Шнековые расточные станки: как они работают и как выбрать правильный

Что делает сверлильный станок и где он используется

Шнеково-буровая машина — это бестраншейный строительный инструмент, предназначенный для горизонтальной установки стальных обсадных труб через грунт без рытья открытой траншеи на всем протяжении трассы установки. Машина расположена внутри пусковой ямы и приводит в движение вращающийся винтовой шнек — вал со спиральными лопастями — вперед сквозь землю, одновременно толкая за ним стальную обсадную трубу. Вращающийся шнек разрезает и вытесняет почву на забое и переносит вынутый материал обратно через внутреннюю часть обсадной колонны в пусковую яму, где он собирается и удаляется. В результате устанавливается обсадная труба, проходящая под дорогой, железной дорогой, водным путем или другим наземным препятствием, не нарушая поверхность над ней.

Шнековое бурение — один из наиболее широко используемых методов бестраншейной прокладки в коммунальном строительстве. Это стандартный подход к прокладке водопроводов, газопроводов, электропроводок и телекоммуникационных каналов под переездами дорог, железнодорожными путями и экологически чувствительными территориями, где открытые раскопки не разрешены или слишком дороги. Этот метод ценится за свою относительную простоту, механическую надежность и экономическую эффективность в широком диапазоне почвенных условий по сравнению с более сложными бестраншейными технологиями, такими как микротоннелирование или горизонтально-направленное бурение.

Как работает шнеко-расточный станок: основная механика

Принцип работы шнеково-сверлильный станок Это просто, но понимание его в деталях помогает понять, что машина может делать хорошо, и в чем заключаются ее ограничения. Процесс начинается в пусковой яме, выкопанной на глубину, позволяющую разместить буровую машину на высоте, соответствующей запланированной установке. Машина размещается на стальных рельсах, точно выровненных по требуемому направлению и уклону отверстия с помощью лазерного наведения или оборудования для оптического наблюдения.

Силовой агрегат машины — обычно электродвигатель или система гидравлического привода — вращает колонну шнека через приводной патрон, в то время как система гидравлической тяги толкает весь узел шнека и корпуса вперед в почву. Режущая головка в передней части колонны шнека разрывает и разрыхляет почву, а винтовые витки вращающегося шнека переносят шлам назад через отверстие и обратно в пусковую яму. Стальная обсадная труба приваривается по секциям к задней части ведущей трубы по мере продвижения скважины, постепенно наращивая обсадную колонну до тех пор, пока буровая машина и шнек не выйдут в приемную яму на дальнем конце перехода.

После завершения бурения колонна шнека вынимается из обсадной трубы, оставляя стальную обсадную трубу постоянно на месте в земле. Несущая труба — собственно инженерная труба, по которой будет транспортироваться продукт — затем устанавливается через отверстие обсадной колонны. Кожух действует как защитный канал для несущей трубы и обеспечивает структурную поддержку от грунтовых и поверхностных нагрузок над переходом. Эта двухтрубная система является определяющей характеристикой конструкции шнекового отверстия, которая отличает ее от методов, в которых труба для продукта устанавливается непосредственно без кожуха.

Типы шнеко-расточных станков

Буровые шнековые машины производятся в различных размерах и конфигурациях, подходящих для различных диаметров установки, условий почвы и требований проекта. Понимание основных категорий помогает подобрать оборудование в соответствии с конкретными требованиями проекта.

Обычные шнеко-расточные станки

Обычные шнековые сверлильные машины, иногда называемые гусеничными или монтируемыми на опоре агрегатами, являются стандартной конфигурацией для большинства проектов по переездам дорог и коммуникаций. Машина установлена ​​на стальной гусеничной раме внутри пусковой ямы и использует поворотную приводную головку и гидравлические цилиндры для одновременного продвижения шнека и корпуса. Эти машины доступны в размерах, охватывающих диаметр корпуса от 100 мм до 1500 мм или более, с грузоподъемностью от 50 тонн для машин малого диаметра до 500 тонн и более для установок большого диаметра. Скорость и крутящий момент приводной головки подбираются в зависимости от диаметра обсадной колонны и состояния почвы, при этом большинство машин предлагают плавное регулирование скорости для оптимизации производительности резки на различных типах грунтов.

Системы шнекового растачивания пилотных труб

Шнековое бурение направляющей трубки представляет собой усовершенствованную версию обычного шнекового бурения, в которой перед просверливанием шнека полного диаметра добавляется этап установки управляемой направляющей трубки. Пилотную трубку малого диаметра сначала направляют в приемную яму с помощью теодолита или системы наведения камеры, устанавливая точно выверенную траекторию пилота. Затем шнековая бурильная машина следует за выравниванием направляющей трубы, чтобы установить обсадную трубу в правильном положении и на нужном уклоне. Этот подход обеспечивает значительно более жесткие допуски при установке — обычно в пределах ± 25 мм от запланированного выравнивания — по сравнению с обычным шнековым бурением, что делает его подходящим для применений, требующих точного контроля уклона, таких как самотечные канализационные установки и переходы с жесткими требованиями к зазору под существующими коммуникациями.

Роботизированные шнеко-расточные станки

Роботизированные или дистанционно управляемые шнековые бурильные машины предназначены для установки в замкнутых пространствах, опасных средах или местах, где присутствие оператора в котловане ограничено. Эти машины управляются с поверхности с помощью удаленной консоли и включают в себя системы камер и электронный мониторинг, позволяющие оператору управлять скважиной, не находясь в пусковой яме. Роботизированное шнековое буровое оборудование особенно актуально для переходов в экологически чувствительных зонах, на загрязненной почве или на объектах с ограниченным доступом, которые не позволяют использовать обычные ручные работы в ямах.

Компактные и салазочные машины

Компактные шнековые сверлильные станки, смонтированные на раме, предназначены для установок меньшего диаметра (обычно от 100 до 600 мм) в условиях ограниченного городского пространства, где размер ямы и ограничения доступа ограничивают использование полноразмерного оборудования. Эти машины занимают меньшую площадь, чем обычные гусеничные агрегаты, требуют более мелких пусковых ям, их можно быстрее перемещать и устанавливать между точками. Они обычно используются для подключения коммунальных услуг, пересечения телекоммуникационных трубопроводов и небольших водопроводных и газовых магистралей под городскими дорогами, где земляные работы затрудняют работу и доступ ограничен.

Состояние почвы: где шнековое бурение работает, а где нет

Состояние почвы является наиболее важным фактором, определяющим, является ли шнековое бурение подходящим методом для данного пересечения и какое конкретное оборудование и конфигурация режущей головки потребуются. Шнековое бурение хорошо работает в широком диапазоне типов грунтов, но имеет определенные ограничения, которые необходимо тщательно учитывать при планировании проекта.

Наиболее распространенным видом отказа при шнековом бурении является отклонение от запланированного выравнивания — ствол смещается от линии или уклона из-за изменчивости грунта, препятствий или неправильной настройки машины. Связные грунты с постоянными свойствами являются наиболее щадящими с точки зрения сохранения направления ствола скважины. Зернистые грунты, смешанные условия забоя и любой грунт, содержащий валуны или булыжники, значительно увеличивают риск отклонения и требуют более строгого контроля центровки по всей скважине.

Характеристики шнека и корпуса: что нужно понять перед заказом

Характеристики шнека и корпуса — это технические параметры, которые определяют, что может устанавливать шнеково-буровая машина и как она будет работать в конкретных грунтовых условиях. Правильное соблюдение этих спецификаций имеет основополагающее значение для успешной установки: шнеки меньшего размера не способны обеспечить крутящий момент для почвенных условий, а обсадная колонна, не соответствующая тяговому усилию машины, может прогнуться или застопорить бурение до завершения работ.

Конструкция и диаметр шнека

Витки шнека — спиральные лопасти, обернутые вокруг центрального вала — должны быть такого размера, чтобы проходить внутри диаметра обсадной колонны с достаточным зазором для транспортировки шлама назад без застревания. Внешний диаметр стандартного шнека обычно на 10–25 мм меньше номинального внутреннего диаметра корпуса, что обеспечивает кольцевое пространство для транспортировки шлама. Шаг полета — расстояние между последовательными витками спирали — влияет на эффективность перемещения шлама по шнеку. Более узкий шаг более эффективен на рыхлых, текучих почвах; более широкий шаг лучше справляется с липкими связными грунтами, уменьшая тенденцию глины скапливаться в скребках и вызывать засоры.

Допустимый крутящий момент вала шнека

Вал шнека должен быть способен передавать крутящий момент, необходимый для разрезания почвы и транспортировки шлама обратно в пусковую яму, без перекручивания и выхода из строя. Требуемый крутящий момент увеличивается с увеличением диаметра ствола, прочности грунта, длины обсадной колонны и глубины почвенного покрова над стволом. Для длинных скважин в жестких грунтах совокупный крутящий момент на валу шнека, который должен преодолевать как сопротивление резанию на забое, так и трение шлама по всей длине ствола, может быть очень существенным. Производители шнековых буровых станков публикуют номинальные крутящие моменты для своего оборудования в конкретных грунтовых условиях, и их следует сравнить с геотехнической оценкой ожидаемого требуемого крутящего момента, прежде чем будет завершен выбор оборудования.

Толщина и класс стенки корпуса

Стальная обсадная труба для установки шнекового бурения должна иметь достаточную толщину стенок, чтобы выдерживать сжимающее усилие, приложенное буровой машиной, без коробления, а также достаточную конструктивную способность, чтобы выдерживать нагрузки на почву и поверхность, приложенные после установки. Минимальная толщина стенки корпуса шнека обычно определяется требованиями к осевой нагрузке при установке, при этом обычно указывается API 5L или эквивалентные марки конструкционной стали. Для переездов, находящихся под большой нагрузкой на автомагистрали или железнодорожные пути, требуются дополнительные расчеты толщины стенок, основанные на условиях постоянной эксплуатационной нагрузки. Соединения обсадных труб обычно свариваются встык в приямке во время установки, и качество сварных швов напрямую влияет на структурную целостность готовой обсадной колонны как при монтажных, так и при эксплуатационных нагрузках.

Требования к запуску Pit и настройка

Пусковая яма — это рабочая платформа, с которой работает шнекобуровая машина, и ее конструкция и конструкция так же важны для успеха установки, как и сама машина. Пусковая яма неправильного размера или плохо построенная пусковая яма является одной из наиболее частых причин проблем при строительстве скважины шнека: нестабильная стенка ямы может обрушиться и заблокировать скважину, а слишком короткая яма препятствует полному использованию хода машины, снижая эффективность установки.

• Длина ямы: Пусковая яма должна быть достаточно длинной, чтобы вместить длину бурильной машины плюс длину одной секции обсадной трубы плюс рабочее пространство для оператора и оборудования. Минимальная длина приямка равна длине машины плюс 1,5–2-кратная длина соединения обсадных труб является общим правилом планирования, хотя конкретные требования к машине и длина обсадной трубы различаются. Более длинные ямы обеспечивают более эффективную работу за счет максимального увеличения каждого хода толкателя перед остановкой для добавления новой секции обсадной колонны.
• Ширина ямы: Ширина ямы должна позволять размещать машину на гусеничной раме с достаточным зазором с каждой стороны для доступа и работы. Обычно требуется минимальный рабочий зазор 600 мм с каждой стороны рамы машины, а дополнительная ширина необходима для манипуляций с обсадными трубами, удаления отходов и соблюдения техники безопасности. Яма также должна быть достаточно широкой, чтобы обеспечить аварийный выход рабочих в случае движения грунта или отказа оборудования.
• Глубина ямы и высота машины: Глубина ямы определяется необходимой глубиной установки осевой линии корпуса. Машину необходимо расположить на высоте, обеспечивающей правильную глубину и уклон скважины с учетом высоты машины над полом ямы. Точная настройка высоты машины на ее стартовой раме имеет решающее значение — любая ошибка в высоте машины приводит непосредственно к ошибке окончательной глубины установки, которую невозможно исправить после начала растачивания.
• Опора и укрепление ямы: Пусковые ямы должны иметь опоры или опоры, чтобы предотвратить обрушение стен во время работы машины. Вибрация, создаваемая буровой машиной, в сочетании с дополнительной нагрузкой от веса машины на стенку карьера создает условия, которые могут дестабилизировать безопорные земляные работы даже на устойчивом грунте. Стальные шпунтовые сваи, траншеи или деревянные опоры являются стандартными методами поддержки, и конструкция крепления должна учитывать силу реакции, создаваемую системой тяги буровой машины, прижимающейся к оголовку карьера.
• Конструкция упорной стены: Гидравлические цилиндры буровой машины упираются в упорную стенку в задней части пусковой ямы — обычно это железобетонная конструкция или система подшипников из стальных пластин, предназначенная для распределения силы тяги на окружающий грунт. Упорная стенка должна быть способна выдерживать полную номинальную нагрузку буровой машины без смещения или поломки. Любое движение упорной стенки во время растачивания приводит к смещению станка от его выравнивания, что может привести к отклонению отверстия, которое невозможно исправить.

Контроль соосности и точность при шнековом растачивании

Поддержание запланированного горизонтального и вертикального выравнивания по всему отверстию шнека является одной из основных технических задач этого метода. В отличие от управляемых бестраншейных методов, таких как горизонтально-направленное бурение или прокладка микротоннелей, обычное шнековое бурение не имеет активного рулевого механизма — как только бурение начинается, любое отклонение от запланированной линии и уклона не может быть исправлено во время этого бурения. Это делает точность настройки перед рассверливанием и мониторинг в реальном времени во время растачивания критически важным для достижения приемлемой установки.

Выравнивание машины производится до начала бурения с помощью лазерного уровня или оптического измерительного прибора, расположенного в пусковой яме. Лазерный луч определяет осевую линию запланированного отверстия, а приводная головка машины выравнивается по ней с помощью регулируемых опорных домкратов на раме гусеницы. Точность этой первоначальной настройки напрямую определяет достижимый допуск при установке — хорошо настроенная машина в хороших грунтовых условиях может достичь точности по горизонтали и вертикали в пределах ± 50 мм при типичной длине пересечения дороги 20–40 метров с обычным буровым оборудованием и в пределах ± 25 мм с системами наведения с направляющей трубкой.

Во время бурения соосность контролируется путем отслеживания положения режущей головки или ведущей обсадной трубы с помощью системы камер, геодезических приборов или мишени, установленной в скважине и наблюдаемой через переходник. Любое обнаруженное отклонение должно привести к проверке возможных причин — изменчивости почвы, препятствий, воздействия вибрации машины — прежде чем продолжить. В большинстве традиционных применений шнекового растачивания возможности исправления отклонения после его возникновения ограничены, поэтому раннее обнаружение и решение отказаться от и перепроектировать отверстие до того, как накопится чрезмерное отклонение, часто более рентабельно, чем продолжение отверстия, которое уже значительно отклонилось от допуска.

Сравнение шнекового бурения с другими бестраншейными методами

Шнековое бурение — это один из нескольких методов бестраншейной установки, доступных для инженерных переходов, и выбор между методами зависит от таких факторов, как диаметр установки, длина пересечения, состояние почвы, требования к точности и бюджет проекта. Понимание преимуществ шнекового бурения по сравнению с основными альтернативами помогает сделать осознанный выбор метода во время планирования проекта.

• Сравнение шнекового бурения и горизонтально-направленного бурения (ГНБ): ГНБ использует управляемую бурильную колонну и экскавацию с помощью жидкости для установки труб по изогнутому профилю, допуская как горизонтальные, так и вертикальные изгибы на пути установки. ГНБ более гибок с точки зрения геометрии установки и может достигать большей длины пересечения, чем шнековое бурение. Однако ГНБ требует более специализированного оборудования и опыта, менее эффективен в связных глинах, которые плохо взаимодействуют с буровым раствором, и не требует установки стальной обсадной трубы — продуктивная труба протягивается напрямую. Шнековое бурение, как правило, более рентабельно для более коротких прямых переходов в связном грунте, где стальной корпус требуется по конструкции или техническим характеристикам.
• Сравнение шнекового бурения и микротоннелирования: При микротоннелировании используется туннельная машина с дистанционным управлением и возможностью активного рулевого управления, непрерывным удалением грунта через шламопровод и мониторингом положения в реальном времени для установки труб с очень высокими допусками соосности — обычно ± 10–25 мм. Он подходит для сооружений большого диаметра, длинных переходов и применений, требующих точного контроля уклона, таких как самотечные канализационные установки. Компромиссом является значительно более высокая стоимость оборудования и сложность эксплуатации по сравнению со шнековым бурением. Шнековое растачивание является предпочтительным, если допуски на установку могут быть соблюдены с помощью обычного оборудования, а длина и диаметр пересечения находятся в пределах практического диапазона метода.
• Шнековое бурение и трамбовка труб: При трамбовке трубы стальная колонна пробивает землю с помощью пневматического ударного молота, а не вращающегося шнека. Для него не требуется никакого оборудования для пусковой ямы, кроме ударного молота, он быстрее настраивается и может работать с некоторыми грунтовыми условиями, особенно с валунами или булыжником, которые вызывают проблемы при бурении шнеком. Ограничением является то, что трамбовка труб не обеспечивает активного удаления грунта во время установки — грунт сжимается вокруг обсадной колонны, а не выкапывается, что может привести к осадке поверхности и не подходит для всех грунтовых условий. Непрерывное удаление грунта с помощью шнекового бурения с помощью витков шнека снижает риск оседания поверхности по сравнению с трамбованием труб, что делает его предпочтительным в чувствительных поверхностных средах.

Ключевые факторы, которые следует учитывать при выборе шнеково-расточного станка

Выбор подходящей шнекобуровой машины для проекта требует согласования возможностей машины с конкретными требованиями к установке таким образом, чтобы обеспечить достаточную производительность для ожидаемых условий без ненужного увеличения размеров оборудования, которое увеличивает затраты на мобилизацию. Следующие факторы представляют собой основные параметры спецификации, которые необходимо оценить при выборе оборудования.

• Максимальный диаметр обсадной колонны и диапазон диаметров отверстий: Машина должна быть способна перемещать обсадную колонну необходимого диаметра в имеющихся почвенных условиях. Убедитесь, что приводной патрон машины, ширина гусеничной рамы и мощность шнека охватывают весь диапазон диаметров, необходимых для проекта, включая любые различия между различными пересечениями по одному и тому же контракту.
• Максимальная сила тяги: Тяга машины должна превышать ожидаемую максимальную тягу установки, которая рассчитывается на основе диаметра обсадной колонны, длины пересечения, параметров трения грунта и любых препятствий, предполагаемых на пути бурения. При выборе грузоподъемности машины применяйте минимальный коэффициент запаса прочности 1,5 к расчетному усилию установки, чтобы учесть изменчивость почвенных условий и неожиданное сопротивление.
• Выходной крутящий момент и диапазон скоростей: Крутящий момент приводной головки должен быть достаточным для вращения колонны шнеков, преодолевая сопротивление резанию, и трение транспортировки шлама по всей длине ствола. Управление переменной скоростью позволяет оператору оптимизировать скорость вращения для различных типов и условий почвы по мере прохождения бура через переменный грунт.
• Длина хода: Длина гидравлического хода машины определяет, насколько продвигается обсадная колонна за один цикл толкания. Машины с более длинным ходом перемещают больше обсадной колонны за цикл и требуют менее частых остановок для добавления новых секций обсадной колонны, что повышает производительность. Сопоставьте длину хода с доступной длиной приямка и длиной соединения устанавливаемой обсадной трубы.
• Требования к источнику питания: Убедитесь, что машина работает на электрической, гидравлической или дизельной энергии и что на объекте имеется необходимый источник питания. Машины с электроприводом предпочтительнее использовать в ограниченных городских районах из-за шума и выбросов, но требуют надлежащего подключения к электросети. Машины с дизельным двигателем более автономны, но создают выхлопные газы и шум, которые могут потребовать снижения выбросов в чувствительных средах.
• Совместимость системы наведения: Подтвердите, совместима ли машина с системой наведения, требуемой спецификацией проекта — лазерной, оптической, камерой или пилотной трубкой — и что требуемая точность достижима с выбранной комбинацией машины и наведения в ожидаемых грунтовых условиях.