ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ

Возведение подземных сооружений методом «стена в грунте»

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Использование метода "стена в грунте" в практике отечественного и зарубежного строительства приобретает все большее развитие, так как позволяет надежно и сравнительно просто решать сложные инженерные задачи возведения заглубленных частей сооружений ниже уровня грунтовых вод.

Следует отметить, что существующие методы разработки грунта и технология возведения глиногрунтовых противофильтрационных диафрагм позволяют разрабатывать грунты в траншеях на глубину до 13—20 м, шириной 0,5—1,2 м, что приводит к повышенному расходу энергетических и материальных ресурсов, хотя экспериментальный материал и зарубежный опыт свидетельствуют о том, что глиногрунтовые противофильтрацион-ные диафрагмы шириной в 5 см не уступают по качественным показателям более широким глиногрунтовым противофильтра-ционным диафрагмам, а для возведения несущих стен заглубленных сооружений рекомендуют ширину траншеи 0,3—0,6 м.

Кроме того, внедрение в строительном производстве прогрессивного метода "стена в грунте" сдерживается отсутствием серийно выпускаемого оборудования для образования узкой глубокой щели под слоем глинистого раствора. В наше время единственным серийно выпускаемым оборудованием для разработки траншей в мягких грунтах на глубину 20 м является экскаватор ЭО-5122, изготавливаемый Воронежским заводом в ограниченном количестве. Поэтому организации вынуждены использовать для выполнения работ по сооружению "стена в грунте" импортное оборудование или приспосабливать общестроительные грузоподъемные механизмы и буровую технику, что приводит к снижению темпов производства работ и удорожанию строительства.

Рабочие органы для производства земляных работ и образования глиногрунтовых диафрагм способом "стена в грунте" можно классифицировать следующим образом.

1.         По назначению их разделяют на две группы:

•          рабочие органы для разработки узкой глубокой щели и возведения тонких противофильтрационных диафрагм из глиногрунтовых, цементно-грунтовых смесей;

•          рабочие органы для разработки грунта в траншее под несущие, ограждающие, подпорные и противофильтрационные стенки, выполняемые способом "стена в грунте".

2.         По методу разработки грунта рабочие органы разделяют на четыре группы:

•          разработка грунта в горизонтальной плоскости сверху вниз за счет возвратно-поступательных перемещений режущей части рабочего органа и перемешивания грунта с раствором;

•          разработка грунта путем внедрения коробчатого рабочего органа сверху вниз с выносом его на поверхность и принудительной выгрузкой;

•          разработка грунта в горизонтальной плоскости со стороны вертикального забоя послойно сверху вниз на глубину забоя коробчатым рабочим органом с выносом его на поверхность и принудительной выгрузкой;

•          образование узкой щели путем внедрения рабочего органа в грунт и уплотнения стенок со стороны вертикального забоя послойно.

3.         По конструкции рабочие органы подразделяют на пять

групп:

•          коробчатый рабочий орган;

•          сегментный рабочий орган, оснащенный резцами;

•          реечный рабочий орган, оснащенный резцами;

•          конусообразный рабочий орган;

•          фрезерный рабочий орган.

Экскаватор для разработки узких глубоких траншей с коробчатым рабочим органом

Траншеепроходческий агрегат с коробчатым рабочим органом циклического действия предназначен для разработки узких траншей в вертикальной наклонной и горизонтальной плоскостях в мягких грунтах под сооружения, выполняемые по методу "стена в грунте" различной конфигурации, а также при производстве реконструкции фундаментов зданий и образовании подземных тоннелей под действующими улицами и дорогами.

Траншеепроходческий агрегат содержит: базовую машину 1 — экскаватор ЭО-5122, гидравлическую телескопическую штангу 2, верхнее кольцо 3, нижнее кольцо 5, блок гидроцилиндров 4.

Блок гидроцилиндров 4 фиксирует телескопическую штангу 2 в вертикальной, наклонной и горизонтальной плоскостях в диапазоне от 0 до 90 °.

Рабочий орган 6 представляет собой плоский коробчатый ковш, сваренный из 10—20-миллиметровой листовой стали и соединенный с телескопической штангой 2 через напорную штангу 14, пластина 21 включает верхнюю часть с отверстиями 27 для выхода воздуха, нижнюю режущую часть с поверхностью обжатия 20 и разгрузочный механизм с гидроцилиндром выгрузки 16, пластиной выгрузки 17, ползунами 18 и направляющими ползунами 19.

Внутри нижней части гидравлической телескопической штанги 2 смонтирована напорная штанга 14 с автономным силовым оборудованием, которое предназначено для создания давления напора в гидроцилиндре 13 и подачи давления в гидроцилиндр выгрузки 16 в процессе принудительной выгрузки уплотненной породы в транспортное средство.

Силовое оборудование включает: электродвигатель 7, соединительную муфту 8, редуктор 9, масленый бак 10, насос высокого давления 11, распределитель 12 с электромагнитным управлением, напорный гидроцилиндр 13, цилиндр которого прикреплен к телескопической штанге через устройство 25, а шток соединен с напорной штангой 14 через узел крепления 24. Гидроцилиндр выгрузки 16 цилиндром закреплен к напорной штанге через узел 23, а штоком соединен с пластиной выгрузки шарниром 22.

Разработку грунта в траншее начинают после разбивки трассы и подготовки установки к работе. Для этих целей ориентируют телескопическую штангу по заданному углу наклона блоком гидроцилиндров 4, включают телескопическую штангу, подводят рабочий орган 6 до касания с грунтом и включают гидроцилиндр 13 на напор. Давление через шток поршня передают напорной штанге 14 через устройство 24 и далее на пластины напора 21, которые жестко прикреплены к верхней части ковша 6, при этом коробчатый ковш вдавливают в грунт и производят забор грунта. В процессе заполнения ковша грунт обжимают поверхностью обжатия 20, выполненной заодно с режущим клином.

После наполнения ковша грунтом телескопическую штангу извлекают из траншеи и переводят на выгрузку. Для этих целей включают гидроцилиндр выгрузки 16 в положение «Выгрузка» и передают давление на пластину выгрузки 17, которая выталкивает породу из коробчатого ковша, при этом ползун 18 (перемещаясь по направляющей 19) предохраняет пластину 17 от перекосов.

По окончании выгрузки цикл повторяют до достижения проектной отметки, затем переходят на следующую захватку. Управление всеми механизмами сосредоточено в кабине оператора.

Использование устройства для разработки наклонных траншей позволит эффективно производить разработку грунта для устройства наклонных траншей, снизить металлоемкость машинных комплексов, применяемых для разработки щелевых траншей, уменьшить энергозатраты на единицу извлеченного грунта. Так, на разработку 1 м3 грунта расходуют 1,5—2,0 кВт электроэнергии, при разработке грунта описанным устройством энергозатраты составят 0,8—1,2 кВт электроэнергии.

Устройства для образования узкой щели в грунтах

сегментным рабочим органом при возведении глиногрунтовых противофильтрационных диафрагм

Для возведения тонких противофильтрационных диафрагм из глиногрунтовых смесей используют устройства, содержащие рабочий орган в виде шнека, бура, ковша, а также цепной или канатной нити, оснащенной резцами.

Машинный комплекс с сегментным рабочим органом разрабатывает грунт в щели шириной 5—10 см, глубиной до 30 м и возводит глиногрунтовую диафрагму. Комплекс состоит из несущей рамы 1, тяговых лебедок 2, башен подъема и опускания устройства для создания натяжения в тяговом канате рабочего органа 3, силовых лебедок 5, узла подачи раствора во внутрь рабочего органа 4, опорных башмаков 6 с гидроцилиндрами ориентации рамы в продольной и поперечной плоскостях, рабочего органа 9, устройства 12 для создания натяжения в тяговом канате 11 рабочего органа.

Разработку грунта и возведение противофильтрационной диафрагмы начинают с ориентации рамы в продольной и поперечной плоскостях гидроцилиндрами опорных башмаков. Затем в лидерные скважины 13 и 14 опускают на грузовом канате 10 устройства 12 для создания натяжения в тяговом канате рабочего органа 9 и фиксируют это устройство на заданной глубине якорями.

Ориентируют сегментный рабочий орган на ось захватки, по металлорукаву подают раствор во внутрь рабочего органа под давлением и последовательным включением тяговых лебедок сообщают рабочему органу возвратно-поступательные перемещения в горизонтальной плоскости. В результате возвратно-поступательных перемещений рабочий орган резцами снимает грунтовую стружку и перемешивает ее с глинистым раствором, образуя глиногрунтовую смесь тела диафрагмы с производительностью 100 м2 диафрагмы в час.

Для устройства глиногрунтовых противофильтрационных диафрагм шириной 5—10 см, глубиной до 25 м в стесненных условиях города или промышленной площадки с целью обеспечения устойчивости оснований сооружения и предотвращения поступления грунтовых вод в подземные сооружения используют устройство для сооружения щелей в грунте. Весь комплекс необходимого оборудования собран на раме 1 длиной 12 м и шириной 2,5 м, которую ориентируют на захватку в продольной и поперечной плоскостях гидроцилиндрами опор 9.

Механизм создания возвратно-поступательных перемещений сегментного рабочего органа в продольной плоскости выполнен в виде каретки 15, которую перемещают по направляющим 14, жестко закрепленным на раме 1. Каретка 15 получает перемещения в продольной плоскости от шатуна 5, связанного с маховиком 6, в строго заданных пределах в зависимости от грунтовых условий. Для этих целей по радиусу маховика 7 располагают точки крепления шатуна, определяющие величину возвратно-поступательных перемещений, что исключает увод рабочего органа на одну из сторон и регулирует скорость резания.

На верхней площадке каретки 15 устанавливают лебедку 4, которая канатом 10 через отклоняющие ролики 8 и 13 соединена с полым сегментным рабочим органом 16 и создает предварительное натяжение в рабочем органе.

Лебедкой 4 создают предварительное натяжение в рабочем органе 16 через тяговый канат 10 и отклоняющие ролики 8 и 13.

Включают привод маховика 6 и через шатун 5, каретку 15, канаты 10 создают возвратно-поступательные перемещения рабочего органа 16. С целью избежания увода рабочего органа и регулирования скорости резания в зависимости от грунтовых условий, по радиусу маховика 7 устанавливают узлы крепления шатуна, что и определяет величину возвратно-поступательных перемещений и скорость рабочего органа в продольной плоскости.

Рабочий орган 16 собран из полых перфорированных жестких секций с резцами, соединенными между собой шарнирами, на длину захватки и имеет на концах тройники для соединения с металлорукавом 11 подвода раствора во внутрь рабочего органа. Раствор во внутрь рабочего органа 16 подают с двух сторон по металлорукаву 11 под расчетным давлением специальным устройством. Раствор по металлорукаву 11 поступает в полую часть секции рабочего органа 16 и через радиальные отверстия выходит в зону разработки грунта.

В результате возвратно-поступательных перемещений рабочий орган резцами разрабатывает грунт и перемешивает его с раствором, образуя глиногрунтовую смесь тела противофильтрационной диафрагмы 17.

После прохода захватки до проектной отметки разрыхленный и перемешанный грунт дополнительно насыщают раствором в момент извлечения рабочего органа.

Применение механизма для создания возвратно-поступательных перемещений в продольной плоскости описанной конструкции исключает увод рабочего органа за счет равенства перемещений и позволяет менять их величину в зависимости от грунтовых условий, а также регулировать скорость перемещений. Производительность установки — 80—100 м2/час.

Нагружение каната 10 гидравлическими штангами 3 сверху вниз приводит к уменьшению глубины скважины и сокращению энергетических затрат при их извлечении, при этом опорные пластины 12 копируют стенки скважины и препятствуют изгибу телескопической штанги, что дает возможность разрабатывать грунт и создавать завесу на больших глубинах.

Устройство для образования узкой щели под несущие стенки подземных сооружений, возводимых по методу "стена в грунте" и сооружения противофильтрационных диафрагм в стесненных условиях города шириной 10-30 см, глубиной до 30 м. Устройство для образования узкой щели смонтировано на раме 1 и включает напорные телескопические штанги 2, жестко закрепленные к раме кронштейнами 4, узел подачи раствора во внутрь рабочего органа 3 с отклоняющим роликом 5 и опорные башмаки 6.

К гидровлическим телескопическим напорным штангам 2 на шарнирах 7 подвешено рабочее оборудование, которое способно разрабатывать грунт I—V категорий по сложности разработки в горизонтальной и наклонной плоскостях под углом. Рабочее оборудование включает: несущую траверсу 8, жесткие связи 9, подвижную рейку 10 с резцами 12 и соплами 11 для выхода раствора, гидроцилиндр 21 двухстороннего действия и ползуны 18,19. Гидроцилиндр 21 имеет продольный паз 15 под ползун 23 и закреплен к несущей траверсе 8 через ребра жесткости 20.

Схема крепления рабочего оборудования показана на разрезе по А—А. К несущей траверсе 8 через жесткую связь 9 подвешена подвижная пустотелая рейка, оснащенная резцами 12 и соплами 11.

Механизм создания возвратно-поступательных перемещений рейки 10 с резцами 12 в продольной и наклонной плоскостях включает: гидроцилиндр 21 двухстороннего действия с рассчитанным ходом поршня 22 и двумя штоками 14. Гидроцилиндр 21 жестко крепят к несущей траверсе 8 ребрами жесткости 20, а штоки 14 соединяют с подвижной рейкой 10 жестко упорами 19, а с несущей траверсой 8 — ползунами 18, которые имеют перемещение в пазах несущей траверсы 8 в обе стороны, равное ходу поршня 22. При этом величину возвратно-поступательного перемещения регулирует в зависимости от грунтовых условий.

Вертикальные перемещения рабочего органа в виде рейки 10 с резцами 12 осуществляют двумя гидравлическими телескопическими штангами 2 через шарнирные устройства 7, несущую траверсу 8, жесткую связь 9, при этом ползуны жесткой связи 9 расположены в пазах несущей траверсы 8 и имеют перемещения в обе стороны в горизонтальной плоскости параллельно траверсе 8. Для придания рабочему органу жесткости рейка 10 имеет жестко закрепленный ползун 23, который входит в паз 15 гидроцилиндра 21 и имеет перемещение в обе стороны на ход поршня.

Таким образом, рабочий орган в виде рейки 10 с резцами 12 имеет жесткую связь с ползуном 23, жесткими связями 9, штоками 14 гидроцилиндра 21, а несущая траверса 8 имеет жесткую связь с гидроцилиндром 21 через ребро жесткости 20 и подвижные связи со штоками 14 через ползуны 18 и рейкой 10 через ползуны жесткой связи 9.

Корпус гидроцилиндра 21, имея жесткую связь с несущей траверсой 8 и подвижные связи штоков 14 через ползуны 18, перемещает через жесткие связи 19 рейку 10 с резцами и создает возвратно-поступательные перемещения в горизонтальной плоскости, в зависимости от подачи жидкости под давлением в надпоршневое пространство.

Разработку узкой щели и возведение противофильтрацион-ной диафрагмы начинают после разбивки трассы и подготовки лидерных скважин 24. Устройство для образования щелей на грунте устанавливают на ось завесы и ориентируют раму 1 в продольной и поперечной плоскостях гидроцилиндрами опор 6, затем на ось захватки опускают телескопическими штангами 2 рабочий орган, включают гидроцилиндр 21 и начинают разработку грунта.

Рабочий орган состоит из пустотелой рейки 10 с резцами 12 и соплами 11 для выхода раствора в зону разработки грунта. Рейка имеет жесткую связь 19 со штоками 14, подвижную связь 23 с пазом гидролилиндра 15 и подвешена к несущей траверсе 8 через жесткую связь 9.

Возвратно-поступательные перемещения рейки 10, на установленную в зависимости от грунтовых условий длину, обеспечиваются гидроцилиндром 21 и ползунами 18, которые перемещают в пазах несущей траверсы 8 штоки поршня 14.

В результате возвратно-поступательных перемещений рабочий орган резцами разрабатывает грунт и перемешивает его с раствором, образуя глиногрунтовую смесь тела противофильтрационной завесы 25.

Раствор во внутрь рабочего органа 10 подают от узла подачи раствора 3 по металлорукаву 17, патрубок 13, закрепленный на рейке 10, и далее раствор через сопла 11 выходит в зону разработки и перемешивания грунта.

После прохода захватки до проектной отметки разрыхленный и перемешанный грунт дополнительно насыщают раствором и перемешивают его с грунтом в момент извлечения рабочего органа.

Применение рабочего органа в виде рейки с резцами и соплами для выхода раствора позволяет регулировать скорость проходки в зависимости от грунтовых условий, дополнительно контролировать качество проходки и менять резцы применительно к разрабатываемым грунтам, а отсутствие тяговых лебедок приводит к снижению энергозатрат. Производительность установки — 220—250 м2 за смену.

Траншеепроходческий агрегат для образования траншей с уплотненными стенками

Одной из трудоемких операций при образовании узкой глубокой траншеи остается извлечение грунта из зоны разработки на поверхность. При этом применяют два метода извлечения грунта — подъем его на поверхность грейфером, ковшом, шнеком и вынос на поверхность эрлифтной установкой или грязевым насосом в виде пульпы (смесь отработанной грунтовой стружки с глинистым раствором).

С целью упрощения и удешевления процесса образования узких щелей в мягких грунтах под несущие и ограждающие стенки подземных сооружений, возводимых по методу "стена в грунте", предложено Устройство для образования глубоких траншей с уплотненными стенками в грунтах I—IV категорий по сложности разработки, шириной 0,2—0,6 м, глубиной до 25 м

Устройство для образования узких глубоких траншей предназначено для образования узкой траншеи в грунтах I—IV категорий по сложности их разработки с включением крупной гальки и валунов под несущие, ограждающие и противофильтрационные стенки заглубленных сооружений под глинистой суспензией послойно в горизонтальной плоскости.

Устройство включает сваебойный агрегат на базе экскаватора 1 с копровой стрелой 2 и опорной траверсой 3, которую опускают и поднимают канатом 5. В зависимости от грунтовых условий распорным домкратом 15 создают дополнительную жесткость опорной траверсе. Опорная траверса собрана из двух балок двутаврового сечения, соединенных между собой ребрами жесткости 22. В направляющих опорной траверсы размещают каретку 20 с роликами 19 и удерживают ее в заданном положении канатом 4. Ролики 19 служат для перемещении каретки в вертикальной плоскости и являются опорной поверхностью при передаче усилия от гидроцилиндров 8 на опорную траверсу 3.

На каретку 20 монтируют обоймы 17 крепления гидравлических телескопических цилиндров, гидроаппаратуру 18 для создания давления в гидросистеме и через кронштейны 16 устанавливают направляющие 10 корпуса рабочего органа 6.

Корпус рабочего органа 6 получает возвратно-поступательные перемещения по направляющим 10 от гидроцилиндров 8, штоки которых соединены с клиновидным ножом 7 рабочего органа.

К корпусу 6 крепят режущую часть 7 в виде клина внедрения в грунт горизонтальной плоскости и режущую часть 9 внедрения в грунт в вертикальной плоскости (для разработки грунта в вертикальной плоскости при обходе валунов). Подачу в горизонтальной плоскости рабочий орган получает от телескопических гидроцилиндров 8, а в вертикальной плоскости усилие на разработку грунта создают лебедкой базовой машины через отклоняющий ролик 14 канатом 11. Направление перемещения в вертикальной плоскости показано стрелками 12 и 21.

На поз. а представлен разрез по А—А — вид на рабочий орган сверху в момент рабочего хода, а на поз.б— вид на рабочий орган в первоначальном положении. На рисунках показана схема крепления каретки 20 к опорной траверсе 3 и размещение устройства для уплотнения стенок траншеи в корпусе рабочего органа, при этом пунктиром показаны крылья расширителя в рабочем положении.

В пазах опорной траверсы размещены ролики 19, к которым крепят раму каретки 20. Внутри каретки 20 размещают обойму 17 крепления телескопических гидравлических цилиндров 8. К боковым стенкам корпуса рабочего органа крепят вибраторы 23 для уплотнения стенок траншеи в зависимости от грунтовых условий. В передней части корпуса устроены карманы 26 для захода крыльев расширителя 29 и размещены силовые гидроцилиндры 25, к штокам которых крепят крылья расширителей 29. Расширители шарнирами 24 соединяют с клином рабочего органа и используют при необходимости в зависимости от грунтовых условий.

Образование траншеи предлагаемым устройством производят следующим образом.

В заранее пробуренную скважину до проектной отметки опускают опорную траверсу 3 и внедряют ее в грунт на глубину клина 13, при необходимости создают дополнительную жесткость траверсе распорным гидродомкратом 15. Канатом 4 опускают каретку 20 с рабочим органом 6 по направляющим пазам опорной траверсы до начала проходки. Включают телескопические гидроцилиндры 8 на напор, давление через штоки гидроцилиндров передается на клиновидный нож 7 рабочего органа. Рабочий орган 6 за счет усилия гидроцилиндров перемещают по направляющим 10, внедряют в грунт и образуют стенки траншеи на ширину корпуса рабочего органа. В зависимости от грунтовых условий стенки траншеи уплотняют вибраторами 23 или используют расширители 29, которые получают усилия от силовых гидроцилиндров 25, при этом штоки гидроцилиндров передают усилие на крылья расширителей, которые перемещаются относительно оси шарниров 24 и расширяют траншею, после хода расширения, за счет обратного хода поршня, крылья расширителя складывают.

После рабочего хода телескопические гидроцилиндры 8 переводят на обратный ход, и рабочий орган принимает исходное положение, как показано на поз. б. Канатом 11 перемещают каретку вниз на длину хода, равную 0,9 части высоты рабочего органа, и процесс внедрения рабочего органа в грунт повторяют. Такие операции производят до проектной отметки. Затем рабочий орган 6 вместе с кареткой 20 канатом 4 поднимают на поверхность. Канатом 5 извлекают опорную траверсу 3 из грунта и перемещают устройство на длину, равную ходу рабочего органа в горизонтальной плоскости, и процесс повторяют.

Применение вышеописанного Устройства для образования узких глубоких траншей без выемки грунта на поверхность под глинистой суспензией не требует привлечения дополнительных вспомогательных механизмов, отпадает необходимость в устройстве дорогостоящих пионерных скважин, кроме одной, для выхода на забой, а внедрение в грунт рабочего органа в горизонтальной плоскости позволит вести образование траншей в несвязных грунтах с включением валунов. Производительность установки — 180—200 м2 за смену.

В качестве сменного рабочего оборудования агрегат имеет рабочий орган, выполненный в виде коробчатого ковша с режущим элементом 25 и размещенного в пазах направляющей 9. В передней части ковша устроены пластины обжатия грунта 8, а в задней части смонтированы гидроцилиндры выгрузки 16, при этом задняя стенка коробчатого ковша имеет отверстия 21 для выхода воздуха и глинистого раствора в момент забора грунта.

Рабочий орган 7 крепят к штокам телескопических гидро-цилиндров шарнирами 23, а гидроцилиндры размещают в обоймах 22, жестко соединенных с кареткой 6.

Использование траншеекопателя для образования в грунте узких глубоких траншей предлагаемой конструкции позволит эффективно производить разработку траншеи в несвязных грунтах с включением крупной гальки и валунов, снизить металлоемкость рабочего органа и сократить подготовительное время при образовании в грунте глубоких траншей, а также уменьшить энергозатраты на единицу извлеченного грунта: так, на разработку 1 м3 грунта затрачивают 1,5—2,0 кВт электроэнергии, при разработке грунта предложенным устройством энергозатраты составят 0,8—1,0 кВт на 1 м3 разработанного грунта. Производительность траншеекопателя — 180—200 м2 за смену, при ширине траншеи 0,2—0,8 м глубиной 25 м.