Тема 8. Спорудження земляного полотна у скельних ґрунтах

8.1. Вплив гірської місцевості на спорудження земляного полотна

8.2. Бурові та підривні роботи

8.3. Технологія виконання робіт

8.1. Вплив гірської місцевості на спорудження 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. 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.

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:

видаленням нестійких або потенційно нестійких блоків порід;

уположуванням укосів;

зняттям навантаження з верхньої частини укосу;

улаштуванням берм;

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.

8.2. Бурові та підривні 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 виконують спеціальні порожнини, найбільш поширеними з яких є шпури (d<75 мм ℓ<5 м) та свердловини (d=75...102 мм). В них розміщують заряди ВР, заповнюють забійним 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.

Бурові роботи ведуть механічним (обертовим, ударним, ударно-обертальним) та фізико-механічним способом. На будівництві доріг застосовують механічні способи.

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

I-III - нескельні;

IV - гіпс, жорства, слабозцементовані конгломерати;

V - вапняк м'який, пористий тріщинуватий; вивітрені крупнозернисті вивержені породи;

VI - вивітрені середньо-зернисті вивержені породи, піщаники слабкі на вапняковому цементі;

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

VIII - вапняк доломітизований; виливні породи середнього вивітрювання;

IX - вапняк щільний; кореневі виливні породи слабкого вивітрювання;

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

XI - кварцит дрібнозернистий.

Обертовий спосіб застосовують для буріння скельних порід м'яких і середньої твердості IV-VI 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 VII-IX 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 X-XI груп. Принцип ударно-обертового буріння ґрунтується на дії осьового зусилля, крутильного моменту і динамічних ударів. Цей спосіб буріння фактично поєднує два попередніх способи і є найпродуктивнішим.

Для буріння шпурів використовують бурові самохідні машини або бурильні устаткування.

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. Метальні мають порівняно невелику швидкість підривного розкладання. Тиск газів зростає поступово, що забезпечує значне розкидання гірської породи. Бризантні (роздріблювальні) 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-селітрові вибухові речовини. Вони мають малу чутливість до ударів, нагрівання й тертя, що забезпечує безпечне виконання підривних робіт. Недоліки цих речовин – велика гігроскопічність і злежуваність (при вмісті вологи 5-8% вибухові речовини втрачають вибуховість). Проте мокрі речовини можна підсушити і вони стають придатними для подальшого використання.

Існує два способи підвищення: вогневий і електричний. В першому випадку використовують капсуль-детонатор і вогнепровідний шнур (бікфордів). Другий спосіб ґрунтується на підриванні вибухової речовини за допомогою електродетонатора, з'єднаного детонуючим шнуром з підривною машиною. Прогресивним 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_on) (рис. 8.1). Ця величина є однією з основних характеристик при розрахунках заряду.

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

, (8.1)

де r- радіус воронки.

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

Найчастіше підривання скельних ґрунтів і розбивання підірваної породи виконують уступами висотою 2-3 м при закладанні шпурів і 6-10 м - при закладанні свердловин. Шпури і свердловини закладають у шаховому порядку паралельно фронту уступу (рис. 8.2).

Об'єм підірваної породи беруть пропорційним до сфери руйнування і кількість відкритих поверхонь:

V=K_пН³, (8.2)

де K_п– коефіцієнт, який враховує кількість відкритих поверхонь(K_п=0,4 – для однієї відкритої поверхні;K_п=0,8 – для двох,K_п=1,3 – для трьох); H – глибина розміщення заряду або висота уступу, м.

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

Лінія найменшого опору

, (8.3)

де d - діаметр шпуру, дм;

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

m- відносна відстань між шпурами (1,0...1,5);

q_р– розрахункові питомі витрати вибухової речовини, кг/м³підірваної породи (для вибуху розпушування він дорівнює 0,30...0,90 кг/м³, для вибуху на викид – 1,35...2,55 кг/м³).

Відстань між шпурами в ряду при електричному способі підривання, м,

a=(1,0...1,5)W_оn, (8.4)

при вогневому

a=(1,2...1,6)W_on, (8.5)

Відстань між рядами шпурів, м,

b=0,85W_on, (8.6)

Глибина шпуру, м,

L=1,1H, (8.7)

де H - висота уступу, м.

Величина заряду

Q=q_pa W_onH. (8.8)

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 перебуває 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:

, (8.9)

де K_т– коефіцієнт тріщинуватості (для монолітних порідK_т=1,00; для сильно тріщинуватихK_т=1,25);– об'ємна маса породи, кг/м³;

а=0,8W_on;b=W_on; Q=0,7·W_on·H·q_p·а. (8.10)

8.3. Технологія виконання робіт

Технологія влаштування виїмок у скельних ґрунтах складається з таких операцій:

• підготовчі роботи;

• буріння шпурів або свердловин;

• підривання;

• навантаження підірваної породи в транспортний засіб і вивезення її в насип або відвал;

• доведення виїмки до проектного окреслення.

Використання скельних ґрунтів для спорудження насипів доцільніше при розробці суміжних виїмок і незначній (до 50 м) відстані переміщення підірваної породи з виїмки в насип за допомогою вибуху.

При розробці виїмок застосовують три способи підривання:

• розпушення скельних ґрунтів;

• викид;

• спрямований викид.

При застосуванні першого типу треба виконати мінімальний обсяг буропідривних робіт. Витрати вибухових речовин у цьому випадку мінімальні. Після розпушування скельного ґрунту його навантажують екскаватором в автосамоскиди або відкидають у відвал. Шпури необхідно розмішувати таким чином, щоб після підривання поперечний профіль більше відповідав проектному і його доробки були б мінімальними.

При підриванні на викид збільшується обсяг буропідривних робіт, однак відпадає у навантаженні й транспортуванні гірської маси. Підривання на викид може бути одно- й двобічним або комбінованим (рис. 8.3). Однобічний викид досягається підриванням вибухових речовин у нахилених шпурах або свердловинах, двобічний - за рахунок одночасного підривання у вертикальних шпурах. Найефективнішим є спрямований вибух (рис. 8.4), суть якого полягає в тому, що в гірський масив закладають основний заряд вибухової речовини і додатковий заряд. Маса основного заряду Q₂перевищує масу додаткового заряду (Q₂> Q₁). Спочатку підривають додатковий заряд, після чого виникає нова лінія найменшого опору W_on, причому W_on2< W_on. Напрям і дальність польоту підірваної породи залежить від часу уповільнення підривання основного заряду Q₂.

Дальність польоту кусків гірської породи при спрямованому підриванні

(8.11)

де b- коефіцієнт метання, який залежить від міцності гірської породи (15...50);

h₁- глибина закладання додаткового заряду, м;

 - кут між вертикаллю і лінією найменшого опору.

При різних способах виконання буропідривних робіт у виїмках залишається деяка частина породи, яка виступає за проектний контур поперечного профілю. Доробку контуру здійснюють бурінням дрібних шпурів і наступним підриванням накладних зарядів. Іноді потрібно підривати великі камені (негабарит), які не вміщаються в ківш екскаватора. Необхідно також видаляти окремі нестійкі камені, а також нависаючі козирки гірської породи.

Спорудження насипів із скельних ґрунтів принципово не відрізняється від технології їх спорудження з привезених ґрунтів.

Для ущільнення скельних ґрунтів у насипу використовують жорсткобарабанні котки. В жарку погоду для підвищення ефективності ущільнення породу необхідно зволожувати.

Якщо насип споруджується з водонестійких ґрунтів, тоді на поверхню укосів укладають захисні шари з глинистого ґрунту. По мірі відсипання кожного окремого шару насипу з водонестійких ґрунтів слід досипати шар глинистого ґрунту з боку укісної частини насипу. Товщину окремого шару приймають з умов його ущільнення.