5Гидравлический (гидромеханический) способ производства земляных работ

Гидравлический (гидромеханический) способ, как уже отмечалось в разделе 1.2.2, основан на использовании воды для разработки, транспортировки и укладки грунта. Он обычно целесообразен при больших объемах работ и наличии приемлемого водного источника. Приемлемость имеющихся водоемов должна быть оценена как с хозяйственной, так и экологической точки зрения на стадии разработки проекта организации строительства (ПОС). Нормы СНиП 3.02.01-87 допускают использование для этого рек с малым расходом или небольших водоемов только при наличии водохозяйственного расчета, учитывающего санитарный минимум, естественные потери и потребности в воде района, который окажется ниже водозабора.

Существуют два способа гидромеханической разработки:

• мониторный (гидромониторный) способ, при котором грунт разрабатывается струей воды;

• рефулëрный способ, основанный на засасывании грунта и перемещении его к месту укладки по напорному трубопроводу.

Первый способ применяется в надводных забоях, второй – в подводных.

При мониторном способе основным технологическим средством служит гидромонитор. Он представляет стальной ствол с насадкой диаметром 50… 175мм, и шарнирное устройство, которое обеспечивает вращение ствола в горизонтальной и вертикальной плоскостях для направления водной струи на фронт забоя. Вода поступает к гидромонитору под значительным напором (30…120 м), создавая скорость движения струи 10…35 м/с. Расход воды составляет обычно 1500… 4500 м³/час. Образующаяся смесь грунта с водой – пульпа при благоприятном рельефе местности транспортируется самотеком по лоткам или трубам. При неблагоприятном рельефе пульпа сначала поступает по канавам в зумпф, откуда по напорному трубопроводу перекачивается к месту укладки.

Разработка грунта мониторным способом имеет два технологических варианта (рисунок 26):

• встречный забой, когда гидромонитор размещается на дне выемки (у подошвы забоя), и размыв ведется снизу вверх (рисунок 26а);

• попутный забой – с расположением гидромонитора над фронтом забоя и размывом грунта сверху вниз (рисунок 26 в).

При встречном забое обеспечивается высокая производительность за счет периодических обвалов грунта, нависающего над зоной подмыва. Следует лишь правильно размещать гидромонитор в забое, обеспечивая безопасность и эффективность работы, и правильно организовывать отток пульпы, так чтобы она всегда шла в обход гидромонитора, т.е. гидромонитор не должен оказываться

Рисунок 26 Схемы разработки грунта гидромониторами:

а, б – встречный забой (соответственно вначале размыва и после обрушения нависающего массива грунта), в –попутный забой, г – схема последовательных стоянок гидромониторов по длине полосы разработки

в ее потоке.

Попутный забой применяется реже. Он обычно эффективен для несвязных грунтов при малых высотах забоя. Производительность гидромонитора при таком способе ниже, чем при встречном забое. Однако в этом случае гидромонитор перемещается по сухому грунту, а поток пульпы, приобретая большую начальную скорость (под действием водяной струи) легче удаляется из забоя, легче управляется, ибо имеет то же направление, что и струя.

Размывающая сила струи может быть очень большой, и при достаточно высоких скоростях водяная струя в принципе способна разрушить любую скальную породу. Однако создание и применение оборудования, обеспечивающего такую мощность струи, сложно и дорого, поэтому на практике производится предварительное рыхление прочных пород, для чего используются механические способы или взрывы.

Проектирование производства работ мониторным способом обычно включает определение потребного расхода воды, рабочих напоров, выбор вида и числа гидромониторов, насосов, расположения стоянок в забое, определение шага гидромониторов, для чего используются соответствующие формулы и таблицы.

В таблице 6 приведены удельные расходы воды и рабочие напоры для гидромониторной разработки грунта.

Таблица 6 Удельные расходы воды и рабочие напоры

Вид грунта	Расход воды на 1м3 грунта q, м3	Рабочий напор Нр ,м
Гравий	10…28	90…120
Песок: мелкий средний крупный гравелистый	4…6 5…7 7…9 9…14	30…50 30…50 30…50 40…70
Супесь	5…7	40…70
Суглинок	5…9	50…90
Глина	9…14	80…120

Минимальное расстояние от откоса забоя L_min определяется условиями безопасности работ и вычисляется по формуле

, (6)

где Н – высота забоя,

а – коэффициент, принимаемый равным для супесей и песков 0,4…0,7, для суглинков и глин 0,8…1,0, для лессовых грунтов 1,0…1,3.

Максимальное расстояние от откоса забоя L_max , при котором сохраняется достаточная эффективность размыва, определяется по формуле

, (7)

где Н_р – рабочий напор (таблица 6).

Шаг гидромонитора принимается равным

. (8)

Чаще всего шаг составляет в глинистых грунтах 5…6м, в песках 10…12м. Ширина ленты забоя обычно принимается равной 2Ш.

Необходимая (требуемая) суммарная производительность гидромониторов Q в м³/час определяется по формуле

, (9)

где q – удельный расход воды (таблица 6),

V – объем разрабатываемого грунта,

Т – планируемая продолжительность работ,

k – коэффициент, учитывающий неравномерность размыва и использование времени (интенсивность работ), принимаемый равным 0,6…0,75.

Исходя из требуемой суммарной производительности Q и паспортной производительности конкретного гидромонитора Q_i , определяется необходимое число гидромониторов N

, (10)

где k’ – коэффициент, учитывающий условия работы (размеры забоя, состояние грунта и т.д.), принимаемый равным 0,272…1,08.

Обычно принимается не менее двух гидромониторов с резервом 25…30%, т.е. k’=0,75…0,85.

Рефулёрный способ, т.е. засасывание грунта из-под воды (рисунок 27), предполагает использование землесосных снарядов (земснарядов).

Землесосный снаряд (земснаряд) – это специальная машина, смонтированная на барже или нескольких понтонах (поз. 3 на рисунке 27), иногда даже на сухопутной базе (на полозьях, колесах и т.д.), способная всасывать грунт со дна водоема и транспортировать его в виде водно-грунтовой смеси (пульпы) по напорным трубопроводам (поз. 5) к месту укладки (намыва).

Если грунт на дне водоема обладает низкой сопротивляемостью размыву (рыхлый песок, ил и проч.), забор его осуществляется путем непосредственного всасывания, в средних же и прочных грунтах производится предварительное рыхление механическим, реже – гидравлическим методами. Рабочим органом является специальное всасывающее устройство (рисунок 27) в виде трубы 2 с наконечником (или рыхлителем) 1, внедряемым в донный грунт. Всасывание производится с помощью специальных насосов 4 (центробежных, реже водоструйных), приспособленных для работы с гидросмесями.

Земснаряд соединяется с береговым (магистральным) трубопроводом с помощью плавучего пульпопровода 5, смонтированного на понтонах или других плавучих средствах (плашкоутах).

Рисунок 27 Схема рефулерной разработки грунта:

а – разработка подводного забоя земснарядом; б – схема наиболее типичного перемещения земснаряда с помощью якорей и тросов («способ папельонирования»); 1 – грунтозаборное устройство; 2 – всасывающая труба; 3 – базовое плавучее средство (баржа, понтоны и т.д.); 4 –грунтовый насос; 5 – плавучий пульпопровод; 6 – стрела механизма подъема всасывающей трубы; 7 – начальное и последующие (пунктир) положения земснаряда при его перемещении; 8 – якоря (сваи), 9 – тросы

Закрепляется земснаряд на стоянке специальными якорями или сваями (поз. 8), которые располагаются в пределах самого водоема или на берегу. Перемещение по забою осуществляется путем подтягивания тросов 9, связывающих земснаряд с упомянутыми якорями или сваями 8. Для этого на земснаряде имеются специальные лебедки.

Количество, расположение и конструкция якорей или свай зависят от конкретных условий и в первую очередь от требований к точности соблюдения размеров разрабатываемой выемки. Расположение четырех якорей или свай (поз.8) по углам разрабатываемого участка (рисунок 26 б) обычно позволяет перемещать земснаряд по всей площади этого участка с достаточно высокой точностью установки.

Если участок дна водоема, с которого должен вестись забор грунта, засорен предметами, мешающими работе земснаряда (бревнами, бетонными элементами, остатками затонувших судов и т.д.), необходимо предварительно провести расчистку дна.

Разбивка участка работы производится путем установки плавучих буйков или бакенов, обычно имеющих источник света в ночное время.

Разработку начинают с заглубления всасывающей трубы с наконечником или рыхлителем на глубину слоя грунта, снимаемого за одну проходку (3…5м). Затем начальную воронку расширяют путем периодического отвода земснаряда назад и в стороны, что делается без прерывания контакта всасывающей части с разрабатываемым грунтом.

При разработке профилированных выемок переборы грунта не должны превышать 0,2…0,9м в зависимости от параметров (мощности и проч.) земснаряда. При разработке котлованов под сооружения необходимо (по аналогии с механической разработкой) не добирать грунт до отметки подошвы фундамента, причем оставляемый защитный слой должен быть достаточно велик – обычно 0,5…1,5м. Этот слой удаляется землеройными машинами после осушения котлована.

Удельный расход воды при разработке грунтов земснарядами составляет в зависимости от вида грунта 6,5…22м³ на 1 м³ грунта. Минимальный расход соответствует мелким рыхлым пескам, максимальный – гравию, плотным глинам и суглинкам.

Насыпи из пульпы чаще всего намывают слоями 20…25см, но в отдельных случаях толщину слоев принимают большей (до 1,2 м). Территорию насыпи (намыва) разбивают на карты-захватки, на которых поочередно выполняют намыв. По контуру очередной карты возводят земляной вал на высоту, превышающую намываемый слой, для чего обычно применяется бульдозер и используется намывной или привозной грунт. Укладка (намыв) грунта происходит в результате оседания твердых частиц грунта из пульпы, когда скорость ее движения уменьшается до некоторой величины V_{кр ,} именуемой критической скоростью. Очевидно, что такое снижение возникает после выхода пульпы из пульпопровода, т.е. при растекании ее по поверхности карты-захватки. При разработке проекта гидронамыва производится гидравлический расчет, при котором определяются основные технологические параметры, включающие упомянутую критическую скорость V_кр, зависящую от крупности частиц грунта, диаметра пульпопровода, свойств (концентрации) пульпы. Для песков чаще всего V_кр = 0,8…2м/с. Во избежание закупорки пульпопровода скорость движения в нем пульпы всегда должна быть выше критической, т.е. в самом пульпопроводе оседания твердых частиц недопустимо. В то же время чрезмерно высокая скорость в пульпопроводе, многократно превышающая критическую, также нежелательна, так как она приводит к перерасходу энергии и ускоренному износу пульпопроводов.

Для отвода отфильтрованной (осветленной) воды на каждом участке устраиваются водосборные (дренажные) колодцы, которые наращиваются по мере намыва. Вода из этих колодцев отводится по специальному трубопроводу за пределы намываемой территории. При ограниченности водных ресурсов осветленная вода может транспортироваться в исходный водоем.

Для намыва профильных насыпей используются, как правило, только несвязные грунты – песчаные, реже гравийно-песчаные. В основном это связано с очень большой продолжительностью самоуплотнения водонасыщенных глинистых грунтов (длительностью процесса их фильтрационной консолидации).

Важным достоинством намыва является значительная плотность грунта в получающейся песчаной насыпи. Эта плотность достигается в процессе его самоуплотнения, т.е. искусственного уплотнения, как правило, не требуется.

П одача пульпы осуществляется двумя способами (рисунок 28):

• эстакадным (28а),

• безэстакадным (28б).

При эстакадном способе пульпопровод размещается на эстакаде высотой, превышающей толщину насыпи (намыва). Чаще всего высота эстакады составляет 5…6м. При большой толщине эстакада может возводиться ярусами высотой 5…6м, т.е. по мере намыва производится наращивание опор эстакады. В отдельных случаях вместо мощных эстакад устраиваются небольшие инвентарные опоры высотой 1…1,2м («низкоопорный способ»).

Материалом эстакады являются обычно дерево или прокатная сталь, причем металлические опоры, как правило, извлекаются после намыва для последующего использования, деревянные же остаются в намывной толще. Пульпа выливается через выпускные отверстия пульпопровода, располагаемые по длине с шагам 3…6м. Под выпускными отверстиями устанавливаются наклонные лотки для предотвращения размыва грунта.

При безэстакадном способе трубопровод пульпопровод укладывается непосредственно на поверхность намываемого грунта с использованием (при необходимости) мелких подкладок. Трубы соединяют, используя быстроразъемные соединения, и в процессе намыва производят их наращивание с помощью трубоукладчика или крана. Укладка может производиться с одной или двух сторон возводимой насыпи в зависимости от ее размеров и местных условий рельефа. Пульпа выпускается чаще всего через торец пульпопровода, но в ряде случаев выпуск производится также через боковые патрубки (поз. 5 на рисунке 28б), располагающиеся на пульпопроводе (поз. 1) через 20…30м по длине . Толщина слоев составляет 0,15…1м.

Оба метода имеют свои достоинства и недостатки, свою область рационального применения. Эстакадный способ обычно применяется при намыве сооружений из мелких или пылеватых песков, из разнородных грунтов (например, когда дно водоема представляет переслаивание песчаных и глинистых слоев или линз и т.д.). Он связан с трудоемкой и относительно дорогой работой по устройству эстакады, однако сам намыв при нем значительно упрощается и ускоряется. Безэстакадный способ, напротив, на начальных стадиях намного проще и дешевле, но процесс намыва при нем сложнее из-за необходимости перекладки низовых участков труб пульпопровода и патрубков.

В целом безэстакадный способ дешевле и менее трудоемок, чем эстакадный, но технологически он не приемлем при намыве мелких или пылеватых песков и тем более глинистых грунтов, ибо перемещение техники по таким грунтам (в период их намыва, т.е. еще не уплотнившимся) крайне затруднительно. По этой причине безэстакадный способ применяется при намыве сооружений из средних, крупных или гравелистых песков, а также гравийных грунтов, если таковые приходится применять. Более высокие критические скорости для пульпы из таких грунтов при отсутствии эстакад особых проблем не создают.

Контрольные вопросы:

1. Какие два способа гидромеханизированной разработки грунта применяются в настоящее время? На чем они основаны, каковы области их применения?

2. Какие схемы работы (технологические варианты) применяются при мониторном способе разработки грунта? В чем их достоинства и недостатки?

3. Какие способы намыва грунта применяются в настоящее время? Какие у них преимущества и недостатки, области рационального применения?