Может ли земляной щит с балансированием давления грунта работать без бентонита?

Вопрос о том, может ли машина для подъема труб под земным давлением возможность работы без бентонита — это вопрос, который часто обсуждают подрядчики, инженеры-проектировщики и специалисты по проектированию тоннелей. Смазка бентонитом на протяжении длительного времени являлась стандартной практикой при прокладке труб методом продавливания, поскольку она снижает трение по поверхности трубной колонны и защищает структуру окружающего грунта. Тем не менее существуют реальные ситуации, когда бентонит недоступен, когда условия грунта делают его применение излишним или когда экологические нормы ограничивают его использование. Чтобы понять, в каких случаях и возможно ли эффективное функционирование земляного щита с балансированием давления при прокладке труб методом продавливания без применения бентонита, необходимо четко разобраться в принципах работы данной машины, роли смазки и особенностях геологических условий.

Один машина для подъема труб под земным давлением спроектирована таким образом, чтобы поддерживать равновесие между забойной поверхностью и давлением окружающего грунта. Ее рабочее оборудование и камера давления совместно регулируют поток грунта и предотвращают обрушение или выпучивание забоя. Хотя эта основная функция по своей природе не зависит от бентонита, система смазки, окружающая трубную колонну, выполняет отдельную, но не менее важную задачу. Разделение этих двух функций имеет принципиальное значение при оценке возможности применения сухого или малосмазочного метода проталкивания для конкретного проекта.

Как используется Машина для подъема труб под земным давлением Управление грунтом без использования бентонита

Основной механизм балансировки давления

Внешняя машина для проталкивания труб с уравновешиванием давления грунта управляет забоем путем поддержания сбалансированного давления грунта в режущей камере. Грунт удаляется через шнековый конвейер с контролируемой скоростью, что обеспечивает стабильность давления на забое. Этот механизм полностью независим от инъекции бентонита. В устойчивых связных грунтах, таких как глина или суглинистая глина, трубопроводный щитовой проходческий комплекс с регулированием давления грунта может обеспечивать устойчивость забоя без какой-либо поддержки бентонитом на режущей головке. Сам грунт обеспечивает естественную связность, способствующую регулированию давления.

Силы трения вдоль трубной колонны

Критическая проблема, связанная с отсутствием бентонита, возникает не на режущей поверхности, а по внешней поверхности колонны труб. По мере продвижения земляного щита с уравновешиванием давления грунта вся колонна труб испытывает силу трения по боковой поверхности («трение по боковой поверхности») о окружающий грунт. При отсутствии смазки на основе бентонита, подаваемой через кольцевые инъекционные отверстия, эта сила трения может привести к увеличению усилий забивки до значений, превышающих предельную несущую способность трубчатых секций. При коротких проходках, в грунтах с низкой проницаемостью или при использовании очень коротких колонн труб земляной щит с уравновешиванием давления грунта может справиться с этими усилиями без применения бентонита. Однако при более протяжённых проходках, в песчаных грунтах или в гравийных основаниях накопление трения без смазки может стать серьёзным эксплуатационным ограничением.

Условия, при которых применение бентонита может быть необязательным

Короткая длина проходки в связных грунтах

Условия конкретного проекта существенно влияют на необходимость применения бентонитовой смазки при использовании земляного щита с балансированием давления грунта. При коротких проходках, как правило, длиной менее 30–40 метров, суммарное поверхностное трение может оставаться в пределах допустимых значений толкающего усилия даже без применения смазки. При работе земляного щита с балансированием давления грунта в связных глинах с естественно низкой проницаемостью грунт, как правило, формирует устойчивую кольцевую зону вокруг трубопровода, а не обрушается на него. Такое естественное поведение снижает трение без необходимости введения смазочного состава. Инженеры, осуществляющие прокладку коммуникаций в городских условиях в районах, где преобладают глинистые грунты, успешно завершили проходки земляным щитом с балансированием давления грунта без использования бентонита в указанных контролируемых условиях.

Экологические и нормативные ограничения

В некоторых проектных условиях применение бентонита ограничено из-за опасений загрязнения грунтовых вод или требований к утилизации. Чувствительные зоны водоносных горизонтов, охраняемые болотистые территории или коридоры инфраструктуры вблизи очистных сооружений могут ограничивать или полностью запрещать инъекции бентонита. В таких случаях проектная группа, осуществляющая прокол труб с помощью земляного щита, должна оценить альтернативные стратегии смазки либо принять повышенные усилия проталкивания, спроектировав более прочные стыки труб. В качестве заменителя бентонита иногда применяются полимерные смазочные материалы; при очень коротких участках прокола земляной щит может работать только на воде или без применения смазки, если несущая способность труб позволяет это.

Риски и практические рекомендации по эксплуатации без бентонита

Повышенные усилия проталкивания и риск повреждения труб

Эксплуатация буровой установки для прокладки труб методом горизонтального бурения с балансировкой давления грунта без бентонита существенно увеличивает усилия проталкивания, особенно при проходках длиной более 40 метров. Повышенные усилия повышают риск повреждения стыков труб, образования трещин в зонах фланцев и возможного несоосного положения труб. Кроме того, на режущую головку буровой установки для прокладки труб методом горизонтального бурения с балансировкой давления грунта может действовать повышенный крутящий момент из-за сопротивления грунта по периферии. Инженеры проекта должны рассчитать максимально допустимое усилие проталкивания для выбранного материала труб и сопоставить его с прогнозируемыми нагрузками от трения перед принятием решения об отказе от применения бентонита. Армированные бетонные трубы для проталкивания, рассчитанные на более высокие нагрузки, обладают большей устойчивостью, однако даже для них установлены строго определённые пределы, которые буровая установка для прокладки труб методом горизонтального бурения с балансировкой давления грунта не должна превышать.

Воздействие на грунт и оседание грунта

При отсутствии кольцевой смазки земляной щитовой трубоукладчик с балансировкой давления грунта может вызвать более значительные нарушения грунта вдоль трассы прокладки трубопровода. Бентонит заполняет кольцевой зазор, образующийся между выработанным стволом и наружной поверхностью трубы, предотвращая миграцию грунта и снижая осадку поверхности. При продвижении земляного щитового трубоукладчика с балансировкой давления грунта без этого заполнителя кольцевой зазор может постепенно обрушаться, что приводит к неравномерной осадке грунта над осью проходки. В городских условиях, где имеются чувствительные наземные сооружения, дороги или подземные коммуникации, этот риск нельзя игнорировать. Даже при идеальном управлении давлением на забое отсутствие кольцевого заполнения бентонитом означает, что земляной щитовой трубоукладчик с балансировкой давления грунта может вызывать вторичные перемещения грунта, не связанные напрямую с контролем давления на забое.

Выбор в зависимости от типа грунта и параметров проходки

Окончательное решение о том, следует ли исключить бентонит из процесса проходки трубопровода с помощью земляного щита с балансом давления, должно основываться на структурированном геотехническом анализе. Ключевыми параметрами являются длина проходки, диаметр трубы, классификация грунта, уровень грунтовых вод и допустимое усилие продавливания. Земляной щит с балансом давления показывает наилучшие результаты без смазки при коротких проходках через низкопроницаемые связные грунты с минимальным уровнем грунтовых вод. Отсутствие бентонита несёт измеримые риски при длинных проходках, в крупнозернистых грунтах или при сложных условиях забоя. Квалифицированный инженер, проводящий анализ этих параметров, определит, может ли земляной щит с балансом давления безопасно продолжать работу с пониженным или полностью исключённым применением смазки для конкретного проекта.

Часто задаваемые вопросы

Может ли земляной щит с балансом давления обеспечивать устойчивость забоя без применения бентонита?

Да. Машина для прокладки труб методом балансирования земляного давления обеспечивает устойчивость забоя за счет камеры давления и системы шнекового конвейера, не используя бентонит. Устойчивость забоя зависит от баланса земляного давления, а не от смазки. Основная функция бентонита — снижение силы трения по поверхности трубной колонны, а не в зоне резания.

Какова максимальная длина проходки, при которой отказ от применения бентонита является разумно безопасным?

Универсального предела не существует, однако многие специалисты считают проходки длиной до 30–40 м в связных грунтах потенциально возможными без смазки или с её минимальным применением при использовании машины для прокладки труб методом балансирования земляного давления. При большей длине накопление усилия забивки обычно делает применение бентонита или другого смазочного материала необходимым для предотвращения повреждения труб.

Существуют ли альтернативы бентониту для смазки при проходке с использованием машины для прокладки труб методом балансирования земляного давления?

Да. В экологически чувствительных зонах в качестве альтернативы используются полимерные суспензии и биоразлагаемые смазочные материалы. Эти жидкости выполняют ту же функцию смазки кольцевого зазора, что и бентонит, для машины горизонтального бурения с контролем давления грунта, одновременно соответствуя более строгим требованиям экологического регулирования. Их применимость зависит от типа грунта, химического состава подземных вод и конкретных нормативных требований проектного участка.