2.5 Подбор и обоснование строительных машин и механизмов.
Основные способы разработки грунта.
Земляные работы могут выполняться вручную и механизированным способами - механическим, гидромеханическим, взрывным и комбинированным.
Разработка грунта вручную опускается только в тех случаях, когда по каким-либо причинам не могут быть использованы землеройные и др. механизмы и объемы работ малы.
Механическим способом выполняют до 80...85 % объемов земляных работ, при котором на грунт действует усилие резания различных машин. В результате определенные порции грунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Если машина только режет грунт, она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает грунт, она называется землеройно-транспортной.
К землеройным машинам относятся экскаваторы различных типов: одноковшовые, многоковшовые и фрезерные, к землеройно-транспортным - скреперы, грейдеры, струги, планировщики.
Гидромеханический способ предусматривает размыв грунта напорной водяной струей гидромониторных установок или всасыванием его со дна водоемов плавучими землесосными снарядами. Гидромониторные установки и земснаряды с помощью воды размывают, транспортируют и укладывают грунт в насыпь.
При взрывном способе энергию взрыва используют при рыхлении скальных и мерзлых грунтов и при устройстве в скальных и мерзлых грунтов профильных выемок (траншей, котлованов, каналов).
Комбинированный способ представляет собой сочетание, например, механического и гидромеханического способов, что зависит от конкретных условий.
1. Разработка траншей и котлованов механизированным способом.
Разработку траншей и котлованов начинают со срезки растительного слоя с целью его дальнейшего использования для благоустройства и рекультивации земель.
Выбор машин и механизмов для выполнения земляных работ зависит от вида и размеров земляного сооружения, группы трудности разработки грунта, геологических и гидрогеологических условий, рельефа местности, дальности транспортирования грунта и др. факторов.
Способы разработки грунта одноковшовыми экскаваторами определяются в основном видом применяемого на них сменного рабочего оборудования ( рис.1).
Пространство, в котором размещается экскаватор и производится выемка грунта, называется забоем. Выемку, образованную одним ходом экскаватора, называют проходкой. По характеру разработки грунта проходки могут быть лобовыми (торцевыми) и боковыми. При лобовой проходке экскаватор движется по оси выемки и разрабатывает грунт впереди или сзади себя и по обе стороны от оси, а при боковой - с одной стороны по ходу движения.
Экскаваторы, оборудованные прямой лопатой, широко применяются при разработке широких котлованов с погрузкой грунта в транспортные средства или в карьерах и, как привило, при отрывке траншей не используются.
Экскаваторы С обратной лопатой целесообразно применять для отрывки траншей глубиной до 6 м торцевыми или боковыми проходками с перемещением экскаватора по верху забоя с копанием ниже уровня его стоянки. Последняя особенность важна в тех случаях, когда грунты увлажненные или мокрые. При этом в зависимости от ширины траншей разработку грунта осуществляют лобовой или боковой проходками.
Разрабатываемый грунт обычно отсыпают в отвал на бровку и частично (излишки, ненужные для обратной засыпки) на транспорт. Ширину проходки при погрузки грунта в транспортные средства принимают 1,2... 1,3 К. А при отсыпке в отвал 0,7.. .0,8 И., т.к. ограничивает вместимость отвала.
При отрывке траншей разработку грунта рекомендуется начинать со стороны откоса к середине траншеи. Что снижает сопротивление грунта резанию. Траншеи с шириной по дну до 1 м разрабатывают за одну проходку (торцевую) с перемещением по оси траншей.
Экскаваторами - драглайнами, имеющими удлиненную стелу и ковш, свободно подвешенный на тросе, разрабатывают грунт с отсыпкой в отвал или на транспортные средства при устройстве глубоких траншей и котлованов. Разработка грунта производится ниже уровня стоянки экскаватора с работой его ≪на себя≫. При устройстве широких траншей применяют боковую проходку, ширина, по верху которой составляет около 0,7.. .0,8 Ы, а поворот стрелы экскаватора для разгрузки - 180°.
Экскаваторы с грейферным ковшом вместимостью 0,3...0,4 м3 могут разрабатывать выемки в радиусе 8...24 м на глубину 7... 15 м при подъеме грейфера на высоту 6... 14 м. Обычно они могут разрабатывать легкие грунты I и II групп, а более тяжелые - при их предварительном разрыхлении. Такие экскаваторы чаще всего применяют для разработки глубоких выемок с вертикальными стенками.
Рис 1.- Разработка траншей экскаватором:
а) - оборудованным обратной лопатой или драглайном (грунт укладывается
в отвал при торгрвой проходке);
б) - то же, с укладкой грунта в отвал при боковой проходке;
в) - последовательность разработки обратными лопатами продольных
широких траншей;
г) -то же, узких траншей;
д) - многоковшовым цепным;
е) - схема разработки обратной лопатой одиночных выемок под
фундаменты опор;
ж) - роторным,
1- ось проходки, 2 - стоянка экскаватора, 3 - веха, 4 - ось последующей
захватки.
Многоковшовыми траншейными экскаваторами, подразделяющимися на цепные и роторные, целесообразно разрабатывать траншеи (как правило, с вертикальными стенками) для газопроводов значительной протяженности. Цепные применяются при разработке мягких грунтов, глубиной до 4 м, а роторные - грунтов повышенной плотности, в том числе мерзлых, глубиной до 2,5 м.
Если необходимо рытье траншей более глубоких, чем позволяют технические возможности экскаваторов, их разрывают комбинированным способом в несколько этапов. Вначале до определенной глубины делают выемку с помощью бульдозера или скрепера, а затем производят рытье траншеи до требуемой отметки.
Разработка грунта скреперами производится при отрывке широких траншей и планировке трассы. Рабочий цикл скрепера состоит из ряда последовательно повторяющихся операций: резания грунта и наполнение ковша, транспортирование грунта к месту укладки, выгрузки и укладки грунта с частичным его уплотнением колесами скрепера. Толщина снимаемого слоя в зависимости от мощности тягача скрепера и вида грунта может достигать 20...25 см для прицепных и 30...36 см - для самоходных скреперов.
В зависимости от вида и объема выполняемых работ осуществляют различные схемы движений скрепера в плане - по эллипсу, восьмеркой, зигзагообразное, по спирали, поперечно-челночное.
Разработка грунта бульдозерами применяется для послойного резания и продольного перемещения грунта на расстояние до 200 м. Ими разрабатывают грунт в неглубоких и протяженных выемках и резервах.
Окучивают грунты, разравнивают и планируют грунт, выполняют обратную засыпку траншей и пазух. Наибольшая глубина резания бульдозера от 20 до 60 см. Траншеи разрабатывают бульдозерами по челночной схеме с транспортировкой грунта через 70... 100 м. в резерв на одну сторону траншеи.
Разработку ПОДВОДНЫХ Траншей выполняют канатно-скреперными установками, гидромониторами, землесосными снарядами, а при наличии скальных грунтов - взрывным способом.
Разработка подводных траншей канатно-скреперными установками, состоящими из скреперного ковша, головной и хвостовой опор с блоками, комплекта канатов и скреперной лебедки может производиться почти во всех грунтах, включая разрыхленную скальную породу. Ширина траншеи колеблется от 1,3 до 2,2 м (регламентируется шириной скребковых ковшей).
Для перемещения скреперного ковша в подводной траншее используют лебедки. Используют канатно-скреперные установки одно- и двустороннего действия с ковшом вместимостью до 7 м3 и лебедкой с тяговым усилием до 1000 кН (оба хода рабочие).
Разработка траншей подводными гидромониторами более простая и экономичная, т.к. отпадает необходимость подъема и транспортирования грунта. Разработка грунта осуществляется мощной узконаправленной струей воды, выбрасываемой под большим давлением из специальной гидравлической установки - гидромонитора. Расход воды и скорость струи регулируют с помощью сменных насадок. Для разработки небольших по объему траншей применяют плавучие насосные установки малой мощности (50... 100 м 3/ч) с разработкой грунта под водой водолазами. При больших объемах работ используют гидромониторные снаряды производительностью 1000 м3/ч, вода к гидромониторной насадке которых подается от центробежного насоса. Телескопическая труба снаряда позволяет вести разработку грунта на глубине до 20м.
Подводная разработка грунта землесосными снарядами наиболее целесообразная по технико-экономическим показателям при устройстве подводных траншей в несвязных грунтах небольшой крупности (песках, мелком гравии). Разработка грунта землесосными снарядами осуществляется засасыванием грунта со дна водоема. Земснаряд смонтирован на барже. При работе земснаряда во всасывающей трубе грунтового насоса создается разрежение, под действием которого засасывается вода вместе с частицами грунта (пульпа), и перекачивается на берег по плавучему пульпопроводу.
Применяемые земснаряды подразделяют по маркам, состоящим из двух чисел, из которых первое соответствует подаче по грунту, м 3/ч, второе развиваемое насосом напору, м: 300,40;500,50; 1000,80. Глубина разработки от поверхности воды достигает 40.. .70 м, производительность - 2500 м3/ч.
Разработку подводных траншей в скальных грунтах вели с помощью взрывов, но это приводит к гибели рыбы, поэтому в последнее время разработку скальных грунтов выполняют с помощью скалодробильных снарядов, представляющих собой судно с колодцем (шахтой), в котором в направляющей обойме размещается долото массой 20 т., с помощью которого дробят скалу. Работу выполняют в два этапа дробление скалы и уборка скального грунта.
Закрытые способы разработки грунта.
Закрытые (бестраншейные) способы предусматривают прокладку труб под насыпями дорог, зданиями и сооружениями без устройства траншей, т. Е. непосредственно в грунте. Необходимость применения этих способов прокладки возникает при пересечении ими различных искусственных и естественных препятствий (транспортные магистрали, ж/д пути, и т. д. ).
Закрытую разработку грунта осуществляют в основном проколом, продавливанием, горизонтальным бурением, пневмопроходкой, а также щитовой подземной проходкой.
Способ Прокола (рис.2) основан на образовании отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником. Происходит прокалывание массива грунта без удаления его из образовавшегося отверстия (скважины). Для вдавливания используют гидродомкратные установки, лебедки, тракторы, бульдозеры. В котловане укладывают звено трубы с наконечником и после выверки вдавливают ее в грунт на длину штока вдавливающегося устройства, а затем после возвращения штока в начальное положение вводят его на место нажимной патрубок (шомпол) и процессы повторяют. По окончании вдавливания первого звена трубы на полную длину шомпола убирают, в котлован опускают следующее звено, которое стыкуют с уже вдавленным в грунт звеном, и сваривают их. Для сварки в котловане должен быть предусмотрен приямок около передней стенки котлована. Затем вдавливают наваренное звено, и циклы повторяют до выполнения прокола на требуемую глубину.
Рис. 2.- Закрытые способы разработки грунта.
а - прокалывание; б - продавливание; в- горизонтальное бурение; 1 - ход
штока; 1 - крепление передней стенки рабочего котлована; 2 - упор, устанавливаемый на задней стенки рабочего котлована; 3 – гидравлический домкрат; 4 - шомпол; 5 - труба; 6 - конический наконечник; 7 - приямок для наращивания трубы; 8 — привод; 9 - шнековое устройство для извлечения грунта из трубы; 10 - рама, передающая давление; 11 - реечный домкрат; 12 - вращающейся шпиндель; 13 - режущая коронка; 14 - лоток и приямок для пульпы.
Одним из разновидностей прокола являются их гидро- и вибропроколы. При гидропроколе трубы в грунте прокладывают с использованием кинетической энергии водяных струй, которые, выходя под давлением из специальной конической насадки, размывают грунт впереди трубы и иногда образуют в нем отверстия для прокладки трубы.
Способ вибропрокола основан на использовании в процессе прокола трубы дополнительных вибрационных воздействий. Трубу с конусным наконечником устанавливают наголовнике ударной приставки вибромолота и затем внедряют ее в грунт под действием ударных импульсов в сочетании со статическим вдавливанием с помощью пригрузочного полиспаста. Трубы малых диаметров (до 100 мм) прокалывают с помощью механических грунтопрокалывателей различных типов, способных обеспечить максимальную длину прокола до 50.. .60 м.
Способ продавливания (рис.2, б) основан на образовании отверстий за счет вдавливания трубы открытым концом с разработкой и удалением грунта, поступающего в трубу при вдавливании. Прокладываемую трубу, снабженную на открытом конце ножом, вдавливают механизированными установками в массив грунта, а грунт, поступающий в трубу в виде плотного керна (пробки), разрабатывают и удаляют из забоя.
В зависимости от способа разработки и транспортирования грунта из трубы различают две основные разновидности продавливания - с ручной разработкой грунта и механизированной (с помощью шнековой установки, желонкой, гидромеханическим способом размыва грунта внутри трубы струей воды и откачки пульпы насосом и т.д.).
Процесс горизонтального бурения (рис.2, в) может быть раздельным и совмещенным. При раздельном вначале бурят скважину, а затем после извлечения из нее бурового инструмента прокладывают трубопровод. При совмещенном способе одновременно с продвижением бурового инструмента прокладывают трубу (футляр). Разработка грунта осуществляется режущей коронкой увеличенного диаметра (по сравнению с футляром), приводящуюся во вращение от двигателя, установленного на дне или бровке котлована. Поступательное движение коронки обеспечивает реечный домкрат с упором в заднюю стенку котлована. Грунт, после разработки заполняющий трубу, удаляется, как при способе продавливания.
Пневматическую пробивку скважины ведут с помощью специального проходческого снаряда виброударного действия - пневмопробойника типа ≪Крот≫. С их помощью можно устраивать в грунте скважины с уплотненными стенками диаметром до 400 мм и длиной до 50 м.
Пнебвмопробойник представляет собой самодвижущуюся в грунте пневматическую машину ударного действия. Его корпус является рабочим органом, образующим скважину, а ударник, размещенный в корпусе, совершает под действием сжатого воздуха возвратно – поступательные движения и наносит удары по переднему торцу корпуса, забивая его в грунт.
Обратному перемещению корпуса препятствуют силы трения о грунт. Благодаря осевой симметрии и значительной своей длине пневмопробойник при движении в грунте сохраняет заданное направление. Для проходки скважины пневмопробойник запускают в грунт из входного приямка стартовым устройством. В процессе движения он своим коническим концом уплотняет грунт, раздвигая его в сторону, и образует скважину.
При ЩИТОВОЙ проходке разработку грунта и устройство стенок коллекторов ведут под прикрытием цилиндрической оболочки- щита (рис.З),
Рис. 3 - Схема проходки туннеля с помощью щита:
1-поломстъ, заполняемая бетонной смесью; 2- обделка туннеля из тюбингов; 3- обойма щита; 4- домкраты; 5-защитный козырек; 6 - режущий край; 7- рабочая платформа; 8- эжектор; 9 - вагонетка; 10- рукав растворонасоса.
состоящего из трех основных частей: передней - режущей клиновидной формы с козырьком или без него; средней - опорной, где размещаются домкраты, и задней - хвостовой. Внутренний диаметр щита равняется наружному диаметру сооружаемого туннеля. Продвижение щита сопровождается врезанием его режущего края в грунт и происходит под действием гидравлических домкратов, расположенных по всему периметру щита и упирающихся с одной стороны в выступ режущего края, а с другой - в край обделки сооружения.
Обделку сооружения собирают из отдельных сегментных блоков - тюбингов (чугунных, железобетонных, керамических) или выполняют из монолитного бетона. Грунт в зоне головной части щита, окаймленной ее режущим краем, разрабатывают в зависимости от рода грунта механизированным, полумеханизированным и немеханизированным способами, по которым дано название проходческим щитам. Разработанный грунт удаляют на вагонетках или ленточным конвейером к устью сооружения. Туннели большой протяженности обычно разбивают на отдельные участки, на стыке которых возводят вертикальные шахты, через которые удаляют разрабатываемый грунт и доставляют материалы.
Щит в шахту опускают стрелковым краном и внизу центрируют его в направлении проходки. Непосредственно в забой щит вводят с помощью гидравлических домкратов, упираемых в специально устроенную временную опору с рамами и распорками. В стене шахты в месте забоя оставляют круглое отверстие диаметром, на 100 мм превышающим диаметр щита, необходимое первых 10м коллектора, временные упорные устройства снимаются, и нагрузка от передвижения щита через домкраты будет восприниматься обделкой тоннеля.
Разработка грунта взрывным способом.
Взрыв - это почти мгновенное превращение взрывчатого вещества в газ, способное производить механическую работу. Работы, связанные с использованием энергии взрыва, называются взрывными и подразделяются на открытые, выполняемые на земной поверхности, и подземные, производимые на глубине. Взрывные работы применяют для рыхления скальных пород и мерзлых грунтов. Для устройства выемок и насыпей, корчевки пней на трассе, уплотнения грунта.
Взрывным работам предшествуют буровые по подготовке скважин или бурению шпуров, в которые закладывают заряды взрывчатого вещества (ВВ). Заряд заранее рассчитанное по массе и форме размещения ВВ, уложенное в зарядную полость и снабженное инициатором взрыва. Заряды бывают наружные, расположенные на поверхности разрушаемого объекта, и внутренние, помещенные внутри разрушаемого объекта. По форме различают удлиненные, сосредоточенные и рассредоточенные.
По скорости взрывчатого разложения ВВ подразделяют на инициирующие, бризантные и метательные. К инициирующим ВВ относятся гремучая ртуть, тринитрорезорценат свинца (ТНРС) и азит свинца, применяющиеся для снаряжения капсюлей детонаторов, капсюлей-воспламенителей и изготовления детонирующих шнуров. К бризантным ВВ повышенной, нормальной и пониженной мощности относят динамит, аммониты, тротил и др. Метательные ВВ - дымный порох (пироксилиновый или нитроглицериновый) - имеют невысокую скорость взрывчатого разложения.
Заряды ВВ взрывают с помощью детонирующего шнура, огневым или электрическим способом. Взывания с помощью детонирующего шнура наиболее распространено, так как его проще осуществить, а в случае отказа в зарядах отсутствуют детонаторы. Огневой способ применяется для взрывания одиночных или нескольких зарядов. Для взрывания одиночного заряда необходимы капсюль-детонатор, огнепроводный шнур (ОШ) и воспламенитель (зажигательная стандартная трубка, тлеющий фитиль, механические тлеющие воспламенители и т.п.). Для взрыва нескольких зарядов необходимы капсюли-детонаторы (на каждый заряд по одному капсюль-детонатору), детонирующий шнур (ДТП) и зажигательная труба или тротиловая шашка. Электрический способ применяют, когда необходимо одновременно взорвать большое число зарядов. Для взрыва необходимы электродетонаторы, провода источники тока, проверочные и измерительные приборы. Электродетонаторы используются двух типов - мгновенного и замедленного действия. Первые состоят из капсюль-детонатора и электровоспламенителя, собранный в общей гильзе, а вторые имеют замедлитель, расположенный между воспламенительным составом и инициирующим зарядом. Продолжительность горения замедлителя тем больше чем длиннее столбик горючего состава. В качестве источника тока могут быть применены взрывные машинки, сухие батареи и элементы, щелочные и кислотные аккумуляторы, передвижные силовые электростанции и стационарные электрические установки. При составление электровзрывных сетей в зависимости от источников тока применяют последовательную, параллельную или смешанную схемы соединения электродетонаторов.
Основными методами взрывания являются шпуровой, скважинных зарядов, котловых, малокамерных, камерных, щелевых и накладных зарядов и комбинированные способы. Как правило, для рыхлых грунтов применяют методы шпуровых или скважинных зарядов, для взрывания мёрзлых грунтов - методы шпуровых или щелевых или малокамерных зарядов.
Для образования выемок, насыпей и других инженерных сооружений (рис.4) применяют взрывание грунта на выброс. В зависимости от размеров и конфигурации в плане проектируемых выемок взрывают одиночные сосредоточенные или удлинённые заряды либо производят одновременный взрыв группы крупных сосредоточенных зарядов, расположенных в один или несколько параллельных рядов. Для получения траншеи треугольного сечения применяют однороднее взрывание сближенных зарядов (рис.4,а). Чтобы получить выемку трапециевидного сечения, заряды располагают в два или три ряда (рис.4, б, в). Для среднего ряда применяют увеличенный показатель действия взрыва (25... 50 % больше чем для крайних рядов). Большее число рядов не рекомендуется, т.к. в этом случае значительное количество грунта падает обратно в выемку.
Рис. 4 - Схемы разработки грунтов взрывным способом:
а - камуфлетный заряд; б - заряд рыхления; в - взрывание на выброс; г, д, е — щелевые заряды; ж — устройство выемок; з — то же, насыпей; 1 - заряд ВВ; 2 - граница зоны полного разрушения; 3 - зона деформации грунта; 4 - забойка шпура; 5 - зарядная щель; 6 - компенсирующая щель; 7- направление перемещения взорванного грунта; 8,9 - массивы грунта правого и левого склонов, предназначенные к взрыву; 10 - проектный профиль насыпи.