Коллекция буровых технологий в строительстве. Устройство буронабивных свай непрерывным полым шнеком (метод НПШ)

Этой статьей мы продолжаем рубрику  «Коллекция буровых технологий в строительстве».

Первым в нашей  коллекции  буровых строительных технологий стал метод Келли, применяемый при устройстве буронабивных свай в скважинах, пробуренных под защитой инвентарных обсадных труб.

Затем была представлена технология двойного вращения, отличающаяся высокими показателями производительности при сооружении буронабивных свай.

Теперь пополним нашу коллекцию еще одной высокопроизводительной технологией, которая называется методом «устройства буронабивных свай непрерывным полым шнеком (НПШ)», или методом CFA.

Вначале отметим, что название этого метода в разных источниках несколько различается. Одни называют его методом «непрерывно перемещаемого шнека» (Continuous Flight Auger – шнек непрерывного действия), другие – методом «непрерывного проходного шнека».

Мы будем придерживаться терминологии, принятой в СП 45. 13330. 2017 «Земляные сооружения, основания и фундаменты», в котором данный метод называется «устройство буронабивных свай непрерывным полым шнеком (НПШ)».

Общее описание

Технология непрерывного полого шнека, как и любая другая технология, применяемая для устройства буронабивных свай, должна быть описана технологической картой, регламентом, а также утверждена для применения на конкретном объекте соответствующим проектом производства работ.

Проходка скважины под буронабивную сваю ведется непрерывным полым шнеком, собираемым из отдельных секций.

Секции полого шнека представляют собой круглую оболочку, составленную из двух труб. Внутренняя труба выполняет функции бетоновода, а к внешней толстостенной несущей трубе по всей ее длине приварена непрерывная винтовая лопасть в форме спирали Архимеда.

 Грунт по мере погружения (закручивания) шнека в массив грунт скользит по этой лопасти и впоследствии выдается на поверхность скважины. При подъёме шнека в процессе бетонирования остатки грунта поднимаются вместе со шнеком на поверхность.

В процессе бурения низ бетоновода шнека закрыт клапаном (для предотвращения попадания в него грунта). Перед началом подачи бетонной смеси бетононасосом через бетоновод в полость шнека необходимо поднять шнек без вращения примерно на 0,3 – 0,5 метра для образования полости с целью сброса клапана избыточным давлением, при этом открывает возможность подачи бетонной смеси в скважину.

Секции полого шнека имею разную длину: от 1,5 м до 6,0 м. Лидерная часть шнека, называемая забурником, представляет собой секцию, лопасть которой оснащена режущими элементами.

После сборки непрерывного полого шнека и крепления к ротору буровой установки осуществляется его погружение в грунт при помощи вращения до проектной отметки.

После завершения процесса бурения начинается этап бетонирования скважины. Бетонная смесь при помощи бетононасоса через гибкий бетоновод, вертлюг и полый шнек подается в скважину.

 Момент поступления бетонной смеси и формирования определенного давления в системе машинист буровой машины наблюдает на мониторе бортового компьютера (информация при этом фиксируется датчиком бетона, установленном в вертлюге).

 В момент превышения установленного показателя давления машинист буровой установки приступает к извлечению буровой колонны (бетононасос при этом продолжает подачу бетонной смеси с постоянной производительностью).

Таким образом, основной задачей машиниста буровой установки является извлечение колонны полого шнека при поддержании постоянного давления. При прохождении шнека через прослойку нестабильных грунтов машинист буровой установки наблюдает падение давления бетонной смеси, снижает скорость извлечения колонны, добиваясь повышения рабочего давления в системе бетоноводов до установленного значения.

Непрерывный полый шнек выдается на поверхность ротором буровой установки без вращения (допускается вращение шнека в плотных грунтах, но только по часовой стрелке), грунт с поднимаемого шнека при этом удаляется при помощи очистителя.

После завершения процесса бетонирования экскаватор – погрузчик убирает грунт от устья скважины, после чего подается арматурный каркас, устанавливается над устьем скважины и погружается в нее вначале под собственным весом, а затем при помощи вибропогружателя.

Вибропогружатель может быть как электрическим, так и гидравлическим. Гидравлический вибропогружатель снабжен зажимным устройством, что позволяет каркасу лучше входить в резонанс с частотой вибропогружателя. Таким образом, применение гидравлического вибропогружателя является в данном методе более эффективными, но более сложным в эксплуатации, так как для его работы требуется гидравлическая масло-станция.

В состав бурового комплекса при устройстве буронабивных свай методом НПШ входят:

— буровая установка с устройством контроля и фиксации параметров бурового процесса;

— бетононасос для подачи бетонной смеси через полый шнек в скважину;

— автомобильный или гусеничный кран (использование гусеничного крана в данном методе значительно удобнее, поскольку не требуется его многократная перестановка с выдвижением и уборкой опор, перестановкой подкладок);

— вибропогружатель, подвешиваемый к стреле крана;

— экскаватор – погрузчик для уборки выбуренного грунта из зоны работ.

Цикл сооружения буронабивной сваи методом НПШ (CFA) состоит из следующих технологических операций:

— бурение скважины непрерывным полым шнеком;

— бетонирование скважины при помощи бетононасоса через полость шнека с одновременным подъемом шнека и разгрузкой грунта;

— уборка грунта от устья скважины;

— погружение в скважину арматурного каркаса на проектную глубину.

Машинист буровой установки контролирует параметры бетонирования при помощи бортового компьютера, которым должна быть оснащена буровая установка.

Контролю, прежде всего, подлежат следующие технологические параметры: скорость бурения, глубину погружения шнека в грунт, давление и объем закачиваемой в скважину бетонной смеси, скорость подъема шнека в процессе бетонирования.

Современное программное обеспечение, которым оснащена буровая установка, позволяет сохранять в памяти компьютера все параметры технологического процесса и при необходимости предоставлять распечатку для последующего анализа или по требованию заказчика.

Таким образом, метод CFA является примером высокотехнологичного строительного процесса, что, в свою очередь, предъявляет высокие требования к квалификации линейного персонала, уровню организации  работ, технической готовности бурового комплекса.

При соблюдении всех указанных условий, можно добиться очень высоких показателей производительности работ. Опыт многих участников рынка буровых работ показывает, что при должной подготовке длительность цикла сооружения буронабивной сваи диаметром 600 мм длиной 18 — 20 метров составляет 40 – 45 минут.

То есть, одной буровой установкой можно производить до 12 – 13 свай с учетом времени на перемещение буровой установки с точки на точку.

Диапазон геометрических параметров сооружаемых методом CFA буронабивных свай достаточно широк и определяется конструктивными возможностями буровых установок.

Возможно сооружение свай глубиной до 35 метров, диаметры – от 400 мм до 1200 мм.

Метод  CFA целесообразно применять в дисперсных грунтах: илах, песках, слабых и неустойчивых обводненных грунтах, твердых и полутвердых глинистых грунтах.

В других видах грунтов, например, в плотных грунтах с прослойками скальных пород, включениями галечников или валунов применение данной технологии нецелесообразно (возможны недопустимые отклонения свай от вертикали, отказ оборудования или остановка бурения).

Достоинства и недостатки метода

Существенным преимуществом метода CFA является его высокая производительность. Темп работ зависит от характеристик грунта и геометрических параметров буронабивных свай (диаметр, длина). Примерная оценка темпов работ при сооружении свай диаметром 600 мм и длиной 18 – 20 пм приведена выше.

Данное преимущество объясняет популярность применения данного метода в зарубежной практике строительства. Применение метода CFA позволяет буровым компаниям существенно повысить свою доходность, укрепить финансовое положение.

Метод непрерывного полого шнека (CFA) обладает, помимо высокой производительности, другими достоинствами:

— высокая степень надежности процесса бетонирования с точки зрения обеспечения качества работ (исключаются нарушения сплошности свай при подаче бетонной смеси в скважину под давлением);

— пониженные шумовые нагрузки при бурении скважины и последующей разгрузке грунта, что позволяет применять метод в круглосуточном режиме в непосредственной близости от жилой застройки;

— изготавливаемые методом НПШ буронабивные сваи имеют более высокую несущую способность в сравнении, например, с методом Келли.

Во-первых, в процессе погружения каркаса вибрации от вибропогружателя передаются через арматурный каркас бетонной смеси, вследствие чего из нее удаляется воздух.

Во-вторых, при бетонировании в результате действия  избыточного давления внешняя поверхность сваи принимает волнообразную форму, что существенно улучшает? совместную работу сваи с грунтовым массивом.

Метод непрерывного полого шнека имеет недостатки:

— повышенный расход бетонной смеси, особенно в текучих дисперсных грунтах с низкими прочностными и деформационными характеристиками;

— нецелесообразность применять метод при наличии так называемого «холостого» бурения более 0,5 – 1,0 метра, что весьма часто встречается на практике (перерасход бетона, сложности погружения арматурного каркаса);

— невозможность применять метод в грунтах, характеризующихся напластованиями скальных пород (известняк, песчаник) и пород с включениями валунов или галечников.

Рекомендации по применению метода

Метод НПШ является более производительным в сравнении с методом двойного вращения и, тем более, с использованием штанги Келли. Пожалуй, метод НПШ является вторым по популярности в России после метода Келли.

Его популярность объясняется также историческими причинами — наличием в нашей стране большого количества буровых установок, предназначенных для сооружения буронабивных свай этим методом. В основном это оборудование активно приобреталось буровыми строительными компаниями в первые 10 – 15 лет нашего века.

Вместе с тем, метод НПШ, являясь высокотехнологическим строительным процессом, предъявляет повышенные требования к квалификации линейного персонала. Машинисты буровой установки и бетононасоса должны составлять слаженную пару, понимать друг друга чуть ли не с полуслова. От качества их взаимопонимания и взаимодействия зависит львиная доля успеха, имея в виду темпы и качество работ.

Важным фактором является надлежаще техническое состояние буровой техники, прежде всего, буровой установки и бетононасоса.

Перед началом работ целесообразно провести их внеплановое техническое обслуживание. Должны быть полностью обслужены, отремонтированы и подготовлены к работе секции полого шнека.

Существенное значение имеет качество подготовки бетонной смеси, состав и требования к которой определяются технологической картой и проектом производства работ, а также условия ее доставки (имеется в виду дальность и время возки).

 Качеству поступающей бетонной смеси следует уделить особое внимание. Зачастую при самых незначительных отклонениях от требуемых параметров по составу инертных материалов или водоцементному соотношению, происходит сужение отверстий бетоноводов, образование в них цементных «пробок» из – за налипания на стенки бетоновода. 

В результате работы останавливаются, тратится время на прочистку бетоноводов, а то и вовсе оборудование выходит из строя.

Все это вещи элементарные, всем понятные, но на практике не всегда и не везде исполняемые, что приводит к непроизводительным потерям, браку строительной продукции.

Учитывая высокую производительность метода, важно организационно подготовиться к ритмичной работе, исключить любые причины, которые могут вызвать простои технологического комплекса:

— подготовить строительную площадку в строгом соответствии с требованиями ППР;

— создать необходимый запас подготовленных к монтажу арматурных каркасов;

— взять под контроль поставки бетонной смеси в достаточном объеме;

— заранее подготовить достаточный фронт работ;

— иметь достаточный запас технической воды для промывки оборудования после каждого цикла бетонирования (шнеки, бетоноводы);

— выделить на строительной площадке место, достаточное для временного складирования значительного объема выбуренного из скважин грунта.

Не менее важно обеспечить в ходе технологического процесса эффективное рабочее взаимодействие с ответственными представителями технического надзора. В данном случае следует уделить этому обстоятельству особое внимание, поскольку темп работ, количество ответственных операций в единицу времени, уровень ответственности линейного персонала здесь существенно выше.

 Шире применяйте метод непрерывного полого шнека при сооружении буронабивных свай, это позволит вам строить быстрее и лучше, зарабатывать больше, а значит, получать истинное  удовлетворение от своего труда.

Успехов Вам, друзья!

Полезное видео: устройство буронабивных свай методом НПШ