Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 125 УДК 624.132.3 DOI: 10.30977/АТ.2219-8342.2018.43.0.125 КЕРУВАННЯ ПРОЦЕСОМ КОРЕКЦІЇ ТРАЄКТОРІЇ РУХУ РОБОЧОГО ОРГАНУ ПРИ СТАТИЧНОМУ ПРОКОЛІ ГРУНТУ Супонєв В. М.1, 1Харківський національний автомобільно-дорожній університет Анотація. Під час горизонтального проколу ґрунту установками статичної дії виникає необ- хідність корегувати траєкторію руху робочого органу з конусним наконечником. В роботі роз- кривається можливість керування траєкторією руху за допомогою робочого органу з адапто- ваним наконечником та визначаються умови корекції траєкторії його руху. Ключові слова: безтраншейні технології, статичний прокол ґрунту, інженерні комунікації, проколююча головка, корекція траєкторії руху. Вступ Серед існуючих технологій формування горизонтальних свердловин, які використо- вуються при безтраншейному прокладанні інженерних комунікацій, є метод статичного проколу ґрунту. Головним недоліком цього методу є недостатня точність руху проколю- ючої головки у масиві. Для дотримування горизонтальної свердловини своєї проектної осі необхідно постійно корегувати траєкто- рію руху проколюючої головки у ґрунті. Одним з технічних рішень проблеми ке- рування проколом є використання установок з робочим органом з адаптованим наконеч- ником: з конічною формою для прямоліній- ного руху та асиметричною для його відхи- лення у просторі. Його впровадження в будівництві дозволить в рази збільшити дов- жину підземних прольотів проколу, що знач- но покращить ефективність безтраншейного прокладання підземних комунікацій. Аналіз публікацій Відомо, що для зміни напрямку руху у процесі роботи машини горизонтально- спрямованого буріння (ГСБ) під час форму- вання лідерної свердловини із криволінійною траєкторією використовується бурова головка з асиметричною лобовою поверхнею [1, 2]. При статичному задавлюванні цієї голов- ки у ґрунт виникає поперечна сила від реак- ції грунту, яка змінює траєкторію її руху в бік зміщення лобової поверхні. Вивченню цього процесу присвячено цілий ряд робіт [3–6]. Вплив криволінійної траєкторії свердло- вини на просування крізь неї трубопроводів наведено в роботах [7–10]. Мета і постановка завдання Метою роботи є обґрунтування можливо- сті корекції траєкторії руху робочого органу при статичному проколі ґрунту за допомо- гою оперативної зміни форми його лобової поверхні з конусної на асиметричну шляхом поступального та поступально-обертового руху навколо своєї осі. Відповідно до поставленої мети слід ви- значитися з технологічною можливістю утворювання свердловини у ґрунті для безт- раншейного прокладання підземних комуні- кацій з керування процесу корекції траєкторії руху робочого органу у ґрунті та визначити умови її максимального відхилення. Керування процесом статичного проколу ґрунту Встановлено, якщо форму наконечника про- колюючої головки буде можливим оператив- но змінювати та обертати, то отримується можливість керування траєкторією її руху у ґрунті (рис. 1). Реалізація цієї ідеї підтвер- джується технічними рішеннями [11, 12]. Оскільки призначенням малогабаритних установок для статичного проколу ґрунту є утворення свердловини з максимальним на- ближенням її траєкторії до прямої лінії, то, завдяки корекції руху ґрунтопроколюючої головки, вирішується питання збільшення довжини підземних прольотів проколу в де- кілька разів, а саме з 15–20 м гарантованої точності до 50–100 м. З цієї дистанції почи- нається ефективне використання більш скла- дних та дорогих машин ГСБ. Таким чином питання щодо збільшення дистанції проколу ґрунту установками статичної дії за рахунок корекції руху ґрунтопроколюючої установки у ґрунті є актуальною задачею наукового та практичного значення. Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 126 Рис. 1. Принцип корекції траєкторії руху проколюючої головки Якою повинна бути траєкторія у разі ко- рекції руху проколюючої головки? Для від- повіді на це питання розглянемо усі фактори, які впливають на цей процес, згідно з наве- деною схемою, відображеною на рис. 1. Перш за все, треба мати можливість встано- вити критичне відхилення робочого органу від початкової траєкторії, за якого подаль- ший рух стає неможливим з причини крити- чного згину труби або штовхаючої штанги, коли її деформування може набути стан пла- стичної деформації. По-друге, відомо, що поперечна сила, яка відхиляє рух головки у ґрунті, залежить від кута нахилу зрізу асиме- тричного наконечника. Це визначає загальне відхилення руху від початкової осі та довжи- ну ділянки корекції проколу. По-третє, на відхилення руху впливає щільність ґрунту, яка визначається його фізико-механічними властивостями. По-четверте, при визначенні траєкторії руху слід враховувати жорсткість штанги, пружність якої визначається власти- востями матеріалу штанг та формою її попе- речного перерізу. Для вирішення першого питання існують сучасні навігаційні технології, які дозволя- ють визначити координати місця знаходжен- ня головки у ґрунті з достатньо високою точ- ністю. У процесі керування бурінням свердловини машинами ГСБ використовують електромагнітні, лазерні та кабельні методи локації таких відомих виробників, як Digi Trax, Spot-d-Nek, Pipe Hawk GPR та інші [2]. Але це достатньо складні та дорогі пристрої. Для корегування руху проколюючої головки на відносно невеликих глибинах можна ви- користовувати вітчизняний пошуковий при- лад СПРУТ-5 Дніпровської фірми «КРОМ», який має достатньо високу точність визна- чення її місцезнаходження, яка становить до 2 см на глибині до 3 м. Поперечне відхилен- ня на першому етапі визначається вимогами до точності проколу. Допускається відхилен- ня від проектної точки виходу проколюючої головки у прийомному котловані по горизон- ту у межах ±40 см, а по вертикалі ±20 см. Якщо відхилення сталося у процесі проколу, а відстань до прийомного котловану ще є достатньо великою, то можна провести коре- кцію проколу. Розрахунок траєкторії руху робочого органу з адаптованим наконечником у процесі створення свердловини Для встановлення умови ефективного ке- рування траєкторією руху проколюючої го- ловки розглянемо технологічну схему її про- сування у ґрунті (рис. 2), з якої видно, що процес корекції руху проколюючої головки відбувається не одночасно, а поетапно. На першому етапі форма наконечника змінюєть- ся з конуса на асиметричну лобову поверх- ню, орієнтовану в бік початкової прямолі- нійної траєкторії руху. При цьому відхилення від проектної осі буде відбувати- ся з початкової точки В до максимального відхилення від траєкторії у точці С. Це слід враховувати при встановленні точки критич- ного відхилення Нвід. Після того, як робочий орган досягне точки D, подальший рух голо- вки потребує зміни положення скошеної головки на 180°, аж доки траєкторія руху го- ловки не досягне проектного напрямку у точці Е. Далі наконечник головки повинен змінити форму асиметричної лобової повер- хні на конусний наконечник та пересуватися далі у прямому русі. Якщо відхилення знов досягне свого критичного значення, процес корекції треба повторити знову. З наведеного виникають питання: яким може бути критичне відхилення від проект- ної траєкторії, яке максимальне відхилення лінії може виникнути та на якій відстані мо- же відбутися корекція траєкторії руху? Траєкторія відхилення Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 127 Рис. 2. Схема для розрахунку траєкторії проколу грунту Для відповіді на ці питання приймаємо, що траєкторія проколу повинна відповідати лінії допустимого прогину труби, з якої виготовля- ють захисні футляри або штовхаючі штанги. Задача має складний характер, тому для її вирішення пропонується прийняти умову, що штангу зроблено з цільної труби, а її внутріш- ній та зовнішній згини є рівними між собою, й описуються радіусами кривизни R (рис. 3), а точка торкання двох кіл D знаходиться на відстані від початкової осі, що дорівнює по- ловині дозволеної величини відхилення штанг Hтр у точці С. Місце торкання з віссю припус- каємо у вигляді точки контакту Е. Рис. 3. Схема до розрахунку прогину мето- дом радіусів Враховуючи вищевикладене, можна вико- ристати теорію про середньогеометричну, суть якої полягає в тому, що відрізок прямої, перпендикулярно проведеної з довільної точки кола на діаметр цього кола, є середньо- геометричною відрізків, на котрі ця пряма поділяє діаметр кола. Теорема пояснюється рисунком 4, з якого випливає, що   22 2 .x R f f Rf f    (1) Якщо траєкторія руху змінюється кілька разів на одній площині, то її схема відхилен- ня матиме вигляд, поданий на рис. 4. Рис. 4. Схема до теореми про середньогео- метричну Вирішуючи це рівняння відносно f- прогину консольної балки АВ, отримаємо 2 2 .f R R x   (2) Оскільки x в нашому випадку дорівнює 1 2 L , а максимальний прогин f досягається при гранично допустимому радіусі згину труби minR , отримаємо 2 2 max min min 1 . 4 f R R L   (3) Довжина прогину трубопроводу може бу- ти визначена з формули (3). Визначимо до- пустимий радіус згину штанги, виготовленої з труби. Оскільки консольна балка на ділянці АВ зазнає чистого згину, то, згідно [13], він може бути записаний у вигляді   min 1 M x R EI  , (4) звідки Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 128  min ,EIR M x  (5) де I – момент інерції перетину труби із зов- нішнім радіусом і внутрішнім  4 4 1 2 . 4 I r r   (6) Припустимий згинальний момент  maxM x визначається гранично допустимим напруженням матеріалу трубопроводу  и і дорівнює        3 4 max 1 32и и D M x W      , (7) де W – статичний момент перетину труби  3 41 32 D W    , (8) де  – відношення внутрішнього діаметра трубопроводу d до зовнішнього D . Підставляючи в початкову формулу вира- зи (6), (7) та (8), отримуємо граничний радіус згину     4 2 1 2 min 3 4 8 1 и E r r R D      . (9) Після перетворювань остаточно отримаємо  min 2 и EDR  . (10) Визначивши за (10) граничний згин тру- бопроводу на ділянці АВ, можна отримати граничну величину відхилення штанги від осі проколу max max2H f . (11) Цей випадок відповідає мінімальній дов- жині лінії прогину штанги minL , а відповід- но, мінімальній довжині ділянки корекції траєкторії 2 min min max max 12 4 L R H H  . (12) Знаючи величину мінімальної довжини прогину штанги, нескладно встановити, за якого зусилля заглиблення maxP вона досяга- ється. Для цього запишемо рівняння для ви- значення максимально припустимого момен- ту від дії поперечної сили, прикладеної до кінця консольної балки (рис. 5).    2 min min maxmax 8 2 и qL LM x P W   , (13) де q – погонна вага труби. Звідки   min max min 2 4 иW qLP L    . (14) Для порівняння розрахункових даних з реальними було проведено експерименталь- ну імітацію укладання стального трубопро- воду діаметром 159 мм з товщиною стінки труби 6 мм. Фіксована висота підйому тру- бопроводу складала 1,66 м. Відповідні дані були закладені у формули для розрахунку лінії прогину, отримані теоретичним шля- хом. Рис. 5. Розрахункова схема для визначення допустимого зусилля задавлювання трубопроводу Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 129 З графічного зображення ліній прогину трубопроводу можна зробити висновок, що використане у теоретичних розрахунках рів- няння пружної лінії з достатньо великою ві- рогідністю узгоджується з реальними резуль- татами. Максимальне відхилення не перевищує 15 %. Рис. 6. Лінії прогину сталевого трубопроводу діаметром 159 мм: 1 – за експерименталь- ними даними; 2 – за методом радіусів Згідно з отриманими уявленнями про на- пружений стан труб або штанг, отримаємо допустиме відхилення від осі проколу. Якщо уявити, що траєкторія руху головки відносно цієї лінії може проходити з різним радіусом, то можна визначити зону ефективності коре- кції траєкторії руху (рис. 7), тобто ту траєк- торію, радіус якої максимально наближаєть- ся до допустимої лінії згину штанги. Якщо радіус прогину штанги буде значно більшим, то це приведе до збільшення величини від- хилення maxH за межі допустимого та збіль- шенню довжини ділянки корекції ЗГL , на яку можна не встигнути вивести головку до пер- винної осі. Прагнення скоротити величини відхилен- ня та довжини ділянки корекції може призве- сти до потрапляння штанг або труб при їх просуванні в небезпечну зону їх роботи. Рис. 7. Зони ефективності корекції траєкторії проколу ґрунту Їх згин може перейти межу критичного значення та отримати остаточне деформу- вання, що є недопустимим. Переробка браку в такому випадку призводить до великих не- передбачуваних витрат. Управління процесом корекції та вибір траєкторії проколу визначається кутом зрізу наконечника проколюючої головки та зале- жить від типу ґрунту, в якому розробляється свердловина. Можливі відхилення головки залежно від цих факторів були досліджені у роботі [6] та подані у графічному вигляді на рис. 8. Враховуючи, що відхилення має незначні величини у межах 30–40 мм на ділянці 10 м, для корекції процесу з цих умов знадобиться ділянка понад 15–20 м. Таким чином, можна припустити, що на ділянці проколу довжи- ною до 100 м таких ділянок корекції може виникнути до 3–4 разів. Рис. 8. Залежність відхилення головки від кута скосу наконечника: 1 – у супіску; 2 – у суглинку; 3 – у глині Висновки Встановлено, що у процесі керування тра- єкторією проколу ґрунту, крім фізико- механічних властивостей ґрунту та кута ско- су асиметричної лобової поверхні робочого Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 130 органу, треба враховувати умову збереження штовхаючих штанг або захисних футлярів від пошкодження у вигляді остаточного де- формування при згині під час їх просування по ділянці проколу із криволінійною траєк- торією. Якщо припустити, що згин труби, з якої виготовлений захисний футляр або штанга буде йти по радіусу, можна визначити допус- тимі значення радіуса згину та, відповідно, довжину ділянки корекції траєкторії руху проколюючої головки у ґрунті залежно від величини відхилення трубопроводу від осьо- вого напрямку, за якого буде гарантоване безпечне просування штанги або трубопро- воду крізь утворену свердловину. Встановлено, що у разі відхилення стале- вого трубопроводу діаметром 159 мм та стін- кою 6 мм теоретична довжина ділянки пове- рнення траєкторії руху від максимального її відхилення на 1,66 м до осі повинна бути 23 м. Експериментальними дослідженнями було встановлено, що ця довжина склала 27 м. Розбіжність між ними не перевищує 15 %, що можна вважати достатнім для прак- тичного використання при керуванні проце- сом корекції траєкторії проколу ґрунту. Література 1. Супонев В. Н., Каслин Н. Д., Олексин В. И. Бестраншейные технологии прокладки рас- пределительных инженерных коммуникаций. Науковий вісник будівництва. 2008. №49. С. 213-217. 2. Руднев В. К. Кравец С. В., Каслин Н. Д., Супо- нев В. Н. Машины для бестраншейной про- кладки подземных коммуникаций: учебн. по- собие под ред. Руднева В. К. Харьков: ООО «Фавор», 2008. 256 с. 3. Гусев И. В., Чубаров Ф. Л. Применение управ- ляемого прокола грунта при бестраншейной прокладке труб. Потенциал современной науки. № 2, 2014. С. 30-33. 4. Рогачёв А. А. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнитель- ного органа управляемой прокалывающей установки: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. тех. наук: спец. 05.05.06 «Гор- ные машины». Тула, 2007. 135 с. 5. Ленченко В.В., Меньшина Е. В., Меньшин С. Е. Выбор рациональных параметров снаряда при направленной прокладке скважины. До- клад на симпозиуме «Неделя горняка – 2001». Семинар 20. М., МГУ 29 янв.- 2 фев. 2001. 6. Кравець С. В., Супонєв В. М., Балесний С. П. Встановлення реакцій грунту і величини від- хилення від осьового руху при його проколі асиметричним наконечником. Автомобильный транспорт. Сборник научных трудов. Выпуск 41, 2017. Харьков, ХНАДУ. С.155-163. 7. Erez A. State-Of-The-Art-Review Of No-Dig Technologies for New Installations / Erez Allouche, Samuel Ariaratnam // American Socie- ty of Civil Engineers. 2012. 8 р. 8. Chehab A. G. Moor I. D. One-dimensional calcu- lation for axial pullback for axial pullback distri- butions in pipes during directional drilling instal- lations OttavaGeo. 2007. Р. 1140-1154. 9. Huey D.P.. Hair J.D., McLeod K.B.Installation loading and stress analysis involved with pipe- lines installed in horizontal directional drilling. North American Society for Trenchless Technol- ogy. 1996. 24 р. 10. Bennett R.D., Ariratham S.T. Horizontal Direcheonal Drilling Good Practices Guidelines. NASTT. 2008. 10 p. 11. Пат. 95501 Україна. Установка для керованого проколу грунту. Опубл. 25.12.2014. 12. Пат.116258 Україна. Пілотна грунтопроко- лююча головка для керованого проколу опубл.10.05.2017. 13. Ободовский Б. А., Ханин С. Е. Сопротивление материалов в примерах и задачах. Харьков, Харьковский університет. 1971. 384 С. References 1. Suponev V. N. Kaslin N. D., Olexin V. I. (2008) Bestransheynyy tehnologiy prokladky injenernih kommunikaciy [Bestranšejnye technology of laying inženernyh kommuniacij] Naukovy visnik budivnictva. 499, 213-217 [in Ukrainian]. 2. Rudnev V. K., Kravet`s S. V., Suponev V. N. (2008) Mashiny dly bestransheynoy prokladki podzemnih comunikaciy [Machines for laying bestranšejnoj of kommunikacij] pod. red. Rudnev V. K. Harkiv: OOO «Favor», 256. 3. Gusev I. V., Chubarov F. L. (2014). Primenenie upravlyemogo prokola grunta pri bestransheynoy prokladke trub. [Application managed puncture in trenchless pipe laying] Potencial sovremennoy nauki. 2, 30-33 [in Russian]. 4. Rogachov A. A., (2007) Obosnovanie kon- struktivnih parametrov i rejimov raboty ispolnitel`nogo organa upravlyemoy prokali- vaushey ustanovry [The rationale for the design parameters and modes of prokalyvajushhej man- aged installation]: avtoreferat na soiskanie nauch. stepeny kand. teh. nauk: spec. 05.05.06. «Gornyy mashini». Tula,135. [in Russian]. 5. Lenchenko V. V. Menshinina E. V, Menshinin S. E. (2001). Vibor racional`nyh parametrov snaryda pri napravlenoy prokladke skvajiny [Select racionalnyh settings of projectile in prokladke wells] Doclad na simposiumi «Nedeliy gornyka - 2001» Seminar 20. -M., MGU, 29 yanv. – 2 fev. [in Russian]. 6. Kravets S. P., Suponev V. N., Balesnyy S.P. (2017). Vstanovlenny reakciy gruntu I velichiny vidhilenny vid os`ovogo ruhu pru yogo prokoli asimetrichnim naconechnicom [Opredelenie grunta reakcii s veličiny for dviženiâ osevogo that's when ego Pierce assimetričnym tip] Avto- mobil`nyy transport. Sbornik nauchnih trudov. Harkiv HNADU, 41, 155-163. [in Ukrainian]. Автомобильный транспорт, вып. 43, 2018 131 7. Erez A. (2012). State-Of-The-Art-Review Of No- Dig Technologies for New Installations. Erez Allouche, Samuel Ariaratnam American Society of Civil Engineers. 8 р. 8. Chehab A. G. Moor I. D. (2007). One-dimensional calculation for axial pullback for axial pullback distributions in pipes during directional drilling installations. OttavaGeo. Р. 1140-1154. 9. Huey D. P. Hair, J. D., McLeod K. B (1996) In- stallation loading and stress analysis involved with pipelines installed in horizontal directional drilling. North American Society for Trenchless Technology. – 24 р. 10. Bennett R. D. Ariratham, S. T. – (2008) Horizontal Direcheonal Drilling Good Practices Guidelines. NASTT. – 10 p. 11. Pat. 95501 Ukraina. Ustanovka dly kerovanogo prokolu gruntu Оpubl. 25.12.2014. 12. Pat. 116258 Ukraina. Pilotna grunoprokoluucha golovka dly kerovanogo prokolu gruntu. Оpubl. 10.05.2017. 13. Obodovsky B. A., Hanin S. E. (1971) Sopro- tivlenie materialov v primerah i zadachah Harkivskiy universitet, 384. Супонєв Володимир Миколайович1, к.т.н., доц. кафедри будівельних і дорожніх машин, тел. +38 099-378-04-51, e-mail: shasyana@gmail.com. 1Харківський національний автомобільно- дорожній університет, 61002, Україна, м. Харків, вул. Ярослава Мудрого, 25. Managing the process of correction of the working body movement trajectory at the static soil punc- ture Abstract. One of the most effective methods for the formation of horizontal wells for trenchless laying of underground utilities is the puncture of the soil with a cone-cylindrical tip. One of the major drawbacks of the method is the high probability of its deviation from the project trajectory. The reason for this may be different soil density in height, stony inclusions, not accurate positioning of the working body in the initial stage of the process. This disadvantage signif- icantly reduces the scope of application of the punc- ture method at short distances within 15 ... 20 m. It is possible to increase this distance by promptly cor- recting the trajectory of the working body in the ground. The paper reveals the possibility of control- ling the trajectory of the working body movement by adapting the shape of its tip, and determines the con- ditions for motion correction when the soil puncture process is continuous. The originality of the solution includes the following. In case of deviation of the working body movement from a given trajectory, the traditional conical shape of the tip is replaced by an asymmetrical one, which is acted upon by the trans- verse force from the soil reaction. This force in turn leads to a change in the direction of the working body movement towards the displacement of the asymmetric tip. Previously it was found that the devi- ation of the working body is influenced by both the angle of inclination of the frontal surface of the tip and the properties of the soil. Given these circum- stances, you can control the trajectory of the well in the process of its formation. It has been established that the trajectory of the soil puncture will be the most effective in the case of its tendency to the mini- mum length of the correction area. In its turn, the curvature of the axis of the borehole should not be less than the allowable values of bending stresses in the pipes that occur when they are pulled through curvilinear sections. A method for calculating the effective puncture trajectory, which is based on de- termining the allowable stresses in pipelines during their bending, is proposed. The bending line of the pipeline was taken as part of a circle. The results of the calculation according to the obtained method showed that, for example, when a steel pipeline with a diameter of 159 mm with a wall thickness of 6 mm deviates, the theoretical length of the section for cor- recting the movement path of the working body from the maximum deflection point of 1.66 m to the point of contact with the project path should be 23 m. Ex- perimental studies have proven that the length of the section for this case was 27 m. The discrepancy be- tween the experimental data and theoretical values does not exceed 15 %, which can be considered as the basis for practical use in controlling the process of the soil puncture path. The obtained recommenda- tions for the management of the puncture allow ex- panding the area of effective application for a dis- tance of up to 100 m. In this case, the correction of the movement of the working body in the soil can be up to 4-5 times. Key words: trenchless technologies, static soil punc- ture, engineering communications, puncturing work- ing body, movement path correction. Vladimir Suponyev1, PhD., Assoc. Prof., tel.: +38 050-30-199-58, e-mail: v-suponev@ukr.net 1Kharkiv National Automobile and Highway University, 25, Yaroslava Mudroho street, Kharkiv, 61002, Ukraine, Управление процессом коррекции траектории движения рабочего органа при статическом проколе грунта Анотация. При горизонтальном проколе грунта установками статического действия возникает необходимость коррекции траектории движения рабочего органа с конусным наконечником. В ра- боте раскрывается возможность управления траекторией движения с помощью рабочего ор- гана с адаптированным наконечником и опреде- ляются условия коррекции его движения. Ключевые слова: бестраншейные технологи, статический прокол грунта, инженерные комму- никации, прокалывающий рабочий орган, коррек- ция траектории движения. Супонев Владимир Николаевич1, к.т.н., доц. каф. строительных и дорожных машин, тел. +38 050-30-199-58, е-mail: v-suponev@ukr.net 1Харьковский национальный автомобильно- дорожный университет, Украина, г. Харьков, 61002, ул. Ярослава Мудрого, 25.