Дноуглубительные работы на скальных грунтах

Одними из видов затруднений на судоходных реках являются выходы скальных пород, отдельные камни-одинцы или валуны. В одних случаях образуются пороги, сильно затрудняющие судоходство. В других случаях судовой ход сужается или становится сильно искривленным.

Улучшение судоходных условий на таких реках является одной из труднейших проблем в технологии путевых работ. Дноуглубительные работы в скальных грунтах состоят из предварительного дробления скалы и ее уборки за пределы судового хода. Известно несколько способов дробления, которые применялись в практике производства путевых работ. Во-первых, использование специальных скалодробильных снарядов. Во-вторых, взрывание скалы с помощью накладных или шпуровых зарядов. Удаление раздробленной скалы и камней производят многочерпаковыми и одночерпаковыми снарядами.

Самым простым и не требующим сложного оборудования способом рыхления скалы под водой является взрыв накладных зарядов из пироксилинового пороха, аммонита или аммонала. Однако такой метод рыхления вредно воздействует на ихтиофауну и эффективность его мала. Только 1-3% энергии взрыва идет на дробление (рыхление) скалы, поэтому стоимость работ высока и требует большого расхода взрывчатых веществ (ВВ).

При подводных взрывах заряды из пироксилинового пороха загружаются в двуслойные марлевые мешки длиной от 3 до 10 м и диаметром 0.14-0.20 м. Зимой заряды укладывают в борозды, пробитые во льду в направлении течения реки. В летнее время их опускают на дно с плавучих площадок и при сильном течении закрепляют якорями.

При расчете массы накладных зарядов определяется необходимая глубина рыхления Т_рых и расстояние между центрами соседних зарядов 2r₃. Глубина рыхления состоит из толщины снимаемого слоя h_c, запаса на неровность выработки h_н и глубины воронки. Расстояние между центрами соседних зарядов зависит от коэффициента прочности породы f; коэффициента К₂ мощности ВВ,коэффициента использования массы заряда η, определяемого его формой и размерами (длиной 2х, шириной 2у, высотой 2z).

Для каждой формы зарядов разработаны номограммы, позволяющие находить параметры сетки зарядов. Пример такой номограммы для зарядов удлиненной формы показан на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Номограмма для определения глубины рыхления между удлиненными

зарядами (штриховой линией показана глубина рыхления под центром заряда)

По заданной глубине рыхления и форме заряда рассчитывается величина

,

где: .

Далее, по номограмме для заданной глубины рыхления определяют величину и рассчитывают расстояние между центрами соседних зарядов 2r₃=2 у. Номограмма позволяет решать и обратную задачу, т.е. определять глубину рыхления при заданных параметрах сетки зарядов.

Из-за отмеченных выше недостатков, рыхление скалы накладными зарядами в настоящее время весьма ограничено. Более широко используется шпуровой способ рыхления, при котором взрывчатые вещества закладываются в пробуренные в скале углубления-шпуры. Для бурения шпуров используются перфораторы или буровые станки. В навигационное время они устанавливаются на плавучих платформах (рис. 7.15). Буровая платформа опирается на два понтона и имеет в своей средней части прорези, число которых соответствует числу перфораторов (станков). Их может быть от 2 до 5.

Рис. 7.15. Схема плавучей платформы для бурения под водой:

1 – буровая каретка; 2 – перфоратор; 3 – понтон; 4 – опорная свая;

5 – бур; 6 – обсадная труба; 7 – направляющее устройство.

В зимнее время бурение осуществляется прямо со льда. Технология бурения шпуров сводится к следующему. Через трубчатые направляющие устройства, расположенные в прорезях платформы, опускаются стальные обсадные трубы с режущей коронкой на конце. Обсадная труба забуривается в скалу, после чего в нее опускается бур меньшего диаметра и бурится отверстие на требуемую глубину. По окончании бурения в шпур с помощью зарядного шланга вводится заряд, а станок передвигается к следующему шпуру. Провода от электродетонаторов выводятся на поверхность и монтируются в сеть. Зарядные шланги и обсадные трубы по окончании бурения и заряжения шпуров извлекаются, и буровая платформа отводится по тросу на расстояние 50-70 м, после чего производится взрыв.

Толщина рыхления скалы шпуровым методом составляет от 0.5 до 2.5 м, а диаметр шпуров – до 105 мм. Конфигурация шпуров на разрыхляемой площади скалы, их глубина и диаметр называются параметрами сетки шпуров.

Глубина шпура h_m определяется заданной толщиной удаляемого слоя h_c и величиной перебура h_н, представляющего собой запас на неровность выработки. Значение перебура приближенно равно половине расстояния между шпурами 1_ш.

Рельеф дна русла, образовавшийся в результате рыхления грунта шпуровыми зарядами и последующей уборки разрыхленного материала земснарядом, имеет пилообразную форму (рис. 7.16).

Рис. 7.16. Уровни скального дна:

1 – неразрушенное дно после рыхления; 2 – дно до начала работ; 3 – расчетное дно; 4 – уровень воды до начала работ; 5 – уровень воды по окончании работ; 6 – проектное дно; 7 – дно воронок после рыхления; H_ср – срезка; T_г – гарантированная глубина; h_с - средняя толщина разрабатываемого слоя; h_н – переуглубление (запас) из-за неровности выработки дна; ∆z – глубина воронок, образовавшихся от взрыва.

Расстояние между шпурами в плане l_ш (или l_ш1 и l_ш2, если сетка неквадратная) и диаметр шпура d_ш определяют по данным табл. 7.3 в зависимости от толщины снимаемого слоя и степени дробления или кусковатости породы. Кусковатость устанавливают в зависимости от типа земснаряда или других средств, которые будут использоваться для извлечения породы.

Применение шпуров большего диаметра при заданной средней кусковатости увеличивает расстояния между шпурами и сокращает их число. Вместе с тем увеличивается перебур и возрастает общая глубина шпуров.

Таблица 7.3

Расстояние между зарядами при шпуровом способе рыхления

В практике шпуровых работ перебур иногда устанавливают постоянным, равным примерно 1 м. Тогда в зависимости от толщины снимаемого слоя определяются расстояния между зарядами. После разрушения скальный грунт необходимо убрать из границ судоходной трассы.

Удаление грунта возможно механическими средствами – земснарядами, плавучими кранами, подводными бульдозерами и т.д., или путем направленных взрывов. Последний способ совмещается с процессом рыхления.

Направленная переброска грунта с одновременным его рыхлением основана на взаимодействии газовых пузырей, образовавшихся от последовательных взрывов двух зарядов. Основной взрыв разрушает породу и приподнимает ее на некоторую высоту. Второй взрыв перебрасывает породу в заданном направлении. Он происходит через некоторое время после первого. Вспомогательный заряд располагают вне границ газового пузыря, образующегося от взрыва основного заряда, иначе направленного взрыва не получится. Для сдвига по времени второго взрыва применяют электродетонаторы замедленного действия. Это относится к использованию для рыхления как накладных (рис. 7.17), так и шпуровых (рис. 7.18) зарядов.

Рыхление скалы направленным взрывом выгодно тем, что сокращается объем работы по удалению разрыхленной скальной породы за пределы судового хода. Но анализ расчетных зависимостей показывает, что перемещение грунта в воде без выхода в воздушное пространство на расстояние более 15 м нецелесообразно из-за большого расхода ВВ.

Направленные взрывы применяются также при очистке фарватера от крупных валунов, карчей и топляков, затонувших судов и металлоконструкций, а также при ведении повторных скалоуборочных работ (удаление оставшихся скальных выступов и отдельных камней). После направленного взрыва место работ тщательно протраливают жестким тралом.

Рис. 7.17. Схема расположения накладных зарядов ВВ для направленной переброски грунта с одновременным рыхлением стрелки показывают направления выброса):

а – на одну сторону; б – на две стороны; 1 – основной заряд; 2 – вспомогательный (толкающий) заряд; I,II, III – очередь взрывания зарядов; B₁ – уровень дна до взрыва;B₂ – уровень дна после взрыва.

Рис. 7.18. Схема расположения шпуровых зарядов ВВ для направленной

переброски грунта с одновременным его рыхлением:

1 – основной (шпуровой) заряд; 2 – вспомогательный заряд.

Ослабить вредное воздействие взрывов на окружающую среду, можно поставив на пути движения ударной волны преграду в виде экрана из смеси воздушных пузырьков и воды. Такой экран создается сжатым воздухом, подаваемым в перфорированные трубы, уложенные вокруг места взрыва. При необходимости можно ставить многорядную пузырьковую завесу, в этом случае резко возрастает эффективность гашения ударной волны. Один ряд снижает пиковое давление примерно в 10 раз, а при прохождении через последующие экраны давление уменьшается в 50 и более раз.

Для обеспечения безопасности судов и людей при ведении взрывных работ на реке, особенно в навигационное время, принимаются строгие меры. На берегу выставляют оцепление и устанавливают сигнализацию между взрывным отрядом и проходящими мимо судами, а также предусматривают телефонную или визуальную связь с обстановочными постами для предупреждения взрывников о заходе судна в опасную зону. Закладка зарядов и ведение взрывов должны производиться, по возможности, без прекращения движения судов. Если движение судов все-таки должно быть прекращено, вывешиваются установленные Правилами плавания сигналы, оповещающие судоводителей о закрытии движения.

Минимально допустимые расстояния от места взрыва до зданий и сооружений, складов ВВ и людей определяются на основе Единых правил безопасности при буровзрывных работах. Во время производства работ необходимо подавать следующие звуковые предупредительные сигналы: при укладке зарядов на дно (зарядке шпуров) – один продолжительный – предупредительный; перед моментом взрыва – два продолжительных - боевой; по окончании взрыва – три продолжительных – отбой.

Механические способы разрушения скальных грунтов являются более безопасными для окружающей среды и людей, хотя и более дорогими.

К преимуществам механического рыхления можно отнести возможность полученияболее ровной поверхности дна водоема и сравнительно однородную крупность разрыхленного скального грунта. Такое рыхление осуществляется с помощью специальных плавучих скалодробильных снарядов, имеющих долото с соответствующим приводом. В настоящее время применяются снаряды со свободно падающим долотом, а также с долотом и пневматическим молотом.

Общий вид снаряда со свободно падающим долотом представлен на рис. 7.19. Рабочим органом является металлическое долото со съемным наконечником из марганцовистой стали. Масса долота может быть от 15 до 25 т. Долото при работе поднимается лебедкой по направляющей трубе и сбрасывается вниз. Энергия удара передается скале и приводит к ее разрушению.

Разработка прорези в скальном грунте осуществляется следующим образом. Площадь скального дна разбивают на полосы шириной 40-60 м, параллельные продольной оси прорези. Дробление скалы начинают от бровки откоса по всей ширине полосы. Снаряд перемещается параллельным папильонажем.

Рис. 7.19. Скалодробильный снаряд со свободно падающим долотом:

1 – грейфер; 2 – скалодробильное устройство; 3 – корпус

Недостатком конструкции такого снаряда является рыскливость во время сбрасывания и подъема долота. Поэтому возможны пропуски в разработке прорези. Для улучшения качества рыхления рекомендуется проходить прорезь дважды: папильонажным и траншейным способами. Но при этом значительно снижается производительность снаряда, которая зависит от крепости скалы, энергии удара, от числа ударов в минуту и коэффициента использования по времени. В реальных условиях такие снаряды разрабатывают не более 2-5 м³ в час.

Снаряды с долотом и пневматическим молотом (рис. 7.20) представляют собой плавсредство, в средней части которого имеется прямоугольная прорезь. Над ней смонтирована эстакада с рельсовыми путями для двух мостовых кранов, которые могут перемещаться вдоль прорези.

На кранах расположены тележки с лебедками, к которым подвешены два пневматических молота с направляющими устройствами. Тележки могут перемещаться поперек прорези. Разрушение скалы производится заостренным цилиндрическим долотом, забиваемым в скальное дно пневматическим молотом. Масса ударной части молота составляет 400 кг.

Для разработки дноуглубительной прорези снаряд устанавливают на месте работы по береговым створным знакам и закрепляют становыми и папильонажными тросами. Пневмомолоты опускаются на дно так, чтобы острие долота касалось скалы, а молот с рамой находились в вертикальном положении. Пуском воздуха молоты включаются в работу и по мере разрушения породы погружаются в нее.

Производительность такого снаряда зависит от многих параметров. К ним относятся: коэффициент крепости разрушаемой породы, энергия удара долота, шаг перестановки долота, объем разрушенной породы от одного удара долота, число ударов долота на одной стоянке, толщина разрыхляемого слоя грунта.

Рис. 7.20. Скалодробильный земснаряд с пневматическими молотами:

1 – корпус; 2 – мостовой кран для подъема пневмомолота и направляющей рамы; 3 – направляющая рама; 4 – пневмомолот; 5 – оперативные лебедки; 6 – пульт управления

Для эффективной работы скалодробильных снарядов составляют технологические карты, при расчете которых пользуются рекомендациями B.C. Перехвальского (для снарядов со свободно падающим долотом) и А.С. Старикова (для снарядов с пневматическими долотами).

Технологическая карта снаряда со свободнопадающим долотом представлена нарис. 7.21.

Рис. 7.21. Технологическая карта работы снаряда со свободно падающим долотом

для пород, имеющих коэффициент крепости 1-6; 2-8; 3-10; 4-12

При работе снаряда следует учесть, что максимальный объем разрушенной породы, приходящийся на один удар долота, наблюдается при трех-пяти ударах. Увеличение числа ударов приводит к переизмельчению породы, не дает заметного прироста объема и не увеличивает глубину рыхления. Максимальная производительность снаряда наблюдается также при трех-пяти ударах долота с одной стоянки.

Технологическая карта снаряда с долотом и пневматическим молотом разработана в НГАВТе и представлена на рис. 7.22. По толщине разрабатываемого слоя h_c и категории породы определяют шаг долота l_д, объем разрушенной породы от удара долота V_nop , число ударов молота N_мол и часовую производительность снаряда Q_r .

Рис. 7.22. Технологическая карта работы снаряда с долотом и пневматическим

молотом типа ББ-1 для породы с коэффициентами крепости 1-8; 2-10; 3-15; 4-20

Для лучшего разрушения скалы применяется уступная отбойка породы. В результате распространения радиальных трещин вокруг места забивки долота разрушение очередного массива породы (рис. 7.23) происходит в направлении наименьшего защемления, т.е. в сторону двух свободных поверхностей.

Разрушение скалы происходит и по плоскостям, расположенным под углом 45° к направлению линии действия силы, и поверхность выработанного дна принимает неровную, пилообразную форму.

Рис. 7.23. Схема разрушения скального грунта пневматическим долотом:

а – поверхность скалывания; б – область разрушения

Чтобы обеспечить необходимую глубину, нужно предусматривать запас на неровность выработки h_н=l_д/2. Объем разрушенной породы от одного погружения долота в грунт на глубину h_c+h_н равен .

Второе слагаемое представляет собой дополнительный объем разрушенной породы вследствие переуглубления на величину запаса h_н.

В основу технологической карты положена эмпирическая формула для расчета числа ударов пневматического молота по долоту . В этой формуле разрушающее напряжение τ равно 0.4 разрушающего напряжения сжатия кубического образца породы.

Производительность работы долота, м³/ч,

,

где: k_вр – коэффициент использования снаряда по времени;

t_у – время одного удара пневмомолота, с;

t_п – время, затрачиваемое на перестановку долота с одной точки на другую, с.

При работе снаряда с двумя пневматическими молотами возможны различные варианты их взаимного перемещения (рис. 7.24).

По схеме I вся серия скальных траншей делится по длине на четыре участка и оба молота работают на расстоянии друг от друга: первый – на участках 1 и 2, второй - на участках 3 и 4. Внутри участков перемещение возможно либо вдоль прорези по продольным траншеям, либо поперек – папильонированием. Такая схема целесообразна при неравномерной толщине разрабатываемого слоя.

Рис. 7.24. Схемы работы пневмомолотов:

А – зона работы носового молота; Б – зона работы кормового молота; l_д – шаг долота

По схеме II оба молота начинают работу одновременно с крайних точек первой траншеи, двигаясь навстречу друг другу. Первый молот не доходит до середины на 3-4 м, перемещается на вторую траншею и движется по ней в обратном направлении. Второй молот проходит первую траншею до места остановки первого молота, переходит на вторую траншею и движется в обратном направлении и т. д. Такая схема наиболее целесообразна для примерно одинаковой толщины удаляемого слоя на всем участке одной стоянки снаряда.

Важным параметром работы является коэффициент использования снаряда по времени. Для этого проводится хронометраж всех операций работающего снаряда при разных размерах долота, категориях породы, толщине разрабатываемого слоя.

В частности, для скалодробильных снарядов с долотом и пневмомолотами затраты времени на перекладку якорей составляют 5%, переход с одной позиции на другую 3%, пропуски судов 10%, профилактические осмотры 10%, случайные остановки 9% общего времени разработки прорези, а средний коэффициент использования снаряда по времени равен 0.5.

Опыт производства скалоуборочных работ показывает, что пневмомолотом эффективнее разрабатывать грунт при значительной толщине удаляемого слоя и больших объемах работ. Снаряд со свободно падающим долотом является средством более оперативным. Область его использования - отдельные скальные выступы, небольшие подрезки. Такой снаряд используют при малой толщине удаляемого слоя.

Технико-экономический анализ работы скалодробильных снарядов позволяет разграничить области их применения. На породах с коэффициентом крепости f=6÷12 и при толщине разрушаемого слоя до 60 см применяют снаряд со свободно падающим долотом; в остальных случаях используют снаряд с долотом и пневмомолотом.

Для удаления разрушенного скального грунта применяют многочерпаковые, одночерпаковые штанговые и грейферные снаряды, плавучие краны с водолазными станциями. Для перемещения взрыхленного грунта используют плавучие установки-бульдозеры. Они могут быть самоходными и несамоходными и представляют собой два жестко соединенных понтона. Между ними остается прорезь шириной 3.5-4.0 м, в которой размещается подвешенный на тросах и тягах нож-отвал бульдозера.

Удаление разрушенного скального грунта производится скреперованием челночным методом – с поднятым ножом при движении против течения и опущенным при движении по течению. При скреперовании часть грунта раскатывается в глубокие места, а часть – поднимается ковшом ножа и транспортируется на место отвала.

Кроме перечисленных способов удаления разрыхленной скалы за пределы судового хода, используют канатно-скреперные устройства, гидромониторы и водолазные станции в комплексе с автокранами, а при работе в сухих котлованах за перемычками – экскаваторы и автосамосвалы.