книги / Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых объектов в условиях севера

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-61-
в условиях Севера

слой почвы разрабатывать бульдозерами (типа ДЗ-27С, ДЗ-34С, «Интернейшнл Харвестер» ТД-25С) с предварительным рыхле­ нием его трехзубыми рыхлителями (типа ДП-26С, ДП-9С, У- РК8, У-РКЕ, «Интернейшнл Харвестер» ТД-25С), рыхлителями марки «Катерпиллер (модель 9В) и другими.

Рыхление должно производиться на глубину, не превы­ шающую толщину снимаемого плодородного слоя почвы.

При рыхлении грунта тракторными рыхлителями рекомен­ дуется применять продольно-поворотную технологическую схему.

Для снятия и перемещения плодородного слоя почвы могут применяться в зимнее время роторные траншейные экскаваторы (типа ЭТР-253А, ЭТР-254, ЭТР-254АМ, ЭТР-254АМ-01, ЭТР- 254-05, ЭТР-307, ЭТР-309).

Глубина погружения ротора при этом не должна превышать толщины снимаемого плодородного слоя почвы.

Особенности земляных работ в зимних условиях. Произ­ водство земляных работ в зимнее время связано с рядом слож­ ностей. Основные из них - промерзание грунта на различную глубину и наличие снежного покрова.

При прогнозе промерзания грунта на глубину более 0,4 м целесообразно предохранять грунт от промерзания, в частности, рыхлением грунта одноили многоточечными рыхлителями.

В отдельных местах небольшой площади предохранять грунт от промерзания можно путем его утепления древесными остатками, опилками, торфом, нанесением слоя пеностирола, а также неткаными рулонными синтетическими материалами.

Для С01фащения продолжительности оттаивания мерзлого грунта и с целью максимального использования парка земле­ ройных машин в теплое время рекомендуется в период установ­ ления положительных температур удалять снег с полосы буду­ щей траншеи.

Разработка траншей в зимнее время. Во избежание зано­ са траншей снегом и смерзания отвала грунта при работе зимой темп разработки траншей должен соответствовать темпу изоля­ ционно-укладочных работ. Технологический разрыв между зем-

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых -62 - объектов в условиях Севера

лёройной и изоляционно-укладочной колоннами рекомендуется не более двухсуточной производительности землеройной ко­ лонны.

При значительной глубине оттаивания (более 1м) грунт можно разрабатывать двумя роторными экскаваторами. При этом первый экскаватор разрабатывает верхний слой талого грунта, а второй - слой мерзлого грунта, укладывая его за отва­ лом талого грунта. Для разработки водонасыщенного грунта можно использовать также одноковшовый экскаватор, оборудо­ ванный обратной лопатой.

В период наибольшего оттаивания мерзлого слоя (при глу­ бине оттаивания 2м и более) траншея разрабатывается обычны­ ми методами, как в обычных или в болотистых грунтах.

Перед укладкой трубопровода в траншею, основание кото­ рой имеет неровности мерзлого грунта, на дне траншеи устраи­ вают постель высотой 10 см из талого рыхлого или мелкоразрыхленного мерзлого грунта.

Засыпка трубопровода. Для предохранения изоляционного покрытия трубопровода, уложенного в траншею, засыпка про­ изводится разрыхленным грунтом. Если 1рунт засыпки на бру­ ствере замерз, то целесообразно делать присыпку уложенного трубопровода на высоту не менее 0,2 м от верха трубы привоз­ ным мягким талым или разрыхленным механическим или буро­ взрывным методом мерзлым грунтом. Дальнейшую засыпку трубопровода мерзлым грунтом выполняют бульдозерами или роторными траншеезасыпателями.

Особенности технологии земляных работ при прокладке газопроводов диаметром 1420 мм в вечномерзлых грунтах.

Выбор технологических схем устройства траншей в вечномерз­ лых грунтах осуществляется с учетом глубины промерзания грунта, его прочностных характеристик и времени выполнения работ.

Устройство траншей в осенне-зимний период при глубине промерзания деятельного слоя от 0,4 до 0,8 м с помощью одно­ ковшовых экскаваторов типа ЭО-4123, НД-150 осуществляют после предварительного рыхления грунта стоечными рыхлите­ лями типа Д-355, Д-354 и другими, которые производят рыхле­

2. Разработка мерзлых грунтов - неотъемлемая часть нефтегазового строительства	-6 3 -
в условиях Севера

ние грунта на всю глубину промерзания за один технологиче­ ский прием.

При глубине промерзания до 1 м рыхление его осуществ­ ляют теми же рыхлителями за два прохода.

При большей глубине промерзания разработку траншей од­ ноковшовыми экскаваторами выполняют после предварительно­ го рыхления грунта буровзрывным способом. Шпуры и скважи­ ны по полосе траншеи бурят с помощью буровых машин типа БМ-253, МБШ-321, «Като» и других в один или два ряда, кото­ рые заряжаются взрывчатыми веществами (ВВ) и взрываются.

При глубине промерзания деятельного слоя грунта до 1,5м рыхление его для разработки траншей, особенно расположен­ ных не далее 10 м от существующих сооружений, производят шпуровым методом; при глубине промерзания грунта более 1,5 м - скважинным методом.

На участках сильнольдистых высокопрочных вечномерзлых грунтов с сопротивлением резанию более 50 - 60 МПа разработ­ ку траншей следует выполнять с предварительным рыхлением грунтов буровзрывным методом. При этом в зависимости от требуемой глубины траншей бурение шпуров в шахматном по­ рядке в 2 ряда посредством машин типа БМ-253, БМ-254 долж­ но осуществляться в корытообразной выемке глубиной от 0,2м (при глубине траншеи 2,2 м) до 1,1м (при глубине 3,1 м). Для устранения необходимости производства работ по устройству корытообразной выемки целесообразно внедрение буровых ма­ шин типа МБШ-321.

Насыпи на вечномерзлых грунтах, как правило, должны со­ оружаться из привозного грунта, добываемого в карьерах. Не рекомендуется в этом случае брать грунт для насыпи на полосе строительства газопровода.

Карьер следует устраивать (по возможности) в сыпучемерз­ лых грунтах, так как изменение их температуры незначительно влияет на их механическую прочность.

В процессе возведения насыпь должна быть отсыпана с учетом последующей ее осадки. Увеличение ее высоты в этом случае устанавливают: при производстве работ в теплое время года и отсыпки насыпи минеральным грунтом - на 15 %, при производстве работ в зимнее время и отсыпки насыпи мерзлым грунтом - на 30 %.

-6 4 -	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера

Засыпку трубопровода, уложенного в траншею, выполнен­ ную в вечномерзлых грунтах, осуществляют как в обычных ус­ ловиях, если после укладки трубопровода непосредственно сра­ зу после разработки траншеи и устройства подсыпки (при необ­ ходимости) грунт отвала не подвергся смерзанию. В случае смерзания грунта отвала во избежание повреждения изоляцион­ ного покрытия трубопровода его необходимо присыпать при­ возным талым мелкозернистым грунтом или мелкоразрыхленным мерзлым грунтом на высоту не менее 0,2м от верха трубы.

Дальнейшую засыпку трубопровода выполняют фунтом от­ вала с помощью бульдозера или, что предпочтительно, роторно­ го траншеезасыпателя, который способен разрабатывать отвал с' промерзанием на глубину до 0,5 м. При более глубоком промер­ зании отвала грунта необходимо его предварительно разрых­ лить механическим или буровзрывным способом. При засыпке мерзлым грунтом над трубопроводом устраивают грунтовый валик с учетом его осадки после оттаивания.

ВОПРОСЫ

1. В чем заключается проблема разработки мерзлых грун­

тов?

2.Каковы физико-механические и теплофизические свой­ ства мерзлых грунтов?

3.В чем состоит природа прочности мерзлых грунтов?

4.Какие существуют основные методы термического раз­ рушения мерзлого грунта?

5.Каковы три основных принципа разработки вечномерз­ лых грунтов?

^Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-65-

МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ

РЫХЛЕНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ

ГРУНТОВ

По принципу действия эти машины разделяют на статиче­ ские, разрабатывающие грунт за счет использования тягового усилия базового тягача, и динамические, разрушающие грунт Ударом или сколом. К этой группе машин относят также маши­ ны, разрушающие грунт отрывом и предназначенные для наре­ зания щелей в вечномерзлом грунте для уменьшения его проч­ ности и обеспечения выемки с помощью одноковшовых экска­ ваторов.

Наибольшее распространение в вечномерзлых грунтах по­ лучили одностоечные рыхлители на базе гусеничных тягачей. Рыхлителем называют землеройную машину, состоящую из ба­ зовой машины и заднего рыхлительного оборудования и пред­ назначенную для послойного рыхления прочных грунтов и по­ род. В вечномерзлых грунтах применяют только мощные гусе­ ничные рыхлители, базовой машиной которых является гусе­ ничный трактор, имеющий тяговое усилие более 300 кН.

3.1. Рыхлители статического действия

Рыхлители статического действия по номинальному тяго­ вому усилию базовых тракторов разделяют на сверхтяжелые с тяговым усилием более ЗООкН (мощность двигателя более ЗООкВт), тяжелые с тяговым усилием 200-ЗООкН (мощность 200 - ЗООкВт) и средние с тяговым усилием до 200кН (мощность двигателя до 200кВт). Рыхлители легкого типа для разработки мерзлых грунтов не используют.

Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых - 6 6 - объектов в условиях Севера

Промышленностью серийно выпускаются рыхлители на гу­ сеничных тягачах стяговым усилием 350, 250 и 150кН. Завер­ шено освоение рыхлителя на базовой машине с тяговым усили­ ем 500 кН, ведутся разработки по созданию рыхлителей на базо­ вых машинах с тяговым усилием 800 и 1000 кН.

Для разработки сезонно-мерзлого грунта применяют одно­ зубые рыхлители на гусеничных тягачах с тяговым усилием 100...200кН. Для разработки вечномерзлых грунтов требуются более мощные рыхлители на базовой машине с тяговым усили­ ем 200...300кН для грунтов V...VI категорий трудности и с тяго­ вым усилием более ЗООкН для грунтов VII и более высокой ка­ тегорий трудности.

Рыхлители статического действия показаны на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Рыхлители статического действия а - ДП-11С (на базовом тракторе Т-500), б - ДП-9С (на базовом тракторе

ДЭТ-250), в - Д-671(на базовом тракторе 150кН), г - ДП-22С (на базовом тракторе Т-180)

Современные конструкции рыхлителей вечномерзлого грунта имеют гидравлический механизм подъема-опускания рыхлителя и гидравлический механизм изменения угла рыхле­ ния.

3. Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-6 7 -

Рыхлители статического действия состоят из подвески, гид­ роцилиндров управления рабочим органом, зуба и буферного устройства.

Различают следующие виды подвесок (рис. 3.2): трехзвен­ ную, благодаря которой в процессе заглубления можно изме­ нить угол рыхления; параллепограммную (четырехзвенную), особенностью, которой является постоянство угла рыхления в процессе заглубления рыхлителя; четырехточечную (четырех­ звенную непараллеяограммную), обеспечивающую изменение угла рыхления в процессе разработки грунта; многозвенную, изменяющую также угол рыхления.

а- трехзвенная; б - параллелограммная; в - четырех точечная;

1- рама; 2 - гидроцилиндры для заглубления стойки рыхлителя; 3 - рабочая рама; 4 - стойка; 5 - буфер; 6 - наконечник; 7,9 - верхняя и нижние рамы;

8 - балка; 10- гидроцилиндры изменения угла рыхления

Чегырехзвенная непараллелограммная подвеска является перспективной конструкцией благодаря простоте устройства и изменению угла рыхления в процессе работы (рис. 3.3). Роль верхних тяг этих подвесок выполняют гидроцилиндры меха­ низма изменения угла рыхления. Благодаря изменению угла рыхления обеспечивается быстрое заглубление (выглубление) рыхлителя, вследствие чего энергоемкость процесса разрушения грунта снижается.

При использовании трехзвенных подвесок возрастает энер­ гоёмкость процесса разрушения грунта, так как с увеличением глубины рыхления возрастает угол рыхления.

Подвески прикреплены к усиленному заднему мосту гусе­ ничного тягача и лонжеронам (продольным балкам) ходовых тележек.

- 6 8 -	Механика мерзлых грунтов и принципы строительства нефтегазовых
	объектов в условиях Севера ___________________________________

Рис. 3.3. Одностоечный рыхлитель для вечномерзлого грунта с регули­ руемым углом рыхления и различными подвесками

а - четырехточечной; б - многозвенной: 1 - стойка; 2 - буфер; 3 - балка рабочего органа; 4 - амортизаторы; 5 - гпдроцюшндры заглубления

рыхлителя; б-опорные кронштейны крепления рабочего органа; 7 - нижние тяги; 8 - накладка; 9 - наконечник.

Конструкции наконечников для вечномерзлых грунтов (рис. 3.4) весьма разнообразны. Например, при разработке мо­ ренных мерзлых грунтов со значительным количеством валун­ ных включений применяют укороченные наконечники. Их ис­ пользуют для разработки слабых горных пород и очень крепких вечномерзлых грунтов. Для разработки большинства вечно­ мерзлых грунтов, в том числе и высокоабразивных, предназна­ чен удлиненный наконечник. Он имеет углубления на передней и задней поверхностях; при изнашивании самозатачивается. На­ конечники с отогнутым вниз носком обеспечивают улучшенные условия заглубления в грунт [24, 26]. Наконечник, оснащенный гребнем на лобовой поверхности, дробит грунт на более одно­ родные по размеру куски, что облегчает последующую их обра­ ботку землеройно-транспортными машинами. Наконечник с бо­ ковыми уширениями имеет повышенную на 30 - 40 % износо­ стойкость вследствие отвода избытка теплоты в боковые проре­ зи на ребрах. При этом производительность рыхления увеличи­

3. Машины и оборудование для рыхления вечномерзлых грунтов

-69-

вается на 2S...30% [38]. Боковые уширения увеличивают пло­ щадь прорези, что позволяет увеличить расстояние между па­ раллельными проходами при рыхлении вечномерзлого грунта. Укороченный, удлиненный и с боковыми уширениями наконеч­ ник относят к симметричным, а наконечник с гребнем и отогну­ тым носком к асимметричным.

Рис. 3.4. Наконечники различной формы

а- укороченный; 6 - удлиненный; в - с отогнутым носком;

г- с гребнем; д -с уширениями

Угол рыхления 5, угол заострения наконечника у3 и задний угол рыхления а», связаны между собой отношением 8 = у 3 + Озд (см. рис. 3.4, а). Угол рыхления 5 = 4 5 . . . 5 5 ° .

При этом угле обеспечивается минимальная энергоемкость процесса рыхления. Для укороченных наконечников отношение длины передней грани I и ширины 6 :/ / 6 = 2 ,5 ... 3 / 5 для удлинен­ ных //6=4...6. Отношение ширины наконечника с уширениями 7 /6 = 6 / к ширине наконечника принимают 6 i / 6 = l , 5 . . . 2 , 0 . Большее значение этого отношения рекомендуется для вечно-мерзлых грунтов V-VI категорий трудности, меньшее для VII-VIII кате­ горий. При разработке грунтов И -Х категорий трудности нако­ нечники с уширениями не применяют. В этом случае рекомен­ дуются удлиненные или укороченные наконечники.

Гидросистему управления рыхлителем, как правило, вы­ полняют совмещенной с гидросистемой бульдозера. Обычно применяют объемный гидропривод с замкнутой системой, со­ стоящей из масляного бака, системы фильтров, гидронасосов, унифицированных трех- и четырехпозиционных распределите­

;Механика мерзлых грунтопн принципы строительства нефтегазовых

" /Ц ~ объектов в условиях-Севера f ................

лей/трубопроводов; обратных и предохранительных клапанов, соединительных муфт и гидроцилиндров двойного действия.

Дня облегчения перестановки стойки рыхлителя по высоте, т. е. для регулирования вылета зуба, целесообразно оснащать рыхлители механизмом выдвижения пальцев механического или гидравлического действия. Для снижения пиковых динамиче­ ских нагрузок, передающихся на базовый тягач, и одновремен­ ного увеличения эффективности рыхления между верхней тягой и опорным кронштейном или между стойкой зуба и балкой рыхлителя устанавливают амортизирующее устройство. В про­ цессе внедрения наконечника рыхлителя в грунт амортизирую­ щее устройство накапливает энергию, а затем предает ее грун­ ту в момент скалывания элемента грунта, что уменьшает энер­ гоемкость процесса рыхления [26].

Номинальное тяговое усилие базового трактора определяют на плотном грунте при скорости движения 2,5...3 км/ч и буксо­ вании не более 7 %.

Рациональную глубину рыхления сезонно-мерзлого грунта в соответствии с рекомендациями работ [22,24,26,59,61] опре­ деляют с учетом минимальной энергоемкости процесса. Глуби­ на рыхления зависит от ширины наконечника рыхлителя сле­ дующим образом: Арац=(3,5...4,0)6. Это соотношение для про­ цессов разработки вечномерзлых грунтов, имеющих большую прочность по сравнению с сезонно-мерзлыми грунтами, носит теоретический характер, так как значительную глубину рыхле­ ния за один проход рыхлителя получить практически невозмож­ но. Например, для рыхлителя тягового класса 400 кН макси­ мально возможная глубина рыхления грунтов IX категории трудности составляет 10...30 см.

Результирующая сила сопротивления грунта рыхлению, ус­

ловно приложенная к режущей грани наконечника:
Р = у}Р<п -^02 >	(3-1)

где PQI и Р02 - касательная и нормальная составляющие

сопротивления грунта рыхлению.

Нормальная составляющая сопротивления грунта рыхле­

нию