31. Закрытые способы разработки грунта. Закрытые способы разработки грунта

Для прокладки трубопроводов, коммунальных и транспортных тоннелей и т.п. обычно роют траншею. Но иногда отрыть траншею невозможно, например, при пересечении трассой трубопровода транспортной магистрали с интенсивным движением, которое невозможно прервать даже на относительно короткий срок. В таких случаях принято прибегать к так называемым закрытым методам прокладки трубопроводов: проколу, продавливанию, горизонтальному бурению или пневмопробивке.

ПРОКОЛ

Прокол – это образование отверстий за счет радиального уплотнения грунта при вдавливании в него трубы с коническим наконечником. Вдавливание производят гидравлическим домкратом. В котловане укладывают звено трубы с наконечником и после выверки домкратом вдавливают в грунт на длину хода штока. После возвращения штока в начальное положение вводят на его место нажимной патрубок (шомпол), и процесс повторяется. По окончании вдавливания первого звена трубы на полную длину шомпол убирается, в котлован опускается следующее звено, которое приваривается встык к уже задавленному в грунт. Далее задавливают наваренное звено, и цикл повторяется достаточное количество раз до прокола на всю длину участка, который нельзя копать традиционным образом. За каждый цикл происходит продвижение трубы на 150мм. Этот метод практикуется в хорошо сжимаемых грунтах, отверстия «прокалывают» для труб диаметром от 100 до 400 мм на глубине более 3 м. В мало сжимаемых грунтах (песке, супеси) для обеспечения устойчивости стенок дополнительно к горизонтальному усилию необходимо применять поперечное и вибрационное воздействие. При этом выполняют отверстия диаметром до 300 мм.

Продавливание

Метод применяется для прокладки стальных труб диаметром от 500 мм до 1800 мм, либо коллекторов квадратного (прямоугольного) сечения на расстоянии до 80 м. Технология следующая: в грунт последовательно вдавливают звенья труб, внутри которых грунт разрабатывается и удаляется посредством шнековой установки. В легко размываемых грунтах удаление производят гидромеханическим методом (струей воды размывают грунт внутри трубы и пульпу откачивают насосом). Часто трубы используют как футляры для размещения в них основных трубопроводов.

Бурение

Бурение применяют для прокладки в глинистых грунтах трубопроводов диаметром от 800 до 1000 мм на длину до 100 м. Конец трубы снабжается режущей коронкой увеличенного диаметра, труба приводится во вращения от мотора, установленного на бровке котлована. Поступательное движение трубе сообщает реечный домкрат с упором в заднюю стенку котлована. Грунт, заполняющий трубу изнутри, может удаляться, как в описанном выше способе.

Пневмопробивка

Пневмопробивка ведется при помощи специального проходческого снаряда виброударного действия – пневмопробойника. Агрегат представляет собой самодвижущуюся пневматическую машину, корпус которой является рабочим органом, образующим скважину. Ударник под действием сжатого воздуха совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары по переднему внутреннему торцу корпуса, забивая его в грунт.

Пневмопробойник позволяет проходить скважины длиной до 50 м для трубопроводов диаметром до 300 мм. Применение пневмопробойника резко увеличивает производительность труда по сравнению с традиционными методами бестраншейной прокладки подземных коммуникаций.

Гидромеханическая разработка грунта 

Гидромеханический метод разработки грунта основан на использовании кинетической энергии потока воды. С ее помощью происходят разработка, транспортировка и укладка грунта. Применение этого метода целесообразно при больших объемах работ, устройстве насыпей с минимальной осадкой и, конечно, при наличии достаточных электро- и водных ресурсов.

Гидромеханический метод разработки грунта включает: размыв грунта в забое и перевод его в полужидкую массу (пульпу), транспортировку и укладку (намыв) пульпы в сооружение или отвал.

Разработку грунта можно вести надводных и подводных забоях.

НАДВОДНЫЕ ЗАБОИ

В надводных забоях сухой грунт размывают гидромониторным способом. Гидромонитор – основное технологическое средство данного способа разработки грунта. Он представляет собой стальной ствол с насадкой и шарнирными сочленениями, обеспечивающими вращение ствола в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Вода поступает по трубопроводу под значительным напором, создавая удельное давление на фронт забоя 0,5 – 4,3 МПа. В результате ударного действия струи грунт разрушается и образуется пульпа.

В зависимости от рода грунта и высоты забоя расход воды на 1 м3 разрабатываемого грунта составляет 3 – 15 м3.

Можно разрабатывать грунт встречным забоем, когда гидромонитор располагается на подошве забоя и размыв ведут снизу вверх или попутным забоем – с расположением гидромонитора над фронтом забоя и разрывом грунта сверху вниз. В первом случае обеспечивается высокая производительность гидромонитора за счет периодических обвалов грунта, нависающего под зоной подмыва. Эффект достигается при применении для отбойки грунта высоконапорной воды или взрывчатых веществ. Поскольку гидромонитор может оказаться среди потоков пульпы, их следует направлять мимо гидромонитора.

При попутных забоях производительность гидромонитора ниже, но перемещается он по сухому грунту. Поток пульпы, получая от водяной струи достаточную начальную скорость, обеспечивает интенсивный сток.

При благоприятном рельефе местности размытый гидромонитором грунт по трубопроводу или лоткам самотеком направляется к месту образования насыпи. В иных случаях пульпа вначале поступает по канавкам в зумпф или приемный колодец, а затем по напорному трубопроводу перекачивается землесосом в насыпь. Землесос состоит из грунтового насоса большой мощности, который может пропускать камни диаметром до 400 мм. Производительность землесосов составляет 400 – 1200 м3 пульпы в час при напоре 20 – 80 МПа.

Пульпопроводы состоят из стальных труб, соединяемых между собой быстроразъемными соединениями с резиновыми манжетами.

ПОДВОДНЫЕ ЗАБОИ

В подводных забоях грунт разрабатывают землесосным способом, при котором грунт всасывается землесосным снарядом и перекачивается к месту укладки в виде пульпы.

Со дна водоема грунт всасывается при помощи всасывающей трубы землесоса, подвешенной к специальной стреле. Стрела соединена с мачтой, установленной на барже.

При разработке плотных грунтов всасывающую трубу снабжают специальной вращающейся рыхлительной головкой или вибрационным рыхлителем. Земснаряд соединяют с магистральным пульпопроводом, проложенным по берегу, при помощи плавучего пульпопровода, смонтированного на плашкоутах, что позволяет ему передвигаться по забою вслед за движением земснаряда.

Разработка начинается с заглубления всасывающей трубы на глубину снимаемого за одну проходку слоя. Затем воронку расширяют путем периодического отвода земснаряда вперед и в сторону, следя за тем, чтобы при этом не прекратился контакт всасывающей части с грунтом.

Намыв грунта происходит в результате оседания частиц грунта из пульпы, когда скорость движения ее становится ниже критической. Возводимую насыпь разбивают в плане на захватки, на которых поочередно выполняют намыв грунта и подготовительные работы к намыву следующего слоя. По контуру очередной захватки бульдозером возводят земляной вал на высоту намываемого слоя пульпы и наращивают установленный ранее в пределах захватки водосбросный колодец с выпускаемой трубой.

Когда магистральный пульпопровод на участке намыва размещают на эстакаде, превышающей по высоте возводимую насыпь, и выдают из него пульпу поочередно на захватки (карты) намыва, мы имеем дело с эстакадным способом подачи пульпы. При бесэстакадном способе магистральный пульпопровод укладывают вдоль основания возводимой насыпи. Через каждые 20-30 м на трубопроводе устанавливают специальные выпускные патрубки, через которые пульпа поступает на карту намыва. В первом случае возведение эстакады представляет собой относительно дорогую и трудоемкую работу, зато в дальнейшем дополнительные работы сводятся к минимуму, а процесс намыва значительно ускоряется. При втором способе стоимость и трудоемкость начальной проходки трубопровода незначительны, но в дальнейшем приходится периодически наращивать и перемонтировать выпускные патрубки, что задерживает процесс намыва.

Возведение насыпей методом намыва обеспечивает значительную плотность грунта, поэтому прибегать к искусственному уплотнению грунта не надо. На последующую усадку насыпи придают небольшой запас высоты: 1,5% при суглинистых и супесчаных грунтах и 0,75% при песчаных.

32.

В условиях современного поточного строительства, осуществляемого круглогодично, возникает необходимость выполнения значительных объемов земляных работ в зимних условиях.

Выполнение земляных работ в зимних условиях связано с определенными трудностями, обусловленными изменением физико-механических свойств грунта при замерзании. Механическая прочность грунта при замерзании возрастает. Прочность на сжатие многократно превышает прочность на растяжение, поэтому разрушать мерзлый грунт скалыванием легче, чем резанием.

Мерзлый грунт по сравнению с талым имеет большую теплопроводность, но меньшую теплостойкость, вследствие чего он промерзает быстрее, а оттаивает медленнее. Скорость и глубина промерзания грунта зависят от гранулометрического состава, влажности, средней температуры воздуха, продолжительности периода с отрицательными температурами, толщины снегового покрова и др. Глубина сезонного промерзания может быть принята по данным метеорологических станций и климатическим справочникам или определена по эмпирическим формулам.

Используются различные способы подготовки и разработки грунтов в зимних условиях: предохранение грунта от промерзания, рыхление мерзлого грунта, разработка грунта в мерзлом состоянии и оттаивание его.

От промерзания грунт предохраняется предварительной механической обработкой поверхности: вспахиванием с боронованием или глубоким (до 1,5 м) рыхлением, утеплением теплоизоляционными материалами, снегозадержанием, устройством ледозащитной оболочки; понижением уровня грунтовых вод; пропиткой грунта растворами солей, понижающими температуру замерзания воды в грунте, и др. Это позволяет предотвратить или существенно уменьшить глубину промерзания и тем самым обеспечить возможность разработки грунта экскаватором. Предохранять грунт от промерзания целесообразно, если точно известно место разработки и работы планируется выполнять не позже второй трети зимнего периода.

Рыхление мерзлого грунта выполняется механическим или взрывным способами.

Рис. 4.25. Схема рыхлителя для мерзлых грунтов:

1 — гидроцнлиндр; 2— опорная рама; 3—телескопическая тяга; 4 — рабочая балка; 5 — нижняя рама; 6 — зуб

Механическое разрушение слоя мерзлого грунта производится шар- или клин-молотом, подвешенным к стреле экскаватора-драглайна; дизель-молотом, оборудованным клином; ударными и статическими рыхлителями, смонтированными на тракторах или экскаваторах; виброрыхлителями и др. (рис. 4.25).

Взрывной способ рыхления эффективен при больших объемах работ и глубоком промерзании грунтов. Для рыхления применяются в основном шпуровые или щелевые заряды с короткозамед-ленным взрыванием. Взрывное рыхление мерзлых грунтов экономично, но в условиях городской застройки применяется весьма ограниченно, так как взрывы оказывают сейсмическое воздействие на расположенные вблизи здания и сооружения.

В настоящее время сплошное рыхление мерзлого грунта вытесняется более эффективным способом разработки, сущность которого заключается в разрезке массива мерзлого грунта на полосы и блоки, легко отделяемые от талого грунта ковшом экскаватора. Нарезка блоков может производиться приспособлениями в виде ножа, установленного на стреле экскаватора, оборудованного обратной лопатой, диско-фрезерными и баровыми машинами (рис. 4.26). Достоинством этого способа является отсутствие вибрации и сотрясений, имеющих место при механическом и взрывном рыхлении грунтов.

Разработка мерзлого грунта в естественном состоянии осуществляется машинами, рабочий орган которых разрушает грунт скалыванием. Этот способ проходит стадию производственной проверки, совершенствуются конструкции машин и расширяются их производственные возможности.

Мерзлый грунт при небольших объемах работ целесообразно оттаивать. Это осуществляется с помощью электропрогрева, паровых и водяных игл, огневым, химическим и другими способами.

Выбор способа подготовки мерзлого грунта к разработке зависит от вида и размеров земляного сооружения, рода грунта, сроков выполнения и условий производства работ. Из ряда технически целесообразных вариантов выбирается наиболее экономичный.

Особенности производства земляных работ в зимних условиях выдвигают определенные требования к технологии и организации их выполнения. Необходимо принимать меры по предотвращению промерзания грунта в экскаваторном забое, для чего разработку нужно вести круглосуточно узким фронтом и на всю глубину выемки. Рыхление и резание грунта должно проводиться вне зоны работы экскаватора с опережением не более чем на одну смену.

Рис. 4.26. Машины для нарезки блоков мерзлого грунта: а - баровая; б - диско-фрезерная

33.

Значительная часть территории России расположена в зонах с продолжительной и суровой зимой. Однако строительство здесь ведется круглый год, в связи с чем примерно 20% общего объема земляных работ приходится выполнять при мерзлом состоянии грунта.

Для мерзлых грунтов характерным является значительное увеличение трудоемкости их разработки вследствие повышенной механической прочности. Кроме того, мерзлое состояние грунта усложняет технологию, ограничивает применение некоторых типов землеройных (экскаваторов) и землеройно-транспортных (бульдозеров, скреперов, фейдеров) машин, уменьшает производительность транспортных средств, способствует быстрому износу деталей машин, особенно их рабочих органов. В то же время временные выемки в мерзлом грунте можно разрабатывать без откосов.

В зависимости от конкретных местных условий разработку грунта в зимних условиях осуществляют следующими методами: 1) предохранением грунта от промерзания и последующей разработкой обычными методами; 2) разработкой грунта в мерзлом состоянии с предварительным рыхлением; 3) непосредственной разработкой мерзлого грунта; 4) оттаиванием фунта и его разработкой в талом состоянии.

Предохранение грунта от промерзания осуществляют рыхлением поверхностных слоев, укрытием поверхности различными утеплителями, пропиткой фунта солевыми растворами.

Рыхление грунта вспахиванием и боронованием производят на участке, предназначенном для разработки в зимних условиях. В результате верхний слой фунта приобретает рыхлую структуру с замкнутыми пустотами, заполненными воздухом, которая обладает достаточными термоизоляционными свойствами. Вспашку ведут факторными плугами или рыхлителями на глубину 20...35 см с последующим боронованием на глубину 15... 20 см в одном направлении (или в перекрестных направлениях), что повышает термоизоляционный эффект на 18...30%.

Укрытие поверхности грунта выполняют термоизоляционными материалами, желательно из дешевых местных материалов: древесных листьев, сухого мха, торфяной мелочи, соломенных матов, шлака, сфужек и опилок, укладываемых слоем 20...40 см непосредственно по фунту. Поверхностное утепление фунта применяют в основном для небольших по площади выемок.

Рыхление мерзлого грунта с последующей разработкой землеройными или землеройно-фанспортными машинами осуществляют механическим или взрывным методом.

Механическое рыхление базируется на резании, раскалывании или сколе слоя мерзлого грунта статическим или динамическим воздействием.

Статическое воздействие основано на воздействии непрерывного режущего усилия в мерзлом грунте специальным рабочим органом - зубом. Для этого применяют специальное оборудование, у которого непрерывное режущее усилие зуба создается за счет тягового усилия трактора-тягача. Машины этого типа производят послойную проходку мерзлого грунта, обеспечивая за каждую проходку глубину рыхления порядка 0,3...0,4 м. Рыхлят грунт параллельными (примерно через 0,5 м) проходками с последующими поперечными проходками под углом 60...90° к предыдущим. Производительность рыхлителя 15...20 м3/ч. В качестве статических рыхлителей применяют гидравлические экскаваторы с рабочим органом - зубом-рыхлителем.

Возможность послойной разработки мерзлого фунта делает статические рыхлители применимыми независимо от глубины промерзания.

Динамическое воздействие основано на создании ударных нафу-зок на открытой поверхности мерзлого фунта. Этим способом фунт разрушают молотами свободного падения (рыхление раскалыванием) либо молотами направленного действия (рыхление сколом). Молот свободного падения может иметь форму шара или клина массой до 5 т, подвешиваемого на канате к стреле экскаватора и сбрасываемого с высоты 5...8 м. Шары рекомендуется применять при рыхлении песчаных и супесчаных фунтов, а клинья - глинистых (при глубине промерзания 0,5...0,7 м).

В качестве молота направленного действия широко применяют дизель-молоты, используемые в качестве навесного оборудования к экскаватору или трактору. Дизель-молоты позволяют разрушать фунт на глубину до 1,3 м.

Рыхление взрывом эффективно при глубинах промерзания 0,4...1,5 м и более и при значительных объемах разработки мерзлого фунта. Его применяют преимущественно на незастроенных участках, а на застроенных офаниченно - с использованием укрытий и локализаторов взрыва (тяжелых прифузочных плит). При рыхлении на глубину до 1,5 м применяют шпуровой и щелевой методы, а при больших глубинах - скважинный или щелевой. Щели на расстоянии 0,9...1,2 м одна от другой нарезают щеленарезными машинами фрезерного типа или баровыми машинами. Из трех соседних щелей заряжается одна средняя; крайние и промежуточные щели служат для компенсации сдвига мерзлого фунта во время взрыва и для снижения сейсмического эффекта. Заряжают щели удлиненными или сосредоточенными зарядами, после чего их забивают песком. При взрывании мерзлый фунт полностью дробится, не повреждая стенок котлована или траншеи.

Непосредственная разработка мерзлого грунта (без предварительного рыхления) ведется двумя методами: блочным и механическим.

Блочный метод основан на том, что монолитность мерзлого грунта нарушается с помощью разрезки его на блоки, которые затем удаляют экскаватором, строительным краном или трактором. Разрезку на блоки выполняют по взаимно перпендикулярным направлениям. При малой глубине промерзания (до 0,6 м) достаточно сделать только продольные прорезы. Глубина прорезаемых в мерзлом слое щелей должна составлять примерно 80% от глубины промерзания, так как ослабленный слой на границе мерзлой и талой зон не является препятствием для отрыва блоков от массива. Расстояние между нарезанными щелями зависит от размеров кромки ковша экскаватора (размеры блоков должны быть на 10...15% меньше ширины зева ковша экскаватора). Для отгрузки блоков применяют экскаваторы с ковшами вместимостью 0,5 м3 и выше, оборудованные преимущественно обратной лопатой, так как выгрузка блоков из ковша прямой лопатой сильно затруднена.

Механический метод основан на силовом (иногда в сочетании с ударным или вибрационным) воздействии на массив мерзлого грунта. Реализуется применением как обычных землеройных и землеройно-транспортных машин, так и машин, оборудованных специальными рабочими органами.

Обычные машины применяют при небольшой глубине промерзания фунта: экскаваторы прямая и обратная лопаты с ковшом вместимостью до 0,65 м3 - 0,25 м; то же, с ковшом вместимостью до 1,6 м3 - 0,4 м; экскаваторы-драглайны - до 0,15 м; бульдозеры и скреперы - 0,05...0,1 м.

Для расширения области применения в зимнее время одноковшовых экскаваторов начато применение специального оборудования: ковшей с виброударными активными зубьями и ковшей с захватно-клещевым устройством. За счет избыточного режущего усилия такие одноковшовые экскаваторы могут послойно разрабатывать массив мерзлого фунта, объединяя процессы рыхления и экскавации в единый.

Послойную разработку грунта осуществляют специализированной землеройно-фрезерной машиной, снимающей «стружку» толщиной до 0,3 м и шириной 2,6 м. Перемещение разработанного мерзлого грунта производят бульдозерным оборудованием, входящим в комплект машины.

Оттаивание мерзлого грунта осуществляют тепловыми способами, характеризующимися значительной трудоемкостью и энергоемкостью. Поэтому тепловые способы применяют только в тех случаях, когда другие эффективные методы недопустимы или неприемлемы, а именно: вблизи действующих подземных коммуникаций и кабелей; при необходимости оттаивания промерзшего основания; при аварийных и ремонтных работах; в стесненных условиях (особенно в условиях технического перевооружения и реконструкции предприятий).

Способы оттаивания мерзлого грунта классифицируют как по направлению распространения теплоты в грунте, так и по применяемому виду теплоносителя.

По направлению распространения теплоты в грунт можно выделить следующие три способа оттаивания грунта.

Способ оттаивания грунта сверху вниз неэффективен, так как источник теплоты размещается в зоне холодного воздуха, что вызывает большие потери теплоты. В то же время этот способ достаточно легко и просто осуществить, так как он требует минимальных подготовительных работ.

Способ оттаивания грунта снизу вверх требует минимального расхода энергии, так как оттаивание происходит под защитой льдоземляной корки и теплопотери при этом практически исключаются. Главный недостаток этого способа - необходимость выполнения трудоемких подготовительных операций, что ограничивает область его применения.

При оттаивании грунта по радиальному направлению теплота распространяется в фунте радиально от вертикально установленных профевающих элементов, пофуженных в фунт. Этот способ по своим экономическим показателям занимает промежуточное положение между двумя ранее описанными, а для своего осуществления требует также значительных подготовительных работ.

По виду теплоносителя различают следующие основные способы оттаивания мерзлых грунтов.

Огневой способ применяют для отрывки зимой небольших траншей. Для этого экономично использовать звеньевой агрегат, состоящий из ряда металлических коробов в форме разрезанных по продольной оси усеченных конусов, из которых собирают сплошную галерею. Первый из коробов представляет собой камеру сгорания, в которой сжигают твердое или жидкое топливо. Вытяжная труба последнего короба обеспечивает тягу, благодаря которой продукты сгорания проходят вдоль галереи и прогревают расположенный под ней грунт. Для уменьшения теплопотерь галерею обсыпают слоем талого грунта или шлака. Полосу оттаявшего грунта засыпают опилками, а дальнейшее оттаивание вглубь продолжается за счет аккумулированной в грунте теплоты.

Способ электропрогрева основан на пропуске тока через разогреваемый материал, в результате чего он приобретает положительную температуру. Основными техническими средствами являются горизонтальные или вертикальные электроды.

При оттаивании грунта горизонтальными электродами по поверхности грунта укладывают электроды из полосовой или круглой стали, концы которых отгибают на 15...20 см для подключения к проводам. Поверхность отогреваемого участка покрывают слоем опилок толщиной 15...20 см, которые смачивают солевым раствором с концентрацией 0,2...0,5% с таким расчетом, чтобы масса раствора была не менее массы опилок. Вначале смоченные опилки являются токопроводящим элементом, так как замерзший грунт не является проводником. Под воздействием теплоты, генерируемой в слое опилок, оттаивает верхний слой грунта, который превращается в проводник тока от электрода к электроду. После этого под воздействием теплоты начинает оттаивать следующий слой грунта, а затем нижележащие слои. В дальнейшем опилочный слой защищает отогреваемый участок от потерь теплоты в атмосферу, для чего слой опилок покрывают толем или щитами. Этот способ применяют при глубине промерзания фунта до 0,7 м; расход электроэнергии на отогрев 1 м3 грунта колеблется от 150 до 300 МДж; температура в опилках не превышает 8О...9О°С.

Оттаивание грунта вертикальными электродами осуществляют с применением стержней из арматурной стали с заостренными нижними концами. При глубине промерзания 0,7 м их забивают в грунт в шахматном порядке на глубину 20...25 см, а по мере оттаивания верхних слоев грунта погружают на большую глубину. При оттаивании сверху вниз необходимо систематически убирать снег и устраивать опилочную засыпку, увлажненную солевым раствором. Режим прогрева при стержневых электродах такой же, как и при полосовых, причем во время отключения электроэнергии электроды следует последовательно заглублять по мере прогрева грунта до 1,3...1,5 м. После отключения электроэнергии в течение 1...2 дн глубина оттаивания продолжает увеличиваться за счет аккумулированной в грунте теплоты под защитой опилочного слоя. Расход энергии при этом способе несколько ниже, чем при способе горизонтальных электродов.

Применяя прогрев снизу вверх, до начала прогрева необходимо бурить скважины, расположенные в шахматном порядке, на глубину, превышающую на 15...20 см толщину мерзлого фунта. Расход энергии при отофеве фунта снизу вверх существенно снижается, составляя 50...150 МДж на 1 м3, а применять слой опилок не требуется.

При заглублении стержневых электродов в подстилающий талый фунт и одновременном устройстве на дневной поверхности опилочной засыпки, пропитанной солевым раствором, оттаивание происходит как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх. При этом фудоемкость подготовительных работ значительно выше, чем в первых двух вариантах. Применяют этот способ лишь в исключительных случаях, когда необходимо эксфенно осуществить оттаивание фунта.

Паровое оттаивание основано на впуске пара в фунт, для чего применяют специальные технические средства - паровые иглы, представляющие собой металлическую фубу длиной до 2 м, диаметром 25...50 мм. На нижнюю часть трубы насажен наконечник с отверстиями диаметром 2...3 мм. Иглы соединяют с паропроводом гибкими резиновыми шлангами с кранами. Иглы заглубляют в скважины, предварительно пробуриваемые на глубину, равную 70% глубины оттаивания. Скважины закрывают защитными колпаками, снабженными сальниками для пропуска паровой иглы. Пар подают под давлением 0,06...0,07 МПа. После установки аккумулированных колпаков прогреваемую поверхность покрывают слоем термоизолирующего материала (например, опилок). Иглы располагают в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1...1,5 м. Расход пара на 1 м3 фунта составляет 50...100 кг. Этот метод требует расхода теплоты примерно в 2 раза больше, чем метод глубинных электродов.

Оттаивание электронагревателями основано на передаче теплоты мерзлому грунту контактным способом. В качестве основных технических средств применяют электроиглы, представляющие собой стальные трубы длиной около 1 м, диаметром до 50...60 мм. Внутри иглы установлен нагревательный элемент, изолированный от корпуса трубы. Нагревательный элемент имеет контактные выводы для подключения к электрической цепи. Нагреваясь, он передает тепловую энергию стальному корпусу, а тот - мерзлому фунту.

При оттаивании грунтов электронагревателями теплота распространяется в радиальном направлении.

Разработка грунта механическим методом

Механический метод основан на применении для разработки, перемещения и укладки фунта машин и механизмов. Ведущим процессом в данном комплексе является разработка фунта. При механическом способе разработки на фунт действует усилие резания (скалывания) рабочего органа различных машин. В результате определенные порции фунта отделяются от массива и могут быть перемещены и уложены в насыпь. Если машина только разрабатывает фунт, то она носит название землеройной. Если машина разрабатывает и перемещает фунт, то она называется землеройно-транспортной.

Разработка грунта землеройными машинами

К землеройным машинам относят одноковшовые экскаваторы цикличного и непрерывного действия. Наибольшее применение имеют одноковшовые экскаваторы, которыми выполняется около 45% всего объема земляных работ.

Для разработки фунта одноковшовыми экскаваторами в промышленном и фажданском строительстве используют экскаваторы с ковшом вместимостью 0,15...2м3, реже до 4 м3.

Процесс разработки фунта экскаватором с любым видом рабочего оборудования складывается из чередующихся в определенной последовательности операций в одном цикле: резание фунта и заполнение ковша, подъем ковша с фунтом, поворот экскаватора вокруг оси к месту выфузки, выфузка фунта из ковша, обратный поворот экскаватора, опускание ковша и подача его в исходное положение.

Предельные размеры выемок, которые могут быть выполнены одноковшовым экскаватором с одной стоянки, зависят от его рабочих параметров.

Основными рабочими параметрами одноковшовых экскаваторов при разработке выемок являются максимально возможная высота копания +Н, глубина копания (резания) - Н, наибольший и наименьший радиусы копания на уровне стоянки экскаватора Rmax и Rmin, радиус выгрузки Rв, высота выфузки Нв.

Разработку грунта одноковшовыми экскаваторами ведут позиционно. Зону, в которой действует экскаватор на данной позиции, называют забоем. В нее входят площадка, на которой находится экскаватор, часть массива фунта, разрабатываемого с одной стоянки, и площадка, на которой устанавливается транспорт под пофузку или размещается отвал грунта. По окончании разработки фунта в данном забое экскаватор перемещается на новую позицию.

Экскаватор и транспортные средства должны быть расположены в забое таким образом, чтобы средняя величина угла поворота экскаватора от места заполнения ковша до места его выгрузки была минимальной, так как на время поворота стрелы может расходоваться до 70% рабочего времени цикла экскаватора.

Экскаватор с прямой лопатой используют для разработки фунтов, расположенных выше уровня стоянки экскаватора, преимущественно с погрузкой на транспорт. Процесс выемки фунта осуществляется лобовыми и боковым забоями.

В лобовом забое экскаватор разрабатывает фунт впереди себя и отфужает его на транспортные средства, которые подают к экскаватору по дну забоя. В зависимости от ширины проходки лобовые забои подразделяют на узкие (ширина проходки менее 1,5 размера оптимального радиуса резания Ro, Во = 0,9Лпах), нормальные [ширина (1,5... 1,9) Ro] и уширенные [ширина (2... 2,5) Rо].

При узких забоях самосвалы подают с одной сторбны сзади экскаватора, а при нормальных - с обеих сторон экскаватора попеременно, что исключает простои экскаватора при смене транспортных единиц. Экскаватор перемещается прямолинейно по оси забоя.

В некоторых случаях разработку грунта ведут уширенным забоем с перемещением экскаватора по зигзагу. В уширенных забоях сокращаются холостые проходы экскаватора и облегчаются условия маневрирования автосамосвалов.

Ширина лобовых проходок;

для лобовой прямолинейной

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (1/2)

для зигзагообразной

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (?) + 2 Rc

где R0 - оптимальный радиус резания экскаватора; lп - длина рабочей передвижки экскаватора (разность между максимальным и минимальным радиусами резания); Rс —радиус резания на уровне стоянки.

Разработка выемок способом лобового забоя затрудняет работу транспорта. Кроме того, средний угол поворота платформы экскаватора для погрузки грунта в транспортные средства, особенно при работе в узких забоях, может достичь 180°, что увеличивает время рабочего цикла и снижает производительность экскаватора. Поэтому способ лобового забоя используют офаниченно.

Более эффективным является разработка фунта способом бокового забоя, когда экскаватор черпает фунт преимущественно с одной стороны перемещения и частично впереди себя. По этой схеме транспорт подается под пофузку сбоку выработки, чем достигается значительное уменьшение угла поворота стрелы экскаватора при пофузке фунта в транспортные средства. В боковых забоях транспортные пути проходят параллельно оси перемещения экскаватора и, как правило, на уровне его стоянки.

Ширина боковой проходки

B = 2 ( (R0) ^ 2 – (lп) ^ 2 ) ^ (?) + 0,7 R0

Выемки, глубина которых превышает максимальную высоту забоя для данного типа экскаватора, разрабатывают в несколько ярусов.

Число автомобилей или автопоездов, необходимых для обеспечения бесперебойной работы экскаватора,

N = (Тус.н. + Тн + Тпр + Тус.р. + Тр + Тм) / (Тус.н. + Тн)=

= 1 + (Тпр + Тус.р. + Тр + Тм) / (Тус.н. + Тн),

где Тус.н, Тн, Тпр - продолжительности соответственно установки машины под пофузку, пофузки фунта в машины экскаватором, пробега машины в оба конца при заданном расстоянии, мин;Тус.р, Тр, Тм - продолжительности соответственно установки машины под разфузку, разфузку машины, технологических перерывов, возникающих во время рейса, мин.

При расстоянии L (км) и средней скорости v (км/ч) время самосвала в пути (мин) определяют по формуле

Тпр = 2 х 60 х L/v.

Продолжительность загрузки автосамосвала колеблется в широких пределах в зависимости от числа ковшей с грунтом, погружаемым в кузов, рода фунта, среднего угла поворота машины при загрузке и типа экскаватора

Тн = nк Тц,

где nк - число ковшей грунта, погружаемого в кузов; Тц - продолжительность одного цикла экскавации, мин; Тц = 1 / n, n - число циклов экскаватора за 1 мин при работе с погрузкой в транспортные средства.

Экскаватор с обратной лопатой используют при разработке фунтов, которые находятся ниже уровня стоянки экскаватора, и преимущественно при рытье небольших котлованов и траншей.

Поярусная разработка выемки при этом виде оборудования, как правило, не практикуется. Разработку фунта ведут ниже уровня стоянки экскаватора лобовым или боковым забоем с погрузкой грунта в транспортные средства или укладкой в отвал.

Наименьшую глубину забоя определяют из условия наполнения ковша с «шапкой» (для несвязных грунтов —1... 1,7 м, а для связных - 1,5...2,3м). Ширина проходки зависит от наибольшего радиуса: ее принимают в размере В = (1,2... 1,5)Rо при погрузке в транспорт и В= (0,5...0,8)Rо при укладке в отвал.

Отрывку котлована шириной 12... 14 м обычно осуществляют лобовой проходкой при перемещении экскаватора по зигзагу, а при большей ширине - поперечно-торцовой.

Экскаватор-драглайн применяют для разработки фунтов, расположенных ниже уровня стоянки экскаватора: для рытья глубоких котлованов, широких траншей, возведения насыпей, разработки фунта из-под воды и т. п. Их применяют также для отделочных земляных работ при планировке площадей и зачистке откосов. Преимуществами драглайна являются большие радиусы действия (до 10 м) и глубина копания (до 12 м). Особенно эффективно разрабатывать драглайном мягкие и плотные фунты, в том числе обводненные.

Разработку фунта драглайном осуществляют лобовыми и боковыми проходками аналогично экскаватору «обратная лопата». Драглайн обычно передвигается между очередными стоянками на 1/5 длины стрелы. В зависимости от ширины выемки, способа разфузки фунта (в отвал или в фанспортные средства) и особенностей земляного сооружения в практике используют разнообразные схемы лобового и бокового способов разработки фунта.

Так как ковш драглайна гибко подвешен, весьма эффективными являются челночные способы работы - поперечно-челночный и продольно-челночный. При поперечно-челночном способе автосамосвал по дну выемки подходит к месту загрузки и загружается попеременным черпанием ковша по обе стороны от кузова. При продольно-челночном способе грунт набирают перед задней стенкой кузова автосамосвала и, подняв ковш, разгружают его над кузовом. Угол поворота экскаватора при погрузке по продольно-челночной схеме приближается к 0°, а при поперечно-челночной - к 15... 20°.

Экскаватор-грейфер применяют для рытья колодцев, узких глубоких котлованов, траншей и других сооружений, особенно в условиях разработки грунтов ниже уровня грунтовых вод.

Одноковшовыми экскаваторами отрывают котлованы и траншеи на глубину, несколько меньшую проектной, оставляя так называемый «недобор» слоем 5... 10 см для того, чтобы избежать повреждения основания и не допускать переборов фунта. Для повышения эффективности работы экскаваторов применяют скребковый нож, насаженный на ковш экскаватора. Это приспособление позволяет механизировать операцию по зачистке дна котлованов и траншей и вести их с точностью до 2 см, что исключает необходимость ручных доработок.

В промышленном и фажданском строительстве для разработки траншей наибольшее распространение получили многоковшовые экскаваторы непрерывного действия.

Рабочим органом в многоковшовых траншейных экскаваторах является ковшовая цепь или ковшовый ротор. Экскаваторы с ковшовой цепью обеспечивают разработку траншей глубиной до 3,0 м в основном с вертикальными стенками, а роторные - глубиной до 2,5 м, преимущественно с откосами. В последнем случае на ковши ротора устанавливают откосники. Ковши наполняют фунтом при движении их вверх по наклонной или криволинейной поверхности разрабатываемой выемки. Опорожняются ковши в момент достижения ими наивысшей точки их траектории, где они опрокидываются. Высыпающийся из них фунт попадает на ленточный конвейер, доставляющий его на пофузку в транспортные средства или в отвал.

Разработка грунта землеройно-транспортными машинами

Основными видами землеройно-транспортных машин являются скреперы и бульдозеры, которые за один цикл разрабатывают фунт, перемещают его, разфужают в насыпь и возвращаются в забой порожняком.

Скреперы — наиболее высокопроизводительные землеройно-транспортные машины. Эксплуатационные возможности позволяют использовать их при отрывке котлованов и планировке поверхностей. В настоящее время применяют прицепные (с объемом ковша 3; 7 и 8 м3), полуприцепные (с объемом ковша 4,5 м3) и самоходные (с объемом ковша 8; 15 и 25 м3) скреперы. Прицепные и полуприцепные скреперы наиболее эффективно применять при транспортировании фунта на расстояние до 1000 м, а самоходные - до 3000 м.

Скреперами ведут разработку, транспортирование и укладку фунтов I и II фупп по трудности разработки (песчаные, супесчаные, лёссовые, суглинистые, глинистые и др., не имеющие валунов, с примесью гальки и щебня в объеме не более 10%). Более плотные фунты необходимо предварительно рыхлить (см. ниже).

Полный цикл работы скрепера состоит из набора фунта, движения нафуженного скрепера, разфузки ковша и движения порожнего скрепера. Скрепер снимает ковшом стружку фунта толщиной 0,12. ..0,35 и шириной 1,65...2,75 м (для скреперов с объемом ковша 3...8 м3). Наибольшая толщина отсыпаемого слоя 0,35...0,5 м. Для обеспечения равномерной толщины отсыпаемого грунта ковш раз гружают только при движении скрепера.

Набор грунта производят при прямолинейном движении скрепера. Для увеличения толщины стружки, сокращения времени и пути наполнения ковша применяют тракторы-толкачи, количество которых зависит от типа скреперов, вместимости ковша и дальности транспортирования (один толкач на 2...6 скреперов).

Скреперы набирают грунт (в зависимости от его вида) различными способами. Способ набора фунта постоянной толщины тонкой прямой стружкой применяют на любых связных фунтах; клиновой, т. е. с переменной толщиной стружки - при разработке легких связных фунтов на горизонтальных участках; гребенчатой с переменным заглублением и выглублением ковша - при разработке сухих суглинистых и глинистых фунтов на горизонтальных участках; клевковой с переменным заглублением ковша скрепера.

В зависимости от характера возводимого сооружения, взаимного расположения мест разработки и укладки фунта и от местных условий применяют следующие траектории движения скреперов: эллиптическую, спиральную, «восьмеркой», зигзагообразную, чел-ночно-поперечную и челночно-продольную.

Эллиптическая схема наиболее проста и применяется в большинстве случаев при планировочных работах в промышленном и фажданском строительстве. Наибольший эффект имеет при возведении насыпей или разработке выемок на линейно-протяженном строительстве с высотой насыпи или глубиной выемок не более 2 м, когда не требуется устройства выездов или съездов.

Спиральная схема - разновидность эллиптической, находит применение при возведении широких насыпей из двухсторонних резервов или широких выемок высотой или глубиной до 2,6 м. Так же как и эллиптическая, она не требует устройства съездов и выездов. Поскольку отсыпка грунта производится перпендикулярно оси возводимого сооружения, сокращается дальность транспортировки и увеличивается производительность.

Движение скрепера по восьмерке применяют при тех же условиях, что и эллиптическую схему. Отличием является то, что скрепер при своем движении по «восьмерке» чередует правые и левые повороты, что улучшает технико-эксплуатационные показатели и почти вдвое сокращает время на повороты, повышая тем самым на 3... 5% производительность скрепера.

Схему движения скрепера по зигзагу используют при возведении насыпей высотой до 6 м из резервов по длине захвата 200 м и более. При этом уменьшаются число поворотов и дальность возки грунта и повышается производительность скрепера по сравнению с эллиптической схемой до 15%.

Челночно-поперечную схему применяют при возведении насыпей высотой менее 1,5 м при работе из двусторонних резервов. Движение скреперов по челночно-поперечной схеме аналогично движению по эллиптической. По сравнению с эллиптической схемой производительность скрепера выше на 20...25%.

Челночно-продольную схему движения скреперов применяют при возведении насыпей до 5...6 м, с заложением откосов не круче ? с транспортировкой грунта из двусторонних резервов. При этой схеме холостой пробег сокращается до минимума.

При вертикальной планировке площадей рекомендуются эллиптическая, спиральная и челночно-поперечная схемы движения скреперов.

Тяжелые фунты, а также грунты с примесями, разработка которых затруднена, предварительно рыхлят на толщину срезаемой стружки. Для рыхления применяют рыхлители, являющиеся навесным или прицепным оборудованием к гусеничному трактору. Рыхлитель оборудован пятью стойками-ножами, а при рыхлении особо плотных фунтов - тремя (2-ю и 4-ю снимают).

Бульдозерами разрабатьшают фунт в неглубоких и протяженных выемках и резервах для перемещения его в насыпи на расстояние до 100 м (при использовании более мощных тракторов можно перемещать фунты и на большие расстояния). Бульдозеры применяют также для окучивания фунтов, обратной засыпки траншей и пазух котлованов, зачистки дна котлованов после экскаваторных работ, для разравнивания и планировки фунта. Разработку выемок бульдозером ведут ярусами, соответствующими толщине стружки, снимаемой за одну проходку. Разработку ведут от начала выемки к середине, при этом должна быть обеспечена эффективная работа бульдозера под укщн.

В цикл работы бульдозера входят следующие операции: резание и набор фунта путем снятия стружки под уклон; перемещение Фунта с надвижкой его отвалом бульдозера; разфузка фунта и возвратный холостой ход.

Для уменьшения потерь отвалы бульдозера оборудуются по бокам открылками ящичного типа.

Планировка площадок бульдозерами выполняется преимущественно двумя способами: траншейным и послойным.

При траншейном способе выемку разбивают на ярусы глубиной 0,4...0,5 м. Разработку каждого яруса ведут траншеями на ширину отвала, оставляя между ними полосы нетронутого грунта шириной 0,4...0,6 м. Эти валы срезают бульдозерами в последнюю очередь. Траншейный способ исключает значительные потери грунта при его транспортировании и поэтому более производительный.

При послойном способе выемку разрабатывают слоями на толщину снимаемой стружки за один проход бульдозера последовательно по всей ширине выемки или отдельным его частям. Этот способ используют при сложном очертании площадок и при небольшой глубине срезки.

При перемещениях грунта на расстояние свыше 40 м применяют способ разработки с промежуточным валом, а также спаренную работу двух бульдозеров. Отсыпку грунта ведут послойно, начиная с более удаленной точки от места забора, путем постепенного подъема отвала. Возвращается бульдозер в забой для повторения цикла при дальности перемещения до 70 м задним ходом без разворота машины. При разработке бульдозером особо плотных грунтов их предварительно следует разрыхлять.

Укладка и уплотнение грунта

Укладку и уплотнение грунтов выполняют при планировочных работах, возведении различных насыпей, обратных засыпках траншей и пазух фундаментов.

Для отсыпки насыпи не следует применять легкие супеси, жирные глины, торф, меловые и трепельные грунты и грунты с примесью органических материалов и легкорастворимых солей. Отсыпку следует вести от краев насыпи к середине для лучшего уплотнения грунта, ограниченного отсыпными краевыми участками насыпи.

Наибольшее распространение получило уплотнение грунта катками статического действия: гладкими, кулачковыми, пневмошинными. Это обусловлено простотой и надежностью оборудования, высокой производительностью и сравнительно низкой стоимостью.

На уплотняемость фунта влияют многие факторы: механический состав, связность, начальная плотность и его влажность; толщина уплотняемых слоев; способы уплотнения, параметры применяемых машин, число проходов механизмов по одному месту.

Необходимую плотность грунта нельзя получить однократным приложением уплотняющей нагрузки. Обычно необходимое число проходов катков по одному месту составляет 6...8.

Процессу уплотнения фунта в планировочной насыпи предшествует его разравнивание, которое осуществляют бульдозерами и реже фейдерами. Разравнивание производится горизонтальными слоями при продольном ходе бульдозера. Толщина слоев 0,2... 0,4 м в рыхлом состоянии. Последовательность и число проходов бульдозера устанавливают в зависимости от ширины насыпи. Разравнивание производят от краев насыпи к ее середине с перекрытием предыдущего прохода на 0,3 м.

Для уплотнения фунта в насыпях чаще всего используют прицепные катки на пневмоходу. Уплотнение фунта ведут в той же последовательности, что и его отсыпку. Грунт уплотняют путем последовательных круговых проходок катка по всей площади насыпи, причем каждая проходка должна перекрывать предыдущую на 0,2...0,3 м. Закончив укатку всей площади за один раз, приступают ко второй проходке.

Вытрамбовывание грунта

В последние годы в практику сфо-ительства входит новый метод устройства выемок под фундаменты - вытрамбовывание фунта.

Вьпрамбовывание осуществляют посредством приложения на фунт ударной нафузки путем сбрасывания с высоты 3...8 м тяжелой трамбовки в одно и то же место до образования котлована необходимой глубины. В результате , вытрамбовывания под котлованом и вокруг него образуется уплотненная зона, в пределах которой ликвидируются просадочные свойства фунта, повышаются его плотность и прочностные характеристики, вследствие чего становится возможной передача на уплотненный грунт значительных вертикальных и горизонтальных нагрузок от фундаментов. Для повышения несущей способности фунта в дно полученной выемки может вфамбовываться отдельными порциями жесткий фунтовой материал (щебень, песчано-фавийная смесь, крупный песок и др.).

В зависимости от формы фамбовки (штампа) получают выемки различной конфигурации. В плане фамбовки могут иметь форму квадрата, прямоугольника, шестиугольника или круга шириной понизу 0,4...1,4 м, а поверху 0,7...2,0 м. Высота трамбовки составляет 1...3,5 м с конусностью боковых стенок от 1:20 до 1:5. Масса трамбовки находится в пределах 2...10 т.

На эффективность вытрамбовывания влияет ряд факторов, к которым относят параметры трамбования (массу трамбовки т, высоту сбрасывания Н, энергию удара Э = тН) и фунтовые условия (вид, плотность и влажность грунта). При повышении массы трамбовки и неизменных ее геометрических параметрах эффективность вытрамбовывания возрастает.

Для вытрамбовывания используют краны-экскаваторы, автокраны, тракторы с навесным оборудованием, включающим направляющую штангу, сборную каретку и трамбовку, а при устройстве котлованов с уширением - дополнительно бункер для подачи жесткого материала.

При определенных условиях метод вытрамбовывания по сравнению с традиционными позволяет в 3...5 раз сократить объем работ, снизить затраты в 1,5...3 раза и трудоемкость в 1,8...2,5 раза. Применение этого метода наиболее эффективно в просадочных грунтах. В последние годы область применения метода расширяется на глинистые и песчаные грунты, в том числе водонасыщенные.