768

го диаметра – вверх. В летний период охлажденный керосин находится в нижней части установки и плотность его здесь больше, чем в верхней, более нагретой части, в результате чего установка из теплообмена автоматически отключается.

4.5. Мобильный комплекс машин и механизмов для усиления земляного полотна

Анализ предыдущих разделов данной главы показывает, что в настоящее время в отечественной дорожной практике имеются различные технологии и приемы, обеспечивающие стабильность и долговечность автодорожного земляного полотна в различных инженерно-геологических и климатических условиях. При этом каждая технология имеет свою оптимальную область применения, определяемую такими факторами, как местоположение и климатические условия прохождения трассы, физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия региона и характер их изменения во времени, наличие соответствующего технологического оборудования, необходимых материалов и т.д.

В то же время необходимо отметить следующее.

1.Большинство традиционных технологий и методов производства работ ориентированы на новое строительство или на комплексную реконструкцию дороги, связанную с ее остановкой

иполной заменой дорожной одежды. Так, широко распространенные, эффективные и общепринятые методы армирования грунтов гибкими геосинтетиками не применимы в условиях существующей автодороги с интенсивным движением без его ограничения и полной остановки или сопряжены с устройством объездов, что в условиях болотистой местности и неразвитости транспортной сети северных регионов практически невозможно. Все сказанное также можно полностью отнести и к морозозащитным слоям из пенополистиролов.

2.По этим же причинам неэффективны и невыгодны многие из современных технологий, применяемых в геотехнике и описанных в предыдущих разделах.

Так, большинство химических методов закрепления грунтов, широко распространенных во второй половине предыдущего столетия, в условиях ужесточившихся экологических требований потеряли право на существование. К ним, по-видимому, следует

121

отнести закрепление грунтов смолами, кремнийорганическими соединениями, защелачивание и некоторые другие.

Экологически чистыми с точки зрения состава и состояния грунтов после их закрепления являются термические методы. Однако сложная организация, низкие темпы производства работ

ивысокие энергозатраты обуславливают невозможность ориентирования на них в ближайшие годы.

Из физико-химических методов закрепления грунтов допустимыми с точки зрения экологии можно считать технологии, использующие естественные материалы (песок, глину, щебень, камень), цементные растворы и бетоны, а с некоторым допущением силикат натрия.

Здесь следует отметить, что некоторые из высокоэффективных и безопасных в экологическом плане технологий сопряжены с использованием громоздкого оборудования, которое требует устройства специальных площадок или полного закрытия движения на дороге. К ним в первую очередь следует отнести струйную

иэлектроимпульсную технологии.

Таким образом, на подбор и разработку современных технологий стабилизации деформаций земляного полотна существующих автомобильных дорог в условиях болотистой местности и непрерывного движения накладывается ряд существенных ограничений.

На основании перечисленных ограничений в Сибирском государственном университете путей сообщения (СГУПСе) совместно с Институтом горного дела Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН) разработан комплекс мобильных машин и механизмов, позволяющих выполнять самый широкий спектр работ, связанных со стабилизацией деформаций земляного полотна [129]. Отличительной особенностью комплекса является высокая степень механизации выполняемых им работ. Используемое в комплексе оборудование обладает малой энергоемкостью, просто в обращении, имеет небольшие массу и габаритные размеры. Это позволяет использовать его в любых труднодоступных местах, в том числе на откосах и склонах, на подходах к мостам, в тоннелях и водопропускных трубах, на основной площадке земляного полотна в условиях непрерывного движения транспорта. Для работы оборудования не требуется ор-

122

ганизация технологических окон. В комплексе используются машины, механизмы и технологии, как серийно выпускаемые, так и специально разработанные в научных учреждениях г. Новосибирска. Конструкции многих машин и технологии их использования защищены многочисленными отечественными и зарубежными патентами. Они прекрасно зарекомендовали себя в суровых климатических условиях Сибири.

Разработанные в настоящей научно-конструкторской работе технологии ориентированы на перечисленные ниже машины и механизмы.

Пневмопробойники разработаны в середине 60-х годов прошлого века в Институте горного дела СО РАН, который является законодателем и одним из мировых лидеров в создании и развитии пневмоударных машин для работы в грунтах. Главными преимуществами пневмопробойников конструкции ИГД перед зарубежными аналогами были надежность, прочность, безотказность в работе и долговечность. Наиболее широкое применение они нашли при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций, но давно и успешно используются и при глубинном уплотнении грунтов, а также при устройстве набивных свай [101, 130, 131].

Пневмопробойник представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину ударного действия для пробивания скважин в грунте (рис. 50). Его отличительной особенностью является применение корпуса в качестве рабочего органа, образующего скважину путем радиального уплотнения грунта.

Рис. 50. Схема устройства реверсивного пневмопробойника

Пневмопробойник состоит из гильзы 1 и наковальни 2, запрессованной в гнезде гильзы. В корпусе пневмопробойника размещен ударник 3, в хвостовую часть которого входит патрубок 4, опирающийся на хвостовую гайку 5. На патрубке имеется торцевой эластичный клапан 6 для защиты внутренней полости маши-

123

ны от засорения. Подвод сжатого воздуха осуществляется через резинотканевый рукав 7. Во время работы ударник пневмопробойника под действием сжатого воздуха совершает возвратнопоступательное движение, нанося удары по наковальне.

Внедрение пневмопробойника в грунт происходит под действием ударов, наносимых ударником, движущимся внутри корпуса, по его переднему внутреннему торцу. Трение между наружной поверхностью корпуса и стенками скважины удерживает пневмопробойник от перемещения в обратном направлении под действием реактивных сил. Наличие осевой симметрии и значительная длина пневмопробойника гарантируют сохранение заданного направления во время движения в грунте. Реверсивное устройство позволяет изменять направление ударов, а следовательно, и направление движения пневмопробойника, т.е. обеспечивает его возврат по скважине. Благодаря этому появляется возможность проходки «глухих» скважин любой пространственной ориентации.

Производительность и диаметр уплотняемой за один проход зоны могут быть увеличены при применении пневмопробойника с расширителем (пневмоударные устройства ПГС 200, ФОРС и др.) [131]. Расширитель скважин может иметь различную форму в зависимости от поставленной задачи и выполняется в виде отдельных продольных секций, смонтированных на корпусе пневмопробойника и зафиксированных быстроразъемным замком. В собранном виде устройство движется в грунте, образуя скважину, диаметр которой равен диаметру расширителя. При включении режима «обратный ход» секции расширителя освобождаются от фиксации. Далее пневмопробойник извлекается из скважины на поверхность ручной лебедкой, в результате чего время извлечения сокращается в 2–3 раза.

Технические характеристики пневмопробойников, используемых в комплексе, представлены в табл. 3.

Для ориентации пневмопробойника при его запуске в нужном направлении используется стартовое устройство, состоящее из основания, закрепляемого штырями, и направляющей. Применение стартового устройства обеспечивает фиксацию положения пневмопробойника при запуске, простоту, удобство и точность запуска. Для поддержания пневмопробойника при возвращении

124

его из вертикальной или наклонной скважины используется тренога с ручной лебедкой типа БЛ-47 грузоподъемностью 500 кг с.

					Таблица 3
Технические характеристики пневмопробойников
Модель	Диаметр скважины,	Габаритные			Давление
(марка)		размеры,	Масса,	Расход
пневмо-	без расширителя/	длина/			сжатого
	с расширителем,		кг	воздуха,	воздуха,
про-	мм	диаметр,		м3/мин	МПа
бойника		мм
ИП-100	100/180	1 500/100	50	3,5	0,6
ИП-4603	130/200	1 500/130	90	5,0	0,6
ИП-140	140/250	1 650/140	100	5,0	0,6
ФОРС-250	240–270	1 500/250	100	4,0	0,6

Препятствием для применения пневмопробойника являются сухие слабоуплотняемые песчаные и переувлажненные глинистые грунты. В таких грунтах силы сцепления корпуса пневмопробойника с ними недостаточно для реализации эффекта его самодвижения в грунте. Валуны, остатки строительного мусора или другие преграды, находящиеся в грунте и сопоставимые по размерам с диаметром пневмопробойника, могут явиться причиной его отклонения от заданного направления, замедления движения или полной его остановки.

Круг задач, которые могут решаться с помощью пневмопробойников на железных и автомобильных дорогах, очень широк:

–проколы под насыпями для прокладки коммуникаций закрытым способом;

–устройство набивных свай;

–уплотнение грунтов земляного полотна и основания;

–устройство закрытых дренажных скважин;

–возведение стягивающих, анкерных и удерживающих конструкций;

–устройство противофильтрационных завес.

Этим возможности использования пневмопробойников не исчерпываются. В последние годы предложены новые оригинальные решения по использованию пневмопробойников в

125

транспортном строительстве [132, 133]. Их еще предстоит опробовать на практике.

Кольцевые пневмоударные машины, разработанные в ИГД СО РАН [134, 135], не имеют аналогов в мире и могут с успехом использоваться для забивки в грунты инъекторов различной конструкции, изготовления армированных микросвай, при устройстве стержневых креплений вертикальных стенок котлованов и откосов, создания анкерных креплений и противофильтрационных завес, водопонижающих и дренажных устройств. Машины (рис. 51) выполнены с осевым каналом для установки в него стержня и зажимным механизмом для передачи стержню через

	его боковую		поверх-
	ность энергии удара.
	Наличие		зажим-
	ного механизма ори-
	гинальной конструк-
	ции обеспечивает ав-
	томатическую		пере-
	становку	машины на
	забиваемом		стержне
	или инъекторе по ме-
	ре его заглубления в
	грунт. Обратному пе-
	ремещению		стержня
	под действием реак-
Рис. 51. Общий вид	тивных	сил	отдачи
пневмоударной машины ПУМ-65	машины	препятству-
	ют силы	трения по

его боковой поверхности о грунт и силы тяжести машины и стержня. Конструкция кольцевых машин исключает применение грузоподъемных средств и обеспечивает погружение стержня в грунт целиком или отрезками любой длины (рис. 52).

Передача ударной нагрузки через боковую поверхность стержня, а не его торец, исключает потерю им устойчивости, обеспечивает возможность выполнения работы в стесненных условиях и значительно расширяет возможности машин. Это позволяет совмещать при выполнении работы различные технологические операции, производя одновременно с забиванием или

126

извлечением стержня подачу в грунт различных материалов (жидкостей, бетонного раствора и т.п.) или устанавливая в него необходимые конструктивные элементы.

Рис. 52. Забивка пневмоударной машиной нагельных стержней при креплении стен котлована

К настоящему времени разработано несколько типоразмеров пневмоударных машин с различными техническими характеристиками (табл. 4).

							Таблица 4
		Технические характеристики
		кольцевых пневмоударных машин
	Модель	Диаметр	Длина	Масса		Расход	Давление
	(марка)	забиваемых	машины,	машины,	воздуха,		сжатого
		стержней					воздуха,
	машины		мм	кг		м3/мин
		или труб, мм					МПа
	ПУМ-3	12–25	700	18		1,5	0,6
	ПУМ-35	18–35	800	30		2,5	0,6
	ПУМ-65	35–65	800	60		4,0	0,6

127

Пневмомолоты «Тайфун»

созданы для забивания в грунт труб, шпунта и выполнения ряда других специальных строительных работ [136]. Благодаря новым техническим решениям они характеризуются более высокими по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами энергетическими показателями и экономичностью при одинаковых с ними массе и размерах. В ИГД СО РАН разработан типоразмерный ряд пневмомолотов «Тайфун», самый большой из которых имеет массу ударной части 1 500 кг (рис. 53). Технические реше-

Рис. 53. Общий вид пневмоударных ния, положенные в основу их молотов «Тайфун» конструкции, защищены патен-

тами Российской Федерации. Технические характеристики пневмомолотов «Тайфун», наи-

более удобных для работы в условиях действующих автомобильных дорог, приведены в табл. 5.

					Таблица 5
Технические характеристики пневмомолотов «Тайфун»
Модель	Диаметр забивае-	Длина	Масса	Расход	Давление
(марка)	мых стержней	машины,	машины,	воздуха,	сжатого
машины	или труб, мм	мм	кг	м3/мин	воздуха,
					МПа
Тайфун-40	159	800	80	2–3,5	0,6
Тайфун 80	273	900	200	3–6	0,6
Тайфун 130	325	1150	230	3–6	0,6

Все машины типа «Тайфун» предельно просты по своей конструкции, надежны и долговечны. Их ресурс достигает несколько сотен часов непрерывной работы. Более удобными в эксплуата-

128

ции их делает легкий запуск в работу без применения каких-либо специальных устройств, использование воздухоподводящих рукавов значительно меньших, чем у аналогов, диаметров и регулируемый в достаточно широком диапазоне расход воздуха при сохранении на одном уровне энергии удара. Последнее обстоятельство позволяет адаптировать пневмомолоты «Тайфун» к имеющемуся в распоряжении компрессору.

Машина «Тайфун-40» успешно зарекомендовала себя в различных условиях при прокладке труб диаметром от 114 до 219 мм под автодорогами и улицами г. Новосибирска. Техническая скорость забивки составляла 5–7 м/ч. Благодаря небольшим габаритам эта машина незаменима при работе в стесненных условиях. Она может быть с успехом применена при устройстве ограждающих, анкерных и стягивающих устройств, подпорных стенок, противооползневых конструкций и др.

Машина «Тайфун-130» способна забивать шпунт типа «Лар- сен-4» на глубину десять и более метров там, где применение свайных молотов и копрового оборудования невозможно по условиям их размещения.

Кроме забивки шпунта машины «Тайфун» можно использовать при изготовлении свай, пробивке отверстий под дрены, устройстве мощных анкеров, креплении оползневых откосов свайными рядами и т.д.

Раскатчик скважин также впервые был разработан в Институте горного дела СО РАН [137]. Раскатка – это непрерывный процесс образования цилиндрической полости путем деформации и уплотнения грунта раскатывающим рабочим механизмом. Раскатчик скважины представляет собой ряд установленных на эксцентриковом валу конических катков, оси которых смещены и развернуты так, что при вращении вала они катятся по винтовой линии. Катки посажены на вал с помощью подшипников, которые защищены от попадания в них частиц грунта специальными прокладками и уплотнительными кольцами. При передаче валу вращения и продольного усилия катки начинают обкатывать грунт, внедряясь в него и образуя при этом скважину. Диаметр уплотненной зоны вокруг скважины, полученной таким образом, значительно больше, чем при использовании пневмопробойника.

Приводом для раскатчика скважин может служить любой буровой станок с гидравлической осевой подачей. Вращение, пере-

129

даваемое раскатчику скважин от бурового станка через колонну буровых труб, снабженную центрирующим фонарем, осуществляется гидродвигателем станка. Дополнительное осевое усилие, передаваемое раскатчику от привода, способствует увеличению скорости проходки, позволяет его реверсировать, а также осуществлять проходку в обводненных и пластичных грунтах.

Главным препятствием для внедрения раскатчиков скважин в практику строительства долгое время являлся малый межремонтный срок его эксплуатации, зависящий в основном от надежности уплотнительных устройств опор качения.

Раскатчики скважин, разработанные в СГУПСе (рис. 54), благодаря оригинальным конструктивным решениям и современным материалам уплотнительных устройств опор качения, имеют гораздо более высокие показатели надежности и долговечности, чем имеющиеся немногочисленные аналоги [106, 137, 138].

Эксплуатация раскатчиков скважин может осуществляться в любых климатических зонах при изменении температуры окружающей среды в пределах от +50 до –30 оС и относительной влажности воздуха до 80 % при температуре +20 оС. Многолетний опыт их использования различными организациями показал, что наиболее перспективный диапазон диаметров раскатываемых скважин на основе технико-экономического анализа и практической проверки во многих видах грунтов находится в пределах 150–400 мм. Раскатчики в этом диапазоне диаметров имеют минимальную удельную энергоемкость, позволяют достигать высоких скоростей проходки скважин, использовать маломощные буровые установки и установки, разработанные специально для раскатки, в том числе и для работы в стесненных условиях.

Технические характеристики разработанных в СГУПСе раскатчиков скважин последней конструкции приведены в табл. 6.

Использование раскатчиков скважин дает ряд преимуществ, основными из которых являются:

–отсутствие шума и высокочастотных вибраций;

–отсутствие вибрационных воздействий на близкорасположенные здания и сооружения;

–высокие скорости проходки, достигающие в некоторых грунтах 1 м/мин;

130