Технология разработки скальных выемок

Опыт железнодорожного строительства и теоретические разработки в области технологии сооружения земляного полотна позволяют, устано­вить следующие технологические схемы разработки выемок экскаватора­ми с предварительным разрыхлением породы взрыванием:

– лобовую разработку экскаваторами с торцов выемки по всему ее поперечному сечению;

– лобовую разработку экскаваторами с торцов выемки с предваритель­ным взрыванием и уборкой разрыхленной породы верхнего слоя,

– многоярусную лобовую разработку выемки экскаваторами;

– лобовую разработку экскаваторами с торцов выемки с предваритель­ным взрыванием на разрушающее сотрясение (вспучивание).

Опыт показал, что взрывание выемки следует производить ярусами высотой до 5,5...7,5 м. Проходка выемок ярусами небольшой высоты облегчает ведение буровых работ и уменьшает износ бурового инструмента, а при пологих откосах облегчает выполнение доделочных работ. При крутых откосах разработка выемок высокими ярусами или на всю глубину может вызывать значительные нарушения откосов. Кроме того, при глубоком бурении требуется тщательная установка бурового става, так как даже небольшое (в 2...30⁰) отклонение от заданного угла буре­ния может привести к значительному изменению расстояния между скважинами (до 1,5...2 м и более).

Основной землеройной машиной на разработке разрыхленного скального грунта при сооружении земляного полотна является экскаватор прямая лопата с ковшом емкостью 1,0... 1,6 м³. На крутых выемках (объемом более 100 тыс. м³) экономичны экскаваторы с ковшом емкос­тью 2,0...2,5 м³, но в сложных топографических условиях горной мест­ности передислокация тяжелых экскаваторов с ковшами вместимостью 2,5 м³ затруднительна. Кроме экскаваторов, на разработке породы с высокой степенью разрыхления возможно применение погрузчиков и скреперов. На вспомогательных работах широко применяют бульдозеры.

Рыхление грунта взрыванием в выемках производят скважинными зарядами. Объем взрываемого за один прием грунта должен обеспечивать непрерывную одно- или двухнедельную работу экскаватора. В массивах, не содержащих воды, и в периоды отсутствия дождей взрывать породу рацио­нально по всей длине выемок в один прием, если позволяют местные условия и имеющиеся средства взрывания.

При взрывании большое внимание следует уделять необходимому качеству рыхления. Максимальный размер куска взорванной породы по условиям возможности разработки грунта экскаватором не должен превы­шать 2/3 ширины ковша. Необходимая степень дробления грунта достига­ется применением различных технических приемов (короткозамедленное взрывание, заряды специальных конструкций, наклонное расположение скважин, сближенное расположение зарядов, применение скважин малого диаметра).

Получение устойчивых и ровных откосов может быть обеспечено при­менением контурного взрывания, использованием скважин малого диаметра (75...115 мм). Контурное взрывание нецелесообразно в сильно­выветренных скальных грунтах, разбитых на отдельности щелевыми трещинами или имеющих прослойки нескальных грунтов.

Для повышения качества рыхления взорванного скального грунта на БАМе впервые успешно была применена поперечно-порядноврубовая схема короткозамедленного взрывания (КЗВ). В результате суммарный объем негабарита удалось уменьшить с 25...30 % всего объема породы до 10 % и в 2 раза повысить выработку экскаваторов. Применение этой схемы взрывания в породах IX группы с использованием высокобризантных взрывчатых веществ (ВВ) (алюмотолы) позволяет получать фракции разрыхленной породы средним размером по наибольшему ребру 0,3...0,4 м. Возведение скальных выемок на косогорах включает устройство пе­шеходной тропы, обеспечение рабочего проезда (устройство технологи­ческой полки) и образование земляного полотна полного профиля.

Устройство пешеходной тропы. Пеше­ходная тропа, расположенная по возможности ближе или непосредственно на трассе строящейся дороги, необходима для осмотра мест проложения дороги перед принятием решения по организации работ, для размещения рабочих в местах сосредоточенных работ, предназначенных к выполнению в первую очередь. Тропа служит также для выноса и закрепления трассы строящейся дороги.

Во многих случаях прокладка пешеходной тропы вблизи трассы дороги оказывается невозможной. В наиболее труднодоступные места пеше­ходную тропу прокладывают от пионерной дороги, проведенной обычно в обход таких мест. Иногда прокладку тропы и обрушение нависаю­щих неустойчивых камней рабочие выполняют в снаряжении скалолазов.

Устройство технологической тропы. Для производства буровзрывных работ необходимо на всем протяже­нии выемки или, в крайнем случае, на протяжении участка, работы на котором должны быть развернуты в текущем году, проложить специаль­ную технологическую полку шириной не менее 6 м, стараясь вписать ее в слой делювия. Полку разрабатывают бульдозерами, а скальный грунт рыхлят шпуровыми зарядами с использованием ручных перфораторов и легких буровых станков.

Работы выполняет специальная бригада подрывников и, как правило, два бульдозера, от машинистов которых требуется большой опыт и внимательность. Работая на узкой полке, бульдозеры не всегда опираются на нее всей площадью гусениц. Попа­дающие под гусеницы бульдозера камни приводят к необходимости форсировать работу двигателя, а камни, попадающие между гусеницей и катками, способствуют сходу гусениц с катков.

В весьма трудных условиях работы нередко требуется помощь второго бульдозера. Необходимость взаимной помощи увеличивается, когда после взрывов остаются негабариты, для сбрасывания которых под откос нужно усилие двух бульдозеров. Все эти особенности привели к практическому правилу – ставить на работу вместе или на малом удалении один от другого не менее двух бульдозеров.

Взрывные работы ведут методом мелкошпуровых зарядов. Глубина шпуров при этом составляет обычно 1,0...1,1 толщины взрываемого слоя, а при расположении взрываемого слоя на более мягкой породе глубина шпуров уменьшается до 0,7...0,9 толщины слоя. Основной недостаток этого способа – большой объем бурения на единицу разрушаемой породы. Однако важным его достоинством является сохранение устойчивости скальных пород.

Разработка скальных пород на всю ширину земляного полотна.

На этом этапе возведения земляного полотна выполняют основные объемы скальных ра­бот (до 80 % и более). Технология этих работ обусловливается: типом по­перечного профиля; наличием и типом специальных сооружений; геологи­ческими и гидрогеологическими условиями, определяющими степень устойчивости склона; способом взрывных работ и возможностью дальнейшего использования взорванной породы; направлением перемещения по­роды – поперечным или продольным.

Разработку выемок глубиной более 6...8 м выполняют в несколько ярусов по высоте (рис. 2.1), включая и буровзрывные работы, так как взорванная порода может слежаться. Производительность работы экскаваторов и транспортных средств во многом определяется работой подрывников. Буровые работы поэтому ведутся в две смены.

Взорванный скальный грунт разрабатывают лобовым забоем проходка­ми по тем же схемам, которые применяют для разработки обычных грун­тов. Для ускорения работ выемка должна разрабатываться одновременно с двух концов – двумя захватками с каждого конца. На первой захватке пробуривают скважины и подготавливают их к взрыву, на второй – грузят ранее взорванный грунт в автосамосвалы.

Рис. 2.1. Схемы поярусной разработки скальной полувыемки

Потребное количество буровых и комплектующих машин и обслуживающего персонала рассчитывают по максимальной производительности экскаваторов, разрабатывающих выемку. Наиболее сложной является организация и технология разработки крутокосогорных полувыемок на речных прижимах, в зависимости от крутизны косогоры классифицируют следующим образом: пологие – крутизной до 20°, средней крутизны – 20...35°, крутые – 35... 65°, весьма крутые – более 65°.

При разработке полувыемок устраиваются технологические полки (шириной до 6 м), необходимые для размещения буровой и землеройной техники. В особо сложных слу­чаях предварительно устраивают пешеходную тропу шириной до 1 м, с которой взрывным способом сооружают полку. Трудоемкость сооружения полки в 3–5 раз выше трудоемкости разработки полувыемки. Поэтому полки следует устраивать заблаговременно.

На пологих косогорах полки можно не устраивать, здесь перед началом буровых работ делювий удаляют поперечными или продольными прохо­дами бульдозеров. Выемку взрывают в один прием, грунт перемещают бульдозерами в прилегающие насыпи (при небольшой дальности) или в конец выемки, где грузят экскаваторами в автосамосвалы.

На косогорах средней крутизны после устройства технологической полки в полувыемках глубиной более 7 м при крутизне откоса 1:0,5 и больше откосные и контурные скважины следует бурить в плоскости отры­ва породы. Разработку ведут по всей ширине полувыемки в несколько ярусов. Если же глубина выемки меньше 7 м, бурение скважин и взрывание рекомендуется вести участками длиной 20 м и более по всему попе­речному сечению или на всю длину полувыемки в один прием.

Рыхление средне- и труднобуримых скальных пород на пологих и среднекрутых косогорах при взрывании на значительных по длине участках рационально выполнять с применением схемы продольного вруба (рис. 2.2, а), а на коротких участках – схемы трапецеидального вруба (рис. 2.2, б), заряды при этом обычно располагают по квадратной сетке.

Рис. 2.2. Врубовые схемы взрывания: а – продольная; б – трапецеидальная

Для образования полувыемки на крутых косогорах рекомендуется использовать взрывание на сброс или частичный сброс захватками в 20...30 м по длине и ярусами не более 7 м по толщине, с перемещением оставшейся части породы бульдозерами под откос в низовую сторону полувыемки или с погрузкой ее экскаваторами в автосамосвалы. На весьма крутых косогорах полувыемки следует образовывать взрывом на обрушение. При этом желательно использовать контурное взрывание.

Очень крупные (по объему) полувыемки: (свыше 500 тыс. м³) можно взрывать, используя одну из следующих технологических схем: полувыемку взрывать поярусно с высотой яруса не более 7 м, скважины первого яруса, а также ближайших к откосу нижележащих ярусов бурить машиной БТС-150, а скважины последующих рядов – буровыми станками 2СБШ-200; откосные контурные скважины бурить диаметром 75...100 мм, скважины первого яруса и первые ряды (ближайшие к откосным скважинам) бурить машиной БТС-150, скважины последующих рядов – станком 2СБШ-200. Общая принципиальная технологическая схема разработки полувыемки на крутом косогоре показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема поярусной разработки полувыемки с применением для бурения скважин различных буровых машин

Некоторые виды скальных грунтов целесообразнее рыхлить механичес­кими рыхлителями статического действия на базе тракторов мощностью 235...300 кВт и более. Стоимость рыхления грунтов при этом снижает­ся по сравнению с буровзрывным способом на 40...80 %. Производительность тракторных рыхлителей достигает 200...300 м³/ч на рыхлении базальтов и 650...1000 м³/ч при рыхлении менее крепких пород (сланцы, известняки). Для рыхления скальных грунтов применяют однозубые рыхлители с прямой стойкой. Оптимальный угол рыхления составляет 30...45°.

Рыхление грунта в выемке производят параллельными проходами рыхлите­ля горизонтальными или наклонными слоями. При рыхлении наклонными слоями (до 20°) рабочий ход рыхлителя в направлении под уклон чередуется с холостым перегоном машины вверх. На горизонтальной захватке рыхлитель движется без холостых переходов с разворотом в конце гона. Направление рыхления выбирают поперек направления основной трещиноватости.

Максимальное расстояние между бороздами не должно превышать ши­рины раскрытия борозды, иначе целик между бороздами останется ненарушенным, и работа бульдозера будет невозможной. Минимальное расстоя­ние между бороздами должно быть не менее половины ширины борозды. В противном случае стойка рыхлителя попадает в предыдущую борозду и происходит свободный сброс ее в сторону разрушенного массива.

Каждый разрыхленный слой сдвигается бульдозерами за пределы захватки рыхления. Для последующей погрузки разрыхленного грунта его собирают в бурты высотой 2...4 м. Наиболее эффективно производить погрузку грунта из буртов тракторными погрузчиками, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с экскаваторами: меньшую массу, более высокие скорость и маневренность, меньшие эксплуа­тационные расходы и др. В частности, тракторные погрузчики в составе бульдозерно-рыхлительных комплексов хорошо себя зарекомендовали на БАМе. В качестве примера на рис. 2.4 рассмотрена технологическая последовательность разработки полувыемки на косогоре.

Рис. 2.4. Технологическая схема разработки полувыемки на крутом косогоре: а – бурение шпуров перфоратором для образования тропы; б – бурение скважин станком БМК-4; в – нарезка технологической полки бульдозером; г – бурение скважин машиной БТС-150; д – разработка яруса (погрузка разрыхленного грунта экскаватором)

Уширение скальных выемок

Работы по уширению скальных выемок под второй путь ведутся в особо сложных условиях. В первую очередь это касается производст­ва буровзрывных работ, которые выполняются в непосредственной бли­зости к действующему железнодорожному пути, но не менее сложные проблемы связаны с уборкой взорванной породы и при выполне­нии других операций, большинство из которых выполняется в «окно».

Строительство вторых путей на участках с большим объемом буровзрывных работ можно осуществлять по одному из следующих вариантов.

1. Строительство второго пути на совмещенном с действующим железнодорожным путем полотне, т.е. при уширении одной из сто­рон выемки так, чтобы расстояние от оси пути до нижней бровки откоса было не менее 10...12 метров. Это необходимо для размещения кабины экскаватора за пределами габарита приближения строений. Преимущество этого варианта – минимальный объем земляных работ. Недостатки – возможность завала пути взорванной породой и повреждения обустройств железнодорожной линии, необходимость в предо­ставлении «окон». Это приводит к значительным перерывам в движе­нии поездов и снижении производительности строительных машин.

2. Строительство второго пути с выносом его на раздельное земляное полотно на расстояние не менее 200 м от оси действующего пути. В этом случае для предохранения откоса выемки действующего пути от вредного сейсмического влияния взрывов (при разработке выемки под второй путь) ширину разделяющего межвыемочного скального массива в зависимости от глубины выемки и свойств пород принимают не менее 15...25 м. Преимущество этого варианта – уменьшение опасности повреждения пути и всех обустройств действующей железнодорожной линии, числа и продолжительности «окон» и увеличение производительности всех строительных машин. Недостаток – увеличение объема земляных работ.

3. Строительство второго пути с выносом его на раздельное земляное полотно на расстояние более 200 м от оси действующего пути (обход). Преимущество варианта – обеспечение безопасного и бесперебойного движения поездов в течение всего периода возве­дения земляного полотна второго пути. Недостаток – увеличение объемов земляных работ.

Как видно, наиболее сложной является организация производства работ по уширению выемок под второй путь на совмещенном земляном полотне. В зависимости от местных условий работы по уширению выемки могут быть организованы по одной из следующих схем.

1. Выемки глубиной до 2 м при крутых откосах, глубиной до 3 м при пологих откосах (крутизной 1:1 и менее) в породах любой крепости при расстоянии от оси пути до основания откоса 4,5 м и более целесообразно разрабатывать сразу на полное сечение. Длина одновременно взрываемых участков может составить при этом 100 м и более. Применение продольно-порядных схем КЗВ с замедлением взрывов продольных рядов скважин от полевой стороны в сторону пути позволяет получить направленный развал породы в полевую сто­рону без нарушения габарита приближения строений и без завала пути взорванным грунтом. Такая схема разработки неглубоких скальных выемок обеспечивает достаточную загрузку экскаваторов и безопасность движения поездов при минимальном занятии перегона для производства скальных работ.

2. Выемки глубиной до 4...6 м при пологих откосах (крутизной 1:1 и менее) в легкодробимых породах при уширении выемки на 4...6 м или больше целесообразно разрабатывать на полное сечение. Массив взры­вают методом скважинных зарядов, уменьшенных по срав­нению с зарядами рыхления и рассчитанных на сотрясение (до вспучивания) скальной породы в пределах проектного контура уширяемой части выемки без значительного развала породы в сторону пути.

3. При глубине выемок в легкодробимых породах более 6 м и уширении на 6...10 м ее разбивают на два яруса (или больше). Для взрывания ярусов применяют направленные в полевую или торцовую стороны скважинные заряды.

4. Выемки глубиной более 2...3 м при крутых откосах (крутизной 1:0,75 и более) в породах VI...Х групп при уширении до 6…10 м целесообразно разрабатывать на полное сечение взрыванием скважинных зарядов с торцов выемки короткими участками с направленностью взрыва в полевую или торцовую сторону. При этой схеме обеспечиваются лучшее и безопасное расположение и работа строительных машин и механизмов в основании выемки на уровне основной площадки земляного полотна.

5. Выемки глубиной более 2...3 м при любой крутизне откоса и любых породах, но при уширении более 10 м целесообразно разрабатывать в 1–2 яруса и более взрыванием удлиненных участков скважинными зарядами одним из следующих вариантов: а) с предварительным образованием с полевой стороны выемки в пионерную траншею за счет применения поперечно-порядной косой схемы КЗВ; б) взрыванием скважинных зарядов с образованием вруба с полевой стороны, а также взрыванием скважинных отбойных зарядов в основной части выемки с обеспечением направленности взрыва в полевую сторону за счет применения поперечно-порядной косой схемы КЗВ.

6. Косогорные выемки при крутых и весьма крутых высокоподнимающихся склонах разрабатывают с предварительной пробивкой пешеходной тропы, затем технологической полки и, наконец, выемки на полный профиль методом скважинных зарядов в 1–2 яруса и более по одной из ранее рассмотренных выше схем.

Контрольные вопросы и Задания

1. Какими особенностями отличаются организация и технология железнодорожного строительства в горных условиях?

2. Какие преимущества и недостатки имеют насыпи, возводимые на обычных основаниях из скальных грунтов?

3. Какими нормами определяется крутизна откосов выемок в скальных грунтах?

4. В каких случаях можно возводить выемки с вертикальными откосами (крутизной 1:10)?

5. Назовите основные виды буровзрывных работ при сооружении земляного полотна в горных условиях.

6. Какие виды взрывов и зарядов применяются при разработке скальных выемок?

7. Назовите составы основных комплектов машин для возведения земляного полотна из скальных грунтов.

8. Расскажите: а) для каких целей и как устраивают пешеходную тропу; б) для каких целей и с помощью каких машин устраивают технологическую тропу.

9. Поясните, чем отличаются способы разработки полувыемок на пологих, крутых и весьма крутых косогорах.

10. Сравните два способа разработки скальных выемок: с использованием взрывов и с использованием бульдозеров-рыхлителей для разработки грунтов.

11. Перечислите основные способы сооружения вторых путей, укажите их преимущества и недостатки.

12. Какие существуют способы уширения скальных выемок под второй путь и в каких случаях их применяют?

13. Объясните принцип, положенный в основу способа короткозамедленного взрывания.

14. Рассчитайте величину технологически необходимого расстояния от подошвы откоса до оси существующего пути при погрузке взорванной породы экскаватором ЭО-5111.