книги из ГПНТБ / Эстеров, Я. Х. Буровзрывные работы на транспортном строительстве учебник
.pdfя. х. ЭСТЕРОВ, Е. Ю. БРОДОВ, М. И. ИВАНАЕВ
БУРОВЗРЫВНЫЕ РАБОТЫ НА ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Утверждено
Управлением кадров и учебных заведений Минтрансстроя в качестве учебника для техникумов
транспортного строительства и учебного пособия для технических школ и курсов повышения квалификации
руководящих работников и специалистов транспортного строительства-
М о с к в а «ТРАНСПОРТ», 1974
УД К |
624.132.34/35:625 |
|
|
|
||
Буровзрывные работы на транспортном строитель |
||||||
стве. Э с т е р о в |
Я- |
X., Б р о д о в |
Е. |
Ю., И в а - |
||
н а е в |
М. И., |
Д з а с о х о в а |
Л. |
В. |
Изд. 2-е, |
|
перераб. и доп. М., |
«Транспорт», |
1974 г., |
376 с. |
В книге приведены сведения о свойствах горных пород, значение которых следует учитывать при буро взрывных работах; способы и средства бурения, при меняемые в транспортном строительстве; основы тео-
. рии взрывчатых веществ (ВВ); сведения о свойствах ВВ и средствах взрывания; освещены вопросы дей ствия взрыва в среде и основы расчета взрывов.
Основное внимание в книге уделено описанию различных видов взрывных работ при строительстве железных и автомобильных дорог, при возведении зем ляного полотна, сооружении тоннелей и метрополите нов, а также при разработке скальных пород в карь ерах щебеночных заводов; рассмотрены вопросы тех ники, технологии и организации буровых и взрывных работ на объектах транспортного строительства.
Книга является учебником для техникумов транс портного строительства и учебным пособием для инженерно-технического персонала проектно-изыска тельских и строительных организаций Министерства транспортного строительства. Рис. 224, табл. 43, список лит. 27 назв.
К н и г у н а п и с а л и :
инж. Д. X. Эстеров — главы VII—IX, X (кроме § 39 и 46), XII и XIII; канд. техн. наук Е. Ю. Бродов — главы I, II, III (кроме § 12), IV, VI, § 39 и 46 главы X;
канд. техн. наук М. И. Иванаев — § 12 главы III и главу XI; инж. Л. В. Дзасохова — главу V.
Общее редактирование выполнено инж. В. В. ГРУЗ ДЕВЫМ.
4
„ 31801-166 Э 049-(01)-74 166-74
© Издательство «Транспорт», 1974
ОТ АВТОРОВ
Задача ускорения роста производительности труда, поставленная XXIV съездом КПСС, решается в отечественном транспортном строи тельстве на основе максимальной индустриализации строительного производства, внедрения прогрессивной технологии и комплексной механизации работ, средств автоматизации отдельных процессов и видов работ.
Транспортное строительство ведется с применением высокопро изводительных землеройных, транспортных и путеукладочных машин
свнедрением сборных конструкций высокой заводской готовности. Важным звеном в индустриализации и механизации работ при воз
ведении земляного полотна в скальных и мерзлых грунтах, сооружении тоннелей и метрополитенов, а также при выполнении горных ра бот в каменных карьерах является применение буровзрывных работ.
Шестидесятые годы характерны для транспортного строительства полной сменой способов и средств производства буровзрывных работ. Широкое применение получили новые высокопроизводительные буро вые машины дорожно-строительного и карьерного типов и новые взрывчатые вещества (ВВ); повсеместное распространение получили ^средства и техйология короткозамедленного взрывания; создана буро вая техника для повышенного дробления породы, что дает существен ное увеличение производительности экскаваторов, а также позволяет применять менее энергоемкие и трудоемкие комплекты машин для разработки взорванной породы.
Создаются средства для механизации зарядных и погрузочноразгрузочных работ с ВВ.
Рост производительности труда при выполнении земляных работ в скальных грунтах сопровождается повышением качества (устойчиво сти) возводимого земляного полотна, а также сокращением объемов выемок в связи с уменьшением нарушений скальных массивов при взрывах.
Выработка рабочих, занятых на буровзрывных работах, выросла в физическом измерении за короткий период (последние 10. лет) в два раза.
Задача строителей-транспортников заключается в дальнейшем ус коренном повышении производительности труда на основе продол жающегося развития научно-технического прогресса. Одним из необ ходимых условий решения указанной задачи является дальнейшее совершенствование организации труда в бригадах, на участках и обектах в целом.
Во втором издании учебника авторы стремились отразить проис шедшие за последние годы изменения в средствах, организации, техни-
3
ке выполнения и технологии буровзрывных работ на транспортном строительстве.
Воснову содержания учебника положены программа предмета «Бу ровзрывные работы» для средних специальных учебных заведений транспортного строительства и действующие общесоюзные и ведомст венные нормативные документы.
Внастоящем издании в связи с полным обновлением средств и ме
тодов производства буровзрывных работ книга подверглась значитель ной переработке, а некоторые ее части написаны заново. При этом ши роко использованы передовой опыт проектирования и производства буровзрывных работ организациями Минтрансстроя, материалы иссле дований Всесоюзного научно-исследовательского института транс портного строительства, а также опыт союзных специализирован ных организаций.
При' подготовке второго издания учебника учтены рекомендации Киевского строительного техникума, специалистов Трансвзрывпрома и Горнотехнической инспекции Минтрансстроя, а также замечания по первому изданию, поступившие из средних специальных учебных заведений транспортного строительства.
ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И БУРОВЫЕ РАБОТЫ
Глава I
СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
§ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Поверхностная зона земной коры сложена грунтами или горными породами. Термины «грунт» и «горная порода» имеют одинаковый смысл.
По принятой в 1957 г. на Международном совещании по изучению инженерно-геологических свойств горных пород классификации все: грунты разделены на два класса — грунты с жесткой связью и грунты без жесткой связи. Первые характеризуются наличием прочных кри сталлизационных связей между зернами составляющих их минералов. Такие грунты в строительной практике называют скальными. Ко второму классу отнесены осадочные несцементированные грунты; они имеют мягкую, пластичную консистенцию или не обладают связью между зернами (сыпучие).
Ниже рассматриваются свойства скальных, а также сезонно- и вечномерзлых грунтов применительно к условиям производства буро взрывных работ на объектах транспортного строительства. Общегеоло гические сведения (происхождение пород, их состав, текстура, струк тура и пр.), подробно излагаемые в литературело инженерной геологии, не приводятся. Однако при производстве буровзрывных работ необхо димо всегда учитывать влияние некоторых общегеологических факто ров, указанных ниже.
Изверженные породы, излившиеся на поверхность и застывшие быстрее, чем глубинные, при взрывании дробятся на куски меньших размеров.
Значительное содержание кварца в породах повышает их твердость, хрупкость и абразивность. Такие породы легче дробятся при взрыва нии по сравнению с породами, основу которых составляют вязкие ми нералы, и легче разрушаются при термическом воздействии. Окварцованные и кремнистые породы труднее поддаются механическим способам бурения, особенно вращательному, по сравнению с неокварцованными и неокремненными.
Грунты, имеющие резко выраженный кливаж и сланцеватость, при взрывании дробятся на мелкие отдельности.
5
Весьма важной геологической характеристикой является сложение скальной породы или структура (строение) массива горной породы, определяемая размером, формой и положением пластов в массиве.
Совокупность трещин, развитых в массиве, характеризует трещи
новатость породы. Характер трещин |
(скрытые, |
визуально не обна |
|||
руживаемые, но проявляющиеся при |
ударах и взрывах; |
закрытые, |
|||
'сжатые, но хорошо различимые |
невооруженным |
глазом; |
открытые, |
||
имеющие то или иное раскрытие, |
зависящее от условий образования, |
||||
определяет |
условия прохождения ударной волны в массиве породы |
||||
и эффективность ее действия. |
Трещины, имеющие приблизительно |
||||
одинаковую |
ориентировку,- называют |
системой |
трещин. |
Скальный |
массив может быть разделен несколькими системами трещин, пере секающимися под разными углами и образующими отдельности (бло ки) разной величины.
Характеристика строения массива породы по слоистости и трещи новатости относится к наиболее важным для определения свойств дробимости пород при взрыве и их устойчивости в откосе. Большое влияние показатели строения массива породы оказывают также на свойства ее буримости.
В Технических указаниях по проектированию и производству буро взрывных работ при сооружении земляного полотна (ВСН 178-74) скальные породы разделены на весьма сильно-, средне- и слаботрещино ватые в зависимости от величины к о э ф ф и ц и е н т а т р е щ и н о
в а т о с т и |
Хт. характеризующегося |
количеством |
трещин, прихо |
дящихся на |
1 м линии, пересекающей |
наибольшее |
их число. |
В основу такого разделения положен производственный признак — делимость массива породы при взрыве скважинных зарядов среднего диаметра (150 мм) с соответствующим этому диаметру расположением скважин на куски размером не более 0,10 м (весьма сильнотрещинова тые), не более 0,5 м (сильнотрещиноватые породы) и более 0,5 м (сред не- и слаботрещиноватые породы; для первых — 3 ^ Хт ^ 2). В весьма сильнотрещиноватых и сильнотрещиноватых породах дробление достигается практически полное, без содержания негабаритов (для дорожностроительных экскаваторов и бульдозеров). Однако и в этом случае выработка упомянутых машин будет незначительно отличаться
Т а б л и ц а 1
Категория |
Степень трещиноватости |
Число трещин |
Средний |
на 1 м линии, |
диаметр |
||
трещинова |
(блочности) массива |
пересекающей |
отдельностей, |
тости |
наибольшее их |
м |
|
|
|
число |
|
I
п
ш
IV
V
Чрезвычайно трещиноватые (мелкоблоч |
Более 10 |
До 0,1 |
ные) . . ................................................. |
||
Сильнотрещиноватые (среднеблочные) . |
2—10 |
0,1—0,5 |
Среднетрещиноватые (крупноблочные) . |
1— 2 |
0,5—1,0 |
Малотрещиноватые (весьма крупноблоч- |
1—0,65 |
1,0—1,5 |
н ы е ) .................................................... .... |
||
Практически монолитные ...................... |
Менее 0,65 |
Свыше i ,5 |
6
от нормативной, если взорванная масса будет состоять из кусков раз мером 0,3—0,5 м и достигать максимума при размере кусков не более 0,1—0,15 м. Указанное разделение соответствует классификации пород по степени трещиноватости, принятой для горно-рудных карьеров (табл. 1), если учесть, что монолитные породы в верхних слоях практи чески не встречаются.
§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Для характеристики буримости, взрываемости, дробимости скаль ных грунтов и других производственных показателей наибольшее зна чение из физических свойств имеют объемная масса и плотность, по ристость, естественная влажность.
О б ъ е м н у ю |
м а с с у грунта у0 (массу единицы объема) опре |
деляют на монолитах при естественной пористости и влажности. |
|
П л о т н о с т ь |
скального грунта уп (масса единицы объема твер |
дой фазыпри естественной пористости без массы поровой воды) изме
няется |
в поверхностных |
слоях |
от 1500 |
до 3 200 кг/м3. Значение уи |
||||
всегда |
больше |
величины у0 для |
одной |
и той же породы, |
однако |
|||
для |
скальных |
грунтов |
разница |
в |
большинстве случаев не |
превы |
||
шает |
1 — 2%. |
|
|
|
|
|
|
С увеличением плотности каждой породы увеличивается ее механи ческая прочность. Поэтому группу породы по классификации СНиП IV-13 часто устанавливают в зависимости от плотности уп.
Наибольшей плотностью обладают изверженные породы (граниты, диабазы, базальты), наименьшей — осадочные (песчаники и извест няки).
П о р и с т о с т ь грунта е (отношение объема пор ко всему объему грунта, выраженное в процентах) характеризует часто свойства пла стичности (вязкости) и дробимости взрывом, а также свойства грунта как строительного основания. Пористость оценивают еще коэффициен
том пористости КЕ = 10Qe_ .
Е с т е с т в е н н а я в л а ж н о с т ь we (отношение массы по ровой воды к массе минеральных частиц в данном объеме грунта, выра женное в %) скальных пород не превышает нескольких процентов. Степень влажности часто характеризуют коэффициентом влажности
Квл |
We |
(1) |
|
wn ’ |
|||
|
|
где wa — полная влагоемкость, соответствующая полному заполнению
всех пор грунта (w„ = —).
Yu
Величина Квл может меняться в пределах от нуля до 1. Чем больше величина Квл, тем лучше условия для передачи энергии взрыва в среде.
Знание в о д о п р о н и ц а е м о с т и пород позволяет оценивать возможную обводненность массива скальной породы в разное время года и устанавливать наиболее рациональное время и способ про-
7
изводства буровзрывных работ, выбирать соответствующие взрывчатые вещества (ВВ).
По т е п л_о п р о в о д н о с т и различных минералов, входящих в породу, устанавливают рациональность применения термоструй ного бурения.
От г р а н у л о м е т р и ч е с к о г о |
с о с т а в а вечномерзлых |
|||
грунтов, |
выраженного |
процентным содержанием обломочных мате |
||
риалов, |
гальки, валунов в общем объеме, |
зависит выбор способа и |
||
средств бурения и взрывания. |
свойства |
связных грунтов, |
||
Следует учитывать |
и такие физические |
|||
- как р а з м я г ч а е м |
о с т ь (потеря прочности в обводненном состоя |
|||
нии), л и п к о с т ь |
и с м е р з а е м о с т ь , способность к е л е - |
|||
ж и в а е м о с т и , а также р а с т в о р и м о с т ь |
(имеют значение |
при выборе способа бурения и взрывания, материала забойки, а также технологии взрывания и разработки).
Низкая температура мерзлых грунтов (минус 104-15° С) |
делает |
их труднобуримыми. |
выра |
Л ь д и с т о с т ь вечномерзлых грунтов (содержание льда, |
женное в долях единицы объема) является одним из факторов, опреде ляющих свойства их дробимости. -
§3. НЕОДНОРОДНОСТЬ ГОРНЫХ ПОРОД
ИИХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
Изменение состава и структуры одной и той же породы, ее физи ческих и механических свойств, а также структуры массива породы является выражением неоднородности, присущей практически всем горным породам. ■
В осадочных породах наблюдается непостоянство размеров и формы отдельных частиц, их ориентировки и состава, различие взаимного расположения.
В изверженных породах первичная неоднородность связана с их растрескиванием и различием в зернистости. Даже в полнокристалли ческих равномернозернистых структурах обнаруживается неоднород ность породы, залегающей в глубине тела и на периферии.
Глубинные породы чаще всего неоднородны по химическому составу и текстуре. Более резко эта неоднородность выражена в местах складок, разрывов, тектонической трещиноватости.
Процессы выветривания вызывают изменение состава и свойств пород с разрастанием разрушенности от дневной поверхности, измене нием прочности, деформационных свойств.
Разрывы и трещины при неравномерном их распределении в массиве увеличивают неоднородность пород.
Вследствие неоднородности пород характеристика их и показатели различных свойств меняются с изменением размеров исследуемого образца или участка'массива породы. Поэтому для практических целей важно, чтобы неоднородность пород определялась с учетом размерного фактора.
8
Для буровзрывных работ наибольшее значение имеет установление изменчивости пород на участках и в объемах, соизмеримых с размерами области воздействия (расстоянием между взрываемыми зарядами ВВ, глубиной их заложения и т. п.) и результатами взрыва (размерами кусков взорванной породы).
§4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
Внастоящее время при оценке буримости, взрываемости и дробимости пород, а также при расчете и выборе параметров буровзрывных работ принимают во внимание предельное сопротивление образца пород при одноосном сжатии, т. е. крепость их по шкале М. М. Протодьяконова, агрегатную твердость (твердость по штампу), скорость распро странения упругой волны в образце и в массиве породы, пластические свойства (вязкость).
Наличие жесткой связи между частицами приближает скальные породы по механическим свойствам к обычным твердым телам, изучае
мым в курсе сопротивления материалов. |
о д н о о с н о м у |
|
П р е д е л ь н о е |
с о п р о т и в л е н и е |
с ж а т и ю ( р а з д а в л и |
в а н и ю ) для скальных пород колеблется |
в широких' пределах. Для |
невыветрившихся магматических и неко |
торых разностей метаморфических и осадочных пород (плотные изве стняки, кремнистые песчаники и т. п.) оно превышает 1000 кгс/см2, достигая у изверженных пород 2000—2500 кгс/см2; у выветрившихся разностей сопротивление раздавливанию снижается до 20—400 кгс/см2.
П р о ч н о с т ь большинства сцементированных осадочных пород колеблется в значительных пределах и зависит от материала цемента
истепени выветренности породы.
Кр е п о с т ь пород по шкале М. М. Протодьяконова характери зует общее сопротивление их воздействию внешних сил при проходке
иразработке. По этому признаку М. М. Протодьяконов разделил (1926 г.) все породы на десять классов. Каждому классу соответствует
определенный к о э ф ф и ц и е н т к р е п о с т и / , равный прибли зительно сотой части предельного сопротивления породы раздавлива нию. Классификация эта утратила значение в строительстве, но коэф фициент крепости породы / используется при расчетах в метро- и тон нелестроении. Значение коэффициента / для различных пород меняется в пределах от 2 до 20 и более (см. табл. 3).
Сопротивление раздавливанию и крепость породы приближенно характеризуют ее свойства по буримости. Такое же значение имеет твердость породы по штампу.
Если в поверхность образца породы вдавливать цилиндрический штамп с плоским основанием, то под плоскостью штампа материал породы вначале упруго сжимается, затем деформации переходят в раз рушительные, при которых материал «течет», и еще через некоторое время наступает местный скол части породы и образуется лунка. Предельное сопротивление сколу, отнесенное к единице площади штам па, называют т в е р д о с т ь ю п о р о д ы п о ш т а м п у .
9