автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Выбор и обоснование параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки

Белякова Елена Владимировна

ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ДЛЯ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ С СОЗДАНИЕМ ЗАЩИТНОЙ ГРУНТОБЕТОННОЙ ОБОЛОЧКИ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел-2010

2 5 Ш? 2010

004599743

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении Высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» на кафедре «Геотехнологий и строительства подземных сооружений».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, доцент Головин Константин Александрович

доктор технических наук, профессор Мартюченко Игорь Гаврилович

Кандидат технических наук, доцент Севрюгина Надежда Савельевна

ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод»

Защита диссертации состоится « 15 » апреля 2010 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.182.07 при ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» по адресу: 302030 г. Орел, ул. Московская, 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет».

Отзывы на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, лросим направлять на адрес диссертационного совета: 302020, г. Орел, Нау-горское шоссе, д. 29

Автореферат разослан и опубликован на сайте www.ostu.ru « К< » ииа^ТО^2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ар (¿е^р Севостьянов А Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 здании 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 трубопроводов методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности массива. 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 грунтов (ГСЦ). Однако, отсутствие научно обоснованных методов выбора режимов работы оборудования, обеспечивающих прокладку трубопроводов с одновременным созданием грунтобетонной оболочки, ограничивает возможности такой техники и препятствует её широкому использованию.

Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на выявление влияния конструктивных параметров на эффективность работы 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 грунгобетонного 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.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

■ установить влияние конструктивных и режимных параметров ГСЦ на показатели процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива;

■ разработать математическую модель процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ, позволяющую определить диаметр закрепляемого массива для различных условий;

* выявить рациональные параметры процесса формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ с проколом и получить расчетные зависимости для их определения;

■ разработать обобщенную зависимость для определения показателей процесса ГСЦ грунтов;

■ оценить адекватность разработанной математической модели реальному процессу формирования закрепленного грунтобетонного массива методом ГСЦ;

■ разработать методику расчета конструктивных параметров прокалывающих ставов для закрепления слабых грунтов, режимных параметров процесса ГСЦ и энергетических характеристик насосного оборудования.

Объект исследования — процесс формирования грунтобетонной оболочки методом ГСЦ вокруг трубопровода и создание обобщенной зависимости влияния различных параметров на ее диаметр.

Теоретическая и методологическая основа исследований.

Диссертационное исследование проведено на основании научных трудов отечественных и зарубежных специалистов по ГСЦ и возможной области применения данной технологии. В работе использо ван комплексный метод исследования., включающий научный анализ и обобщение опыта эксплуатации прокалывающих установок и оборудования для ГСЦ; разработка математической модели, экспериментальные и теоретические исследования закономерностей процесса ГСЦ, проведение экспериментов и обработка экспериментальных данных с применением метода математической статистики, сопоставление экспериментальных и расчетных данных.

На защиту выносятся наиболее значимые положения диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:

■ установлены закономерности процесса ГСЦ неустойчивых грунтов с учетом конструктивных и режимных параметров технологического инструмента;

■ разработана математическая модель гидраадического разрушения грунтов водоцементными струями;

■ установлена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массива;

■ установлена рациональная, с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива, скорость перемещения прокалывающего става;

■ создан комплект оборудования для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной грунтобетонной оболочки в слабых грунтах.

Практическое значение работы:

■ создана стендовая установка для исследования работы оборудования для ГСЦ в широком диапазоне изменения режимных и конструктивных параметров.

■ разработана «Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки».

■ разработан пакет программ для персонального компьютера, позволяющий рассчитывать конструктивные параметры ГСЦ инструмента и режимные параметры процесса ГСЦ.

Апробация работы. Основное содержание работы и отдельные ее положения докладывались и получили одобрение: на конференциях молодых ученых и конференциях профессорско-преподавательского состава в ТулГУ, г. Тула, (2007, 2008 и 2009 гг.); на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения». Воркута, (2007).

Реализация результатов работы. «Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной 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 дисциплине «Дорожные машины и производственная база строительства», «Проектирование и конструирование горных машин и оборудование».

Личный вклад автора заключается в определении цели диссертационной работы, в постановке задач и их решений, в проведении экспериментов по исследованию процесса ГСЦ при проколе, а также в разработке научных положений для всех элементов научной новизны работы на всех этапах выполнения диссертации - от научного поиска до реализации их на практике.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 1 монография и 13 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложений, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована цель работы.

В первой главе представлен аналитический обзор основных научно-исследовательских работ в отечественной и зарубежной нормативно-технической литературе по бестраншейному методу прокладки трубопроводов и закреплению слабых грунтов методом ГСЦ. Представляется очевидным, что бестраншейная прокладка коммуникаций на сегодняшний день до-

казала свою эффективность, а технология прокола, обладая рядом существенных преимуществ, является наиболее перспективной.

Однако общим недостатком для всех установок бестраншейной прокладки трубопроводов является возможность просадки грунта, приводящей к деформации и разрушению трубы.

Вариантом решения данной проблемы являете;? создание грунтобетон-ной оболочки вокруг прокладываемого трубопровода методом ГСЦ.

Анализ результатов исследований, выполненных И.И. Бройдом, Л.И. Малышевым, М.Ф. Хасиным, КА. Головиным, В.А Бреннером, А.Б. Жаби-ным, Д.Н. Ешуткиным, U.M. Коноваловым, И.Г. Мартюченко, Л.С. Ушаковым, А.Е. Пушкаревым, С.С. Шавловским, C.S. Covil, <3. Guatteri, Т. Yashi.ro, Н. Yoshida и др. учеными, позволяет утверждать, что ГСЦ является прогрессивной технологией закрепления слабых, обводненных и неустойчивых грунтов для последующего укрепления фундаментов, создания стены в грунте, уплотнения тоннелей, укрепления склонов, создания диафрагмы плотин, строительства подземных сооружений, возведения противофильтрационных

завес, укрепления откосов при ведении открытых работ.

Технологическая схема создания защитной грунтобетонной оболочки методом ГСЦ вокруг прокладываемого трубопровода реализуется следующим образом (рис:. 1): на первом этапе работ методом управляемого прокола выполняется проходка пилотной скважины; на вышедший на дневную поверхность исполнительный орган установки направленного прокола крепится конический расширитель (рим-мер) с присоединенной к нему трубой-чехлом, которая и должна быть установлена в насыпи. На втором этапе обратное вытягивание прокалывающего става осуществляется с одновременным вращением и подачей из специального ГСЦ гидромонитора высокоскоростных водоцементных струй от автономного насосного оборудования.

Таким образом, одновременно в насыпи прокладывается металлическая труба, расположенная в теле грунтобетояного массива, имеющего заданную форму и регламентированные физико-механические свойства.

Исходя из этих предпосылок, были сформулированы задачи исследования, которые предстояло решить в настоящей работе.

¡¡¡РЩШ,

Щ

и

:

шШмМ

s» . л* '

• - тот шш

Рис. 1. Технологическая схема процесса управляемого прокола с созданием грунтобетонной оболочки

Вторая глава посвящена разработке математической модели гидравлического разрушения грунтов водоцементньши затопленными струями.

В работах И.И. Бройда, К.А. Головина, В.А. Бреннера, А.Б. Жабина, А.Е. Пушкарева описаны механизмы взаимодействия высокоскоростных струй с массивом грунтов при реализации различных гидроструйных технологий (гвдроструйное, гидроабразивное разрушение, водоструйное бурение и др.).

При этом, Ei соответствии с применяемой классификацией, в процессе взаимодействия водоцементной струи с разрушаемым массивом высокоскоростную водоцементную струю можно определить как затопленную струю, осуществляющую свою работу по разрушению в условиях среды близкой плотности.

Для описания закономерностей разрушения массива при ГСЦ, осуществляемого в процессе прокладки трубопроводов, необходимо учесть особенности, возникающие в связи с расположением струеформирующей насадки на технологическом инструменте (рис. 2)

А-А

Рис. 2. Схема создания грунтобетонной оболочки 1 - прокялытяющит став; 2 - водоцементная струя; 3 - исходный грунтовый массив; 4 - закрепленный грунтовый массив; О - диаметр закрепляемого массива; 1)г„ - диаметр установки насадки; ц - коэффициент расхода водоцементного раствора через струеформирунощую насадку; (10 - диаметр отверстия струеформируещей насадки; р - плотность водоцементного раствора; рт - плотность смеси водоцементного раствора и грунта; V - скорость перемещения прокалывающего става; п - частота вращения прокалывающего става; Р о - давление водоцементного раствора; ¡а - расстояние от среза струеформирующей насадки до поверхности массива; 5 - площадь контакта струи с массивом; Ро- давление на выходе из струеформирующей насадки; А - диаметр струи; V/, - скорость струи на срезе насадки; уСтр - скорость струи; в -площадь контакта струи с массивом;.

Исходя из этого, гидродинамические параметры водоцементной струи определяются следующим образом (рис. 2).

В связи с переменным значением расстояния от сгруеформирующей насадки до разрушаемого массива необходимо учитывать изменение эффективного участка затопленной струи.

Известно, что для расчета силы воздействия струи на массив в работах Г.Н. Абрамовича и К.А. Головина используется формула (1)

пЛ1

1--

100-

!_| I

К;,

(1)

где Ра - давление на выходе из струеформирующей насадки, МПа; рт - плотность смеси водоцементной суспензии и грунта, кг/см3.

Зная, что диаметр струи изменяется по мере удаления струи от струеформирующей насадки, его величина рассчитывает по зависимости (2)

¿^0,27-^+1^, (2)

Скорость в произвольной точке струи, м/с, определяется из выражения

4—У

У = (3)

где г — расстояние по нормали ог оси струи до рассматриваемой точки, м.

При этом эпюра скорости по сечению струи строится с использованием формулы (3)

Применяя условия разрушения массива и задавая шаг изменения радиальной координаты точки струи, определяем максимальный диаметр площади пятна контакта струи с массивом, для которого условие (4) является выполнимым.

\

25

1 —

1

100—!

ш

соза-зта-!.

(4)

„ я-(0,27/0+4>)2 2

где 5 = —^—2—— - площадь контакта струи с массивом, м ; а - угол нз-4

клона касательной к поверхности разрушения (из паспорта прочности) грунта.

При этом расчетное выражение имеет вид:

0Н(£>-£> )

-— + 0,29

Ргг(0,135(£>-£>„) + </,): 25

92 р

(сс«а-8ша-1&р)-С = 0 (5)

В ходе математического моделирования принят ряд допущений, требующих экспериментального подтверждения. Особенный интерес представляет конструктивный параметр - диаметр установки насадки .

В третьей главе диссертации изложена методика проведения экспериментальных исследовани й.

Для установления: закономерностей процесса ГСЦ грунтов и проверки адекватности математической модели были проведены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования влияния основных факторов на показатели процесса ГСЦ проводились на специальном стенде, имитирующем работу оборудования для реализации технологии ГСЦ.

Была разработана специальная установка, с ист очником водоцементной суспензии высокого давления до 60 МПа, включающая в себя цементировочный насос, миксерную станцию и силос для хранения цемента. На основании анализа литературных источников и опыта эксплуатации оборудования для ГСЦ грунтов плотность водоцементной суспензии при экспериментальных исследованиях принималась равной р - 2000 кг/м3. Для регистрации давления водоцементной суспензии стенд был оборудован измерительной системой, состоящей из стрелочного манометра прямого действия, тензоманомет-ра и измерительной станции на базе ПК. В исследованиях использовались струеформирующие насадки оригинальной конструкции с коэффициентом расхода ц = 0,75.

Работы в стендовых условиях проводились в пяти различных фунтах (табл. 1). В качестве показателя физико-технических свойств грунта на основе исследований Головина К.А был принят коэффициент сцепления С грунта.

Основные характеристики грунтов

__Таблица 1

Грунт Коэффициент сцепления С, МПа

Глина 0,064

Суглинок 0,045

Супесь 0,032

Гравий 0,023

Песок 0,006

В ходе экспериментов проводились исследования по установлению влияния конструктивных и режимных параметров на диаметр закрепляемого массива.

Основными факторами, определяющими процесс ГСЦ грунтов, являют-ся(рис. 2):

- конструктивные: диаметр установки насадки />,„„ коэффициент расхода водоцементной суспензии через струеформирующую насадку р', диаметр отверстия струеформируеш;ей насадки £/0;

- режимные: плотность водоцементной суспензии р, скорость перемещения прокалывающего става V, частота вращения прокалывающего става п, давление водоцементной суспензии Р;

- физико-технические свойства грунтов.

В качестве основных критериев оценки эффективности процесса ГСЦ грунтов были приняты следующие показатели: диаметр закрепляемого грунтового массива И, скорость приращения объема закрепляемого грунтового массива б,, (производительность) и удельная энергоемкость процесса ГСЦ грунтов Е0.

Диапазон изменения параметров ГСЦ представлен в табл. 2

Таблица 2

Основные факторы процесса ГСЦ и диапазон их изменения

Основные факторы ! Диапазон изменения

Давление водоцементной суспензии Р, МПа 40-60

Диаметр! струеформирующей насадки йа, м 0,002-0,003

Скорость подьема прокалывающего става V, м/с 0,0017-0,0083

Частота вращения прокалывающего става п, с"1 0,167-0,500

Коэффициент сцепления грунтов С, МПа 0,006-0,064

Диаметр установки насадки /)„„, м 0,1-0,6

Анализ влияния скорости на диаметр закрепляемого массива показывает, что с увеличением скорости перемещения V в указанных пределах диаметр закрепляемого грунтового массива уменьшается в 1,6 - 2,8 раза. При этом, наибольшее уменьшение значений В соответствует грунтам с меньшим коэффициентом сцепления. Уменьшение диаметра закрепляемого массива происходит потому, что при возрастании скорости перемещения время воздействия водоцементной струи на единицу объема грунтов снижается, и, как следствие, понижается глубина проникновения струи и массив.

Установлено, что диаметр закрепляемого массива уменьшается с увеличением частоты вращения. При изменении и в 3 раза значения О снижаются в 1,5-1,8 раза. Это связано с тем, что при возрастании частоты вращения время воздействия водоцементной струи на единицу объема грунтов уменьшается, а следовательно, снижается глубина проникновения струи и, соответственно, диаметр закрепляемого массива.

Анализ экспериментальных данных показывает, что диаметр закрепленного массива возрастает с увеличением диаметра струеформирующей насадки. Увеличение диаметра струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива почти в 1,6 раза. Подобное явление объясняется тем, что при повышении диаметра отверстия насадки увеличивается длина активного участка струи, вызывающая возрастание глубины проникновения струи в грунт.

С увеличением диаметра установки насадки диаметр закрепленного массива возрастает. Подобное явление объясняется тем, что при повышении диаметра установки насадки уменьшается расстояние до закрепляемого мас-

сива, вызывающее возрастание глубины проникновения струи в грунт. Так, при увеличении диаметра установки насадки от 0,1 до 0,6 м, диаметр закрепляемого массива увеличивается почти в 4,5 раза.

С целью получения обобщенной зависимости рациональной скорости перемещения прокалывающего става были проведены эксперименты по установлению влияния скорости перемещения, частоты вращения прокалывающего става, диаметра отверстия струеформирующей насадки и диаметра установки насадки на скорость приращения объема закрепляемого массива.

Анализ экспериментальных данных показывает, что скорость приращения объема закрепляемого массива с увеличением скорости перемещения прокалывающего става вначале увеличивается, достигая своего максимума, а затем уменьшаться, а удельная энергоемкость процесса ГСЦ, наоборот, сначала уменьшается, достигая своего минимума, а потом возрастает, т. е. изменяются по зависимостям, близким к параболическим. Наличие точки максимальной скорости приращения объема закрепляемого массива <?в (минимальной энергоемкости процесса ГСЦ Е0) соответствует рациональной скорости перемещения прокалывающего става. Такой характер изменения показателей процесса Сг„ и Еп объясняется тем, что большему значению О соответствует меньшее значения V. Поэтому произведение этих величин на границах исследованного диапазона изменения V меньше значений произведения в середине диапазона.

Установлено, что значения рациональной скорости перемещения прокалывающего става с увеличением </„ от 0,0020 до 0,0030 м возрастают в среднем в 1,7 раза и практически не зависят от коэффициента сцепления грунтов, а значения диаметра установки насадки с увеличением Вуа от 0,1 м до 0,6 падает в среднем в 4,5 раза. Увеличение частоты вращения прокалывающего става также приводит к падению рациональной скорости ее перемещения, но гораздо в меньшей степени, а именно: при повышении частоты вращения от 0,17 до 0,33 с"1 значения рациональной скорости перемещения увеличиваются в 1,4 раза.

Методом множественной регрессии была получена следующая зависимость рациональной скорости перемещения прокалывающего става от диа-мегрз струеформирующен насадки, диаметра установки насадки и частоты вращения прокалывающею става:

V =20-!----(6}

Индекс корреляции для данного выражения составил Д = 0,96, а критерий Фишера /'=46,7. Критическое значение критерия Фишера для зависимости при 5% уровне значимости составляет 2,83, что подтвервдает адекватность полученной зависимости экспериментальным данным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил К^-1,1%, что указывает на высокую сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Для обобщения экспериментальных данных был принят за основу экспериментально-статистический метод, который предусматривал графоаналитический анализ опытных да нных с применением методов теории вероятностей и математической статистики. При исследовании процесса ГСЦ грунтов эксперименты планировались таким образом, чтобы можно было последовательно получить качественную и количественную оценку различных влияющих параметров (факторов) и условий.

Как уже было установлено, диаметр закрепляемого массива О зависит от целого ряда факторов, основными из которых являются: скорость перемещения прокалывающего става V, давление водоцементной суспензии Р, частота вращения: прокалывающего става п, диаметр отверстия струеформи-рующей насадки </„, диаметр установки насадки коэффициент сцепления С, коэффициент расхода суспензии через насадкуц, плотность водоцементной суспензии р и диаметр пилотной скважины /)„.

Исследования влияния каждого из перечисленных параметров на диаметр закрепляемого массива приводят к построению кривых, пользоваться которыми не совсем удобно. Часть критериев в процессе экспериментальных исследований не изменялась. К числу неизменяемых фа!сторов относятся следующие: р, Д, и ц.

Обработка, массива экспериментальных данных методом множественной регрессии позволила получить обобщенную формулу для расчета диаметра закрепляемого массива £>, м,

^ 1.37 р1.|| д0,94

Д = (7)

"рас. М2

1,5

0,5

1

/¿у ♦

г

0,5

1,5

2

„м

Ри с. 3. Сопоставление экспериментальных О^^я расчетных И рас. данных Индекс корреляции для данного выражения составил Я = 0,91, критерий Фишера F = 148,2. Критическое значение критерия Фишера для зависимости (7) при 5% уровне значимости составляет 3,96, что подтверждает адекватность полученного выражения экспериментальным дгшным. Коэффициент вариации опытных данных относительно расчетных составил К.ар= 15,7, что

указывает на удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных.

Полученная зависимость (7) позволяет рассчитать конфигурацию закрепляемого грунтобетонного массива в зависимости от свойств грунта, режимов работы установки и конструктивного исполнения инструмента.

В четвертой главе диссертации разработана методика расчета конструктивных параметров прокалывающих ставов для закрепления слабых грунтов, режимных параметров процесса ГСЦ и разработан комплект оборудования для реализации технологии управляемого прокола с созданием грунтобе-тоннон оболочки вокруг прокладываемого трубопровода.

Создание комплекта оборудования для реализации технологии управляемого прокола с одновременным созданием защитной бетонной оболочки в слабых грунтах включает в себя следующие этапы:

- выбор источника водоцементной суспензии высокого давления из ряда существующего оборудования, наиболее полно отвечающего технологическим потребностям разрабатываемого оборудования;

- выбор базовой прокалывающей установки, отвечающей требованиям работы в стесненных подземных условиях или при открытых работах;

- разработка оригинального дополнительного оборудования, оснащение которым базовой прокалывающей установки обеспечит формирование защитной грунтобетокной оболочки с рациональными параметрами процесса ГСЦ.

Вариант конструктивного исполнения комплекта оборудования, реализующего предложенную схему, представлен на рис. 4.

Рама

Струефомирующая насадка

Рис. 4. Комплект оборудования для реализации технологии прокола с созданием груитобетоиноВ оболочки К дополнительному оборудованию относится прокалывающий став, включающий в себя следующие основные элементы: гидросъемник, вращатель, штанги и монитор. Гидросъемник обеспечивает подачу высоконапорной водоцементной суспензии от насосного блока во вращающийся прокалывающий став. Штанги (линейные секции става) служат для подачи высоконапорной водоцементной суспензии к монитор)' и передачи осевого усилия и крутящего момента от вращателя к инструменту. Монитор предназначен для струйного разрушения грунтов и перемешивания продуктов разрушения. Он

оснащается струеформирующей насадкой, которая служит для формирования высокоскоростной суспензионной струи.

На основании выполненных исследований разработана инженерная методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки и энергетических характеристик: насосного оборудования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что при ГСЦ неустойчивых грунтов давление водоце-ментной суспензии, скорость перемещения прокалывающего става и частота его вращения, диаметр установки насадки, а также диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на диаметр закрепляемого грунтобетонного массива. В частности, при увеличении давления от 40 до 60 МПа диаметр закрепляемого массива линейно возрастает в 1,5-1,8 раза, а изменение диаметра отверстия струеформирующей насадки от 0,002 до 0,003 м вызывает рост диаметра закрепляемого массива также линейно в среднем в 1,6 раза. С увеличением скорости перемещения и частоты вращения прокалывающего става, а также коэффициента сцепления грунтов диаметр закрепляемого грунтобетонного массива уменьшается. Получена зависимость для. определения диаметра закрепляемого грунтобетонного массива при его ГСЦ.

2. На основании взаимосвязи конструктивных и режимных параметров технологического инструмента с показателями процесса ГСЦ слабых грунтов выявлены области минимальных удельных энергозатрат и максимальных скоростей приращения объема закрепляемого массива, определяющие рациональные значения скорости перемещения прокалывающего става. При этом обнаружено, что значения рациональной скорости перемещения прокалывающего става не зависят от коэффициента сцепления грунтов. Получена расчетная формула для определения рациональных значений скорости перемещения прокалывающего става применительно к различным условиям процесса ГСЦ неустойчивых грунтов.

3. Предложена технологическая схема прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с одновременным созданием грунтобетонной оболочки методом ГСЦ в условиях слабых грунтов.

4. Разработана математическая модель гидравлического разрушения грунтов водоцеменгными затопленными струями.

5. Разработана оригинальная конструкция прокатывающего става для прокапывающих установок, включающая в себя гмдросъемник, штанги и гидромонитор и обеспечивающая возможность реализации технологии ГСЦ при закреплении массива слабых грунтов.

6. Разработаны элементы прокалывающего става, в частности гидро-сьемник и штанги, которые успешно применяются в конструкциях прокалывающих установок.

7. Разработанный пакет программ для персонального компьютера «Методика расчета параметров установки для бестраншейной прокладки трубопроводов с созданием защитной грунтобетонной оболочки» передан ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод» и использован при разработке и создании экспериментальных и опытных образцов прокалывагехце-цементирующих установок.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ:

Научные издания из перечня ВАК России:

1. Белякова, Е.В. Современные бестраншейные технологии / Е.В. Белякова, К.А. Головин // Известия ТулГУ. Серия «Естественные науки». Выпуск 3

- Тула, 2009. - С. 238-245.

2. Белякова, Е.В. Прикладная программа для расчета параметров ГСЦ инструмента / Е.В. Белякова, К.А. Головин, Пушкарев А.Е., Рыбаков A.C. // Известия ТулГУ. Серия «Науки о Земле». Выпуск 5 - Тула, 2009. - С. 136-142.

Монография:

3. Белякова, Е.В. Гидроструйные технологии обработки горных пород / В. А. Бреннер, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев, В.А. Романов, Е.В. Белякова-Тула: изд-во ТулГУ, 2009.176/32.

Научные статьи:

4. Белякова, Е.В. Современные технологии усиления оснований и фундаментов / Е.В. Белякова, Л.В. Лукиенко, К.А. Головин, Д.Н. Лазарев, Ю.Н. Наумов, А.Е. Пушкарев // Материалы VII научно-технической конференции «Ученые, аспиранты и студенты», РХТУ им. Д.И. Менделеева. - Новомосковск, 2005. - С.20-21

5. Белякова, Е.В. Определение физико-механических свойств закрепляемого массива горной породы / К.А. Головин, А.Е. Пушкарев // Труды 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов севера: проблемы и решения». - Воркута, 2007. - С.15-18

6. Белякова, Е.В. Математическое описание процесса гидроструйной цементации пород / Е.В. Белякова, К.А. Головин, А.И. Лисицын, А.Е. Пушкарев, В.И. Сарычев // Труды 3-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-

rtvntjrnirnja^viMA м -STi-nrmruuApirw*» гтппЯприы ГГ\ПИПМ ППЛ»ДМ1Т1ТТ^инПГТИ гтли.

1.--* * * ' .w.u.* --------—- - ^ f----------......---..., - --—

тельсгва и энергетики». - Тула, 2007. - С. 96-103

7. Белякова, Е.В. Разработка метода расчета параметров процесса гидроструйной цементации горных пород / Е.В. Белякова, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев // Труды 3-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики».

- Тула, 2007. - С. 104-107

8. Белякова, Е.В. О возможности совмещения метода гидроструйной цементации неустойчивых горных пород с традиционными технологиями про-

ходки / Е.В. Белякова, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев // Труды 3-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». - Тула, 2007. - С. 108-112

9. Белякова, Е.В. Технология гидроструйной цементации пород для обеспечения проходки горных выработок малого диаметра в сложных горногеологических условиях // Материалы Международной заочной конференции "Инновации молодых ученых - основа устойчивого развития регионов". -Уфа, 2009.-С. 81-83

10. Белякова, Е.В. Бестраншейные методы прокладки коммуникаций и выработок малого сечения / Е.В. Белякова // Труды 5-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». - Тула, 2009. - С. 96-104.

11. Белякова, Е.В. Проведение горных выработок малого сечения в формируемом породоцементном массиве / Е.В. Белякова, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев // Труды 5-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». - Тула, 2009. - С. 105-113.

12. Белякова, Е.В. Сущность технологии гидроструйной цементации / Е.В. Белякова, Д.В. Бронников, К.А. Головин, А.Е. Пушкарев // Труды 5-ей Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики». - Тула, 2009. - С. 113-119.

Изд. лиц. лг № 020300 от i2.02.97. Подписано в печать i0.03.20i0. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ.л.О,& Уч.-изд.л. /Д ТиражДООэкз. Заказ 003

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, просп. Левина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, просп. Ленина, 95

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Бестраншейные способы прокладки коммуникаций и сфера их практического использования

1.2. Технология гидрострупной цементации слабых грунтов 20 1.2.1 Сущность технологии гидроструйной цементации грунтов

1.2.2. Состав комплекта оборудования реализации технологии

ГСЦ грунтов

1.2.2.1. Источник водоцементной суспензии высокого давления

1.2.2.2. Буровые установки для ГСЦ

1.3.3. Опыт практического применения машин для ГСЦ грунтов

1.3.3.1. Закрепление массива при проходческих работах

1.3.3.2. Закрепление массива при подземном строительстве

1.3.4. Перспективы развития технологии ГСЦ для строительной промышленности

1.4. Технология прокладки трубопроводов методом управляемого прокола с созданием защитной грунтобетонной оболочки

1.5. Цель и задачи исследований

2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО РАЗРУШЕНИЯ ГРУНТОВ ВОДОЦЕМЕНТНЫМИ ЗАТОПЛЕННЫМИ СТУЯМИ

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА ГСЦ

3.1. Общие положения методики экспериментальных исследований

3.2. Стендовая база

3.3. Экспериментальные исследования влияния параметров процесса ГСЦ грунтов на эффективность закрепления массива на стендовой установке

3.3.1. Влияние давления водоцементной суспензии на диаметр закрепляемого массива

3.3.2. Влияние диаметра струеформирующей насадки на диаметр закрепляемого массива

3.3.3. Влияние частоты вращения буровой колонны на диаметр закрепляемого массива

3.3.4. Влияние диаметра установки насадки на диаметр закрепляемого массива

3.3.5. Влияние скорости перемещения прокалывающего става на диаметр закрепляемого массива

33.6. Влияние параметров ГСЦ грунтов на скорость приращения объема закрепляемого массива и удельную энергоемкость процесса

3.4. Анализ и обобщение экспериментальных данных, полученных на стендовой установке и проверка адекватности расчетной модели

4. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОКЛАДКИ ТРУБОПРОВОДОВ С СОЗДАНИЕМ ЗАЩИТНОЙ ГРУНТОБЕТОННОЙ ОБОЛОЧКИ

4.1. Разработка элементов прокалывающего става вращатель, гидросъемник, расширитель, штанги)

4.2. Методика расчета 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 инструмента; п разработана математическая модель гидравлического разрушения грунтов водоцементными струями; a установлена обобщенная зависимость для определения диаметра закрепленного массива; п установлена рацио тальная с точки зрения достижения наименьших удельных энергозатрат и максимальных значений скорости приращения объема закрепляемого массива скорость перемещения прокалывающего става; п 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 ГСЦ; подтверждается 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 ГСЦ; разработку математической модели разрушения грунтового массива водоцементными затопленными струями; экспериментальные 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».