Характеристика гірської місцевості і її вплив на будівництво земляного полотна

Близько 12 % площі України віднесено до гірської місцевості, для якої характерні різкі коливання висоти (не менш, ніж 500 м), чергування хребтів з долинами і між гірськими впадинами. Земляне полотно гірських доріг має суттєві відмінності: дорога часто проходить по схилах, високі насипи чергуються з глибокими виїмками, та напіввиїмками, конструкція земляного полотна вміщує складні спеціальні споруди. Вартість земляних робіт на гірських дорогах становить близько 50-60% загальної вартості дороги. Природно, що в таких випадках земляне полотно будують із використанням місцевих скельних порід.

Певні особливості має організація і технологія проведення робіт: будівництво полотна ведуть за допомогою буріння та вибухів; розробка гірської маси та ущільнення подрібнених скельних ґрунтів потребує спеціальної технології; труднощі маневрування землерийної техніки ускладнюють організацію робіт. До основних особливостей технології спорудження полотнав таких і умовах можна віднести:

1. Звичайні способи розпушування і різання ґрунтів неприйнятні через їх високу міцність, у тому числі високий опір різанню. Для розпушування таких ґрунтів виконують комплекс буропідривних робіт. Розпушені скельні породи мають хоча й меншу, порівняно з гірським масивом, міцність, але вона все ж підвищено порівняно зі звичайними ґрунтовими умовами. Тому розвантаження, розрівнювання і ущільнення таких ґрунтів вимагає великих трудовитрат.

2. Гірські схили піддаються дії снігових лавин, сольових потоків, обвалів і зсувів. Тому на додаток до звичайного комплексу будівельних робіт необхідно влаштовувати споруди, які б протистояли таким грізним природним явищам.

3. Гірські райони мають особливий клімат із різкими змінами по­годи (зливи, різке підвищення рівнів води в ріках, зміна атмосферного тиску з висотою тощо).

4. Автомобільні дороги будують в районах зі слабкою мережею за­лізниць, тому бази постачання розташовані далеко (60-80 км) від до­роги і постачання будівельними матеріалами виявляється утрудненим.

5. Труднощі маневрування для землерийної техніки.

В період будівництва земляного полотна виникають зміни в напруженому стані гірських масивів та окремих схилів, погіршується їх стійкість. Проведення будівельних робіт може стати причиною обвалу або зсуву. Стійкість земляного полотна може бути забезпечена:

1) видаленням нестійких або потенційно нестійких блоків порід;

2) уположуванням укосів;

3) зняттям навантаження з верхньої частини укосу;

4) улаштуванням берм;

5) вибором способу проведення робіт з мінімальним руйнуванням скельного масиву.

Перші три методи найбільш трудомісткі та дорогі. Вони повинні вирішити задачу забезпечення стійкості як на період будівництва, так і експлуатації. Після створення укосу він стає важкодоступним, вартість підготовчих робіт дуже висока, виникає необхідність перевезення та складування великих обсягів обвальних мас.

Берми застосовуються для зменшення об'ємів обвальних мас, які можуть потрапити на дорогу, в глинистих породах зменшують інтенсивність вивітрювання і розмиву, підвищують безпеку будівельних робіт. Влаштування берм підвищує вартість будівництва, але зменшує експлуатаційні витрати. Підраховано, що вартість очищення доріг після обвалів приблизно в десять разів перевищує вартість влаштування виїмки в період будівництва.

Метод проведення робіт з мінімальним руйнуванням масиву передбачає зачищення укосів від окремих виступаючих блоків порід, улаштування ступінчатих укосів, будівництво поперечного профілю земляного полотна в напівнасипах-напіввиїмках.

Бурові роботи.

Скельні породи в укосах виїмки повинні залишатися в найбільш збереженому природному стані. Під час проведення підривних робіт в скельному масиві виникають рвані поверхні, глиби, що нависають, тріщини біля бровки укосу, розущільнення порід масиву, яке веде до збільшення інфільтрації поверхневих вод. Для отримання ефективної дії вибухів та мінімального пошкодження щільності масиву, що залишається, роботи виконують на основі розрахунків та пробних вибухів.

Для розміщення заряду вибухових речовин (ВР) всередині масиву, з висотою уступів у гірському масиві 2-3 м, інколи до 5 м, виконують спеціальні порожнини, найбільш поширеними з яких є шпури (d < 75 мм l < 5 м) та свердловини (d = 75...100 мм). В них розміщують заряди ВР, заповнюють забойочним матеріалом, монтують вибухову сітку і виконують підривання. В залежності від конкретних умов використання робіт розраховують основні параметри - величину одиничного заряду ВР, питомий розхід ВР, крок шпурів або свердловин, розміри забойок та ін.

Існують механічні способи буріння (обертовий, ударний, ударно-обертовий) і фізико-механічні (термічний, підривний, ультразвуковий). На будівництві у доріг ширшого застосування набули механічні способи.

Рисунок 9.1 - Різновиди виробок для підривання: 1 - шпур; 2 - свердловини; 3 -котлова свердловина; 4 - шурф; 5 - рукав; 6 - штольня; 7 - розсічка; 8 - зарядні камери.

Ефективність буріння залежить від міцності породи. За такою ознакою гірські породи поділяють на XI груп:

І-Ш - нескельні;

ІV - гіпс, жорства, слабоцементовані конгломерати;

V - вапняк м’який, пористий тріщинуватий; вивітрені грубозернисті вивержені породи;

VІ - вивітрені середньозернисті вивержені породи, піщаники слабкі на вапняковому цементі;

VІІ - доломіти, кварцити сланцеві, вивітрені, корінні породи дрібнозернисті (базальти, андезити), сильно вивітрені;

VІІІ - вапняк доломітизований; виливні породи середнього вивітрювання;

IX - вапняк щільний; корінні виливні породи слабкого вивітрювання;

Х - кварцит без сланцюватості, корінні породи без слідів вивітрювання;

ХІ - кварцит дрібнозернистий.

Обертовий спосіб застосовують для буріння скельних порід м’яких і середньої твердості ІV - VІ груп. Принцип обертового буріння ґрунтується на дії осьового і обертового зусилля на різець, який знімає стружку. Швидкість буріння залежить від міцності породи, осьового зусилля, швидкості обертання різця, його форми, способу видалення зруйнованої породи.

Ударний і ударно-обертовий способи застосовують для буріння міцних порід VІІ-ІХ груп. Принцип ударного буріння ґрунтується на сколюванні гірської породи внаслідок частих ударів леза бура. Швидкість буріння при цьому залежить від осьового динамічного зусилля і частоти ударів (1500...3000 уд./хв.).

Ударно-обертовий спосіб застосовують для буріння різних порід, в тому числі досить міцних Х-ХІ груп. Принцип ударно-обертового буріння ґрунтується на дії осьового зусилля, крутильного моменту і динамічних ударів. Цей спосіб буріння фактично поєднує два попередніх спосо­би і в найпродуктивнішим.

Для буріння шпурів використовують бурові самохідні машини або бурильне устаткування.

Підривні роботи.

Сучасні вибухові речовини винайшов Нобель у XIX столітті. Підривні роботи виконують з використанням енергії вибуху. При вибуху в шпурі або свердловині відбувається миттєве хімічне перетворення вибухової речовини. При цьому утворюється велика кількість газів, об’єм яких збільшується в сотні разів за тисячні частки секунди. Зрозуміло, що завдяки енергії газу гірська порода розпушується і розкидається.

За характером дії вибухові речовини поділяють на метальні та бризантні. Метальнімають порівняно невелику швидкість підривного розкладання. Тиск газів зростає поступово, що забезпечує значне розкидання гірської породи. Бризантні (роздроблювальні) вибухові речови­ни мають велику швидкість вибухового розкладання. Тиск газів зростає миттєво, що призводить до різкої короткочасної дії на породу. Гірська порода внаслідок цього краще подрібнюється і не розкидається на знач­ну відстань від місця вибуху.

У дорожньому будівництві використовують в основному аміачно-селітренні вибухові речовини. Вони мають малу чутливість до ударів, нагрівання й тертя, що забезпечує безпечне виконання підривних робіт. Недоліки цих речовин - велика гігроскопічність і злежувальність (при вмісті вологи 5-8% вибухові речовини втрачають вибуховість). Проте мокрі речовини можна підсушити і вони стають придатними для подальшого використання.

Існує два способи підривання: вогневий і електричний. В першому випадку використовують капсуль-детонатор і вогнепровідний шнур (бік-фордів). Другий спосіб ґрунтується на підриванні вибухової речовини за допомогою електродетонатора, з’єднаного детонуючим шнуром з підрив­ною машиною. Прогресивнішим і безпечнішим слід вважати електричний спосіб. Він дає змогу виконувати коротко-уповільнене підривання, що особливо цінно при виконанні спрямованих вибухів. При вогневому способі значно менша швидкість підривання, існує більша ймовірність ут­ворення зарядів, які не вибухнули.

Дія вибуху залежить від розміщення заряду в масиві породи, кількості вибухової речовини і властивостей та стану гірської породи (міцність, тріщинуватість тощо). Найменшу відстань від заряду до відкритої поверхні називають лінією найменшого опору (W_оп) (рис. 9.2). Ця величина є однією з основних характеристик при розрахунках заряду.

При підриванні заряду в масиві гірської породи утворюється воронка, розмір якої визначається об’ємом підірваної породи. Показник дії вибуху визначають за формулою

, (9.1)

де r - радіус воронки.

Розрізняють воронки нормального (n=1), підсиленого (n>1) , і зменшеного (n<1) викиду. При n < 0,75 заряд лише розпушує гірську породу. Дія такого заряду не сягає денної поверхні. Його назива­ють камуфлетним.

Рисунок 9.2 - Схема підривної воронки: 1 - заряд ВР; 2 - сфера стиску; 3 - сфера викидання; 4 - сфера розпушування; 5 – сфера струсу; R - радіус дії вибуху; r - радіус воронки; W_оп - лінія найменшого опору.

Найчастіше підривання скельних ґрунтів і розбирання підірваної дороги виконують уступами висотою 2-3 м при закладанні шпурів 6-10 м - при закладанні свердловин. Шпури і свердловини закладають у шаховому порядку паралельно фронту уступу (рис. 9.3, б). Об’єм підірваної породи беруть пропорційним до сфери руйнування і кількості відкритих поверхонь:

, (9.2)

де К_П - коефіцієнт, який враховує кількість відкритих поверхонь (К_П =0,4 - для однієї відкритої поверхні; К_П =0,8 - для двох, К_П=1,3 - для трьох);

Н - глибина розміщення заряду або висота уступу, м.

При шпуровому способі підривання порід параметри вибуху можна розрахувати за такими формулами. Лінія найменшого опору

, (9.3)

де 8,2 - діаметр шпура, дм;

Δ - щільність вибухової речовини в за­ряді, кг/дм³;

т - відносна відстань між шпурами (1...1,5 м);

q_p - розрахункові питомі витрати вибухової речовини, кг/м³ підірваної по­роди (для вибуху розлущування він дорівнює 0,30...0,90 кг/м³, для вибуху на викид - 1,35...2,55 кг/м³).

Рисунок 9.3 - Схема розміщення шпурів на уступі: Н - висота уступу; W_on лінія найменшого опору; L - глибина закладання заряду; а - відстань між шпурами в ряду; b - відстань між рядами шпурів.

Відстань між шпурами (рис. 9.3, а) в ряду при електричному способі підривання, м,

(9.4)

при вогневому

(9.5)

Відстань між рядами шпурів, м,

, (9.6)

Глибина шпура, м,

, (9.7)

де Н - висота уступу, м.

Величина заряду

. (9.8)

Прогресивним є спосіб короткоуповільненого підривання, при якому заряди підривають у певній послідовності з певним інтервалом у часі (соті частки секунди). Наступний вибух відбувається тоді, коли части­на породи від попереднього вибуху перебував у повітрі. Отже, наступний вибух відбувається в дещо полегшених умовах - при відкритій поверхні підірваного масиву і залишкових напруженнях від попереднього.

При короткоуповільненому підриванні параметри вибуху визначають за такими формулами:

, (9.9)

де К - коефіцієнт тріщинуватості (для монолітних порід К_Т= 1,0; для сильно тріщинуватих К_Т= 1,25); γ - об'ємна маса породи, кг/м³;

. (9.10)