая модель гидравлического разрушения грунтов водоцементными струямиa установлена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массивап установлена рацио тальная с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива скорость перемещения прокалывающего ставап создан комплект оборудования для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной грунтобетонной оболочкой в слабых грунтах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительным объемом теоретических исследований процесса разрушения и закрепления грунтового массива методом ГСЦподтверждается удовлетворительной сходимостью результатов, полученных расчетным путем, с результатами экспериментов (средняя величина относительной погрешности не превышает 15%).

В работе использован комплексный метод исследования, включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок и оборудования для реализации технологии ГСЦразработку математической модели разрушения грунтового массива водоцементными затопленными струямиэкспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса ГСЦ, анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятности и математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

Научное значение работы заключается в установлении закономерностей формирования гунтобетонного массива методом ГСЦ в зависимости от физико-механических свойств массива и конструктивных параметров оборудования, что позволяет обосновать его конструкцию, выбрать режимы работы установок и расширить область их применения на прокладку трубопроводов заданного профиля.

Практическое значение работы: создана стендовая установка для исследования работы оборудования для ГСЦ в широком диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров. разработана «Методика расчета конструктивных параметров ГСЦ инструмента и режимных параметров процесса ГСЦ при создании грунтобетонной оболочки». разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющих рассчитывать конструктивные параметры ГСЦ инструмента и режимные параметры процесса ГСЦ.

Реализация результатов работы. «Методика расчета конструктивных параметров ГСЦ инструмента и режимных параметров процесса ГСЦ грунтов при создании грунтобетонной оболочки» передана ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использована при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывающе-цементирующих установок. Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам «Проектирование и конструирование горных и транспортных машин», «Гидроструйные технологии разрушения грунтов».