4.7. Способы разработки грунта землеройными и землеройно-транспортными машинами

Разработку грунтов при устройстве выемок различного назначения выполняют в основном механическим, гидромеханическим, взрывным и комбинированным способами.

Механический способ разработки заключается в послойном разрушении грунта рабочим органом землеройной машины. Этим способом разра­батывают более 80% грунтов.

Землеройные машины подразделяются на машины циклического и непрерыв­ного действия и землеройно-транспортные.

К землеройным машинам циклического действия относятся одно­ковшовые экскаваторы, оборудованные прямой или обратной лопатой, драг­лайном, погрузчиком и планировщиком, которые производят разработку грунта навымет (выгрузку в отвал) или погрузку его в транспорт, зачистку и планировку дна и откосов траншей и котлованов.

Цепные и роторные экскаваторы относятся к землеройным маши­нам непрерывного действия, применяются для разработки грунта линейных выемок (траншей, канав) большой протяженности.

Землеройно-транспортными машинами являются бульдозеры, скреперы (самоходные и прицепные), грейдеры и грейдеры-элеваторы, вы­полняющие разработку грунта при устройстве выемок и насыпей большой протяженности, а также планировочные работы.

Выбор количества, типов и марок машин зависит от пространственной формы и геометрических параметров земляных сооружений, грунтовых и гидрологических условий строительной площадки, проектных сроков производства работ.

Гидромеханический способ предусматривает разработку грунтов ги­дромониторным, землесосным и комбинированным способами. При гидро­мониторных работах грунт в надводном забое разрушается под напором струи воды, выбрасываемой гидромонитором, затем образовавшаяся пульпа самотеком или грунтовым насосом подается к месту укладки. Землесосные работы выполняются в подводном забое землесосным снарядом, который разрабатывает грунт, всасывает и перекачивает его в виде пульпы к месту укладки. Комбинированный способ предусматривает разработку грунта в сухом забое любой землеройной машиной или в подводном забое черпаковой машиной, вода используется для транспортирования и укладки грунта.

Взрывной способ основывается на использовании энергии взрыва и применяется для разрушения и направленного выброса грунта. Применяет­ся для разрыхления мерзлых и скальных грунтов, а также для образования выемок и насыпей больших размеров.

Комбинированный способ представляет собой любое сочетание вы­шеперечисленных способов в зависимости от конкретных условий строи­тельства и технико-экономического обоснования выбранного варианта.

4.8. Разработка грунта одноковшовыми экскаваторами. Расчет проходок экскаваторов с различным рабочим оборудованием

Большинство одноковшовых строительных экскаваторов - это универсальные машины, которые могут быть оснащены различными видами сменного рабочего оборудования. В зависимости от вида привода рабочего органа экскаваторы различают на канатные и гидравлические. В настоящее время наиболее часто используют гидравлические экскаваторы.

Использование сменного рабочего оборудования дает возможность механизировать такие процессы, как: зачистка дна выемок; дробление и удаление негабаритов и валунов; отделка поверхности откосов земляного сооружения, дна выемок; послойное уплотнение грунта в стесненных условиях, при устройстве обратных засыпок; рыхление мерзлого и трудноразрабатываемого грунта.

Строительные экскаваторы выпускают на гусеничном и пневмоколесном ходу. Наиболее распространенными видами рабочего оборудования являются прямая, обратная лопаты, драглайн и грейфер.

Способы разработки грунта одноковшовыми экскаваторами опре­деляют в основном видом применяемого на них сменного рабочего обору­дования. Выбор способа зависит от размеров и объемов земляных сооруже­ний, свойств грунта, наличия грунтовых вод, вечной мерзлоты и др.

При разработке широких котлованов с погрузкой грунта в транс­портные средства (например, при строительстве отстойников, фильтров, ре­зервуаров, аэротенков и т.п.) чаще применяют экскаваторы, оборудованные прямой лопатой. Обратную лопату используют для разработки траншей, не­больших котлованов с погрузкой грунта в транспортные средства или в от­вал. Драглайн применяют для разработки котлованов, траншей и каналов, устройства насыпей из грунта резерва, а грейфер - для разработки глубоких котлованов с вертикальными стенками или подачи грунта при засыпке па­зух.

Пространство, в котором размещается экскаватор и производится выемка грунта, называют забоем. Его форма и размеры зависят от рабочих параметров экскаватора и принятой схемы разработки грунта (рис. 4.16).

Экскаватор с прямой лопатой перемеща­ется по дну выемки, копает «от себя» снизу вверх с погрузкой разрабатыва­емого грунта на транспортные средства. Наиболее часто применяют экска­ваторы с ковшами вместимостью 0,4 ... 2,5 м³. Вместимость ковша выбира­ют в зависимости от объемов работ, глубины котлована и характеристик грунта. Для наиболее полного заполнения ковша высота забоя должна быть не меньше трехкратной высоты ковша. Экскаваторы с прямой лопатой наи­более эффективно работают в сухих забоях, а в мокрых (при высоком уров­не грунтовых вод) надо применять водоотвод или водопонижение. Выемку, образованную одним ходом экскаватора, называют проходкой. По характеру разработки грунта проходки могут быть лобовыми (торцовыми) и боковы­ми. При лобовой проходке экскаватор движется по оси выемки и разрабаты­вает грунт впереди себя и по обе стороны от оси, а при боковой с одной сто­роны по ходу движения. Характер проходки зависит от глубины и ширины котлована и условий его разработки. Лобовыми проходками разрабатывают выемки на крутых склонах или когда глубина выемки не позволяет загру­жать транспортные средства, расположенные на берме выемки.

Неширокие котлованы (шириной до 1,5R) разрабатывают лобовой проходкой с односторонней погрузкой в транспортные средства (рис. 4.16, а), при ширине котлована от 1,5R до 1,9R разработку ведут лобо­вой проходкой с двухсторонней подачей транспортных средств (рис. 4.16, б). Наибольшая ширина лобовой проходки поверху для экскава­тора с прямой лопатой при движении его по прямой определяется по фор­муле

(4.34)

где R₀ - оптимальный радиус резания экскаватора, принимается равным от 0,8 до 0,9 максимального радиуса резания, м; l_п - длина рабочей пере­движки экскаватора, принимается 0,75 длины рукояти экскаватора, м.

Котлованы шириной от 1,9R до 2,5R разрабатывают уширенной лобовой проходкой с передвижкой экскаватора по зигзагу (рис.4.16, в), а до 3R - с передвижкой его поперек котлована (рис. 4.16, г), т.е. поперечно-торцовой проходкой. Широкие котлованы (более 3,5R) разрабатывают вна­чале лобовой, затем боковыми проходками. Наибольшая ширина проходки при этом равна:

для зигзагообразной

(4.35)

для поперечно-торцовой

(4.36)

для боковой

(4.37)

Рис. 4.16 – Схемы проходок одноковшового экскаватора

а - д – с прямой лопатой, е - м – с обратной лопатой, л – при траншеи, м – работа экскаватора-драглайн

где R_c - радиус резания на уровне стоянки; n -количество поперечных пере­движек экскаватора; m - коэффициент откоса; Н - высота забоя.

При глубине выемки, превышающей оптимальную вы­соту забоя, грунт разрабатывают по ярусам (уступам) в последовательнос­ти, определяемой профилем выемки.

Разработку грунта экскаваторами с обратной лопатой осуще­ствляют торцовыми или боковыми проходами с перемещением экскаватора по верху забоя «на себя» с копанием грунта ниже уровня его стоянки (см. рис.4.16, е - к). Последняя особенность важна в тех случаях, когда грунты ув­лажненные или мокрые. Возможно также вести разработку грунта из под воды. При этом в зависимости от ширины котлованов разработку грунта осуществляют с прямолинейной, зигзагообразной лобовой, поперечно-торцевой и боковой проходкой.

Ширина лобовой проходки по верху при односторонней выгрузке грунта составляет:

(4.38)

где R_max - наибольший радиус резания, м;

l_n - длина рабочей передвижки экскаватора, м; для экскаватора-драглайна принимается равным 1/5 вылета стрелы;

R_Т - наибольший радиус выгрузки грунта в транспорт;

b_k - ширина транспортных средств или отвала грунта.

При двухсторонней выгрузке грунта, м:

(4.39)

Ширина проходки понизу, м:

(4.40)

где m - коэффициент откоса;

Н - высота забоя, м.

Ширина лобовой уширенной зигзагообразной проходки, при 1,7R≤ В ≤3R определяется по формуле:

(4.41)

Ширина лобовой уширенной поперечной проходки, при 3R≤ В ≤3,5R определяется по формуле:

(4.42)

При В ≥ 3.5 - после первой лобовой проходки продолжают дальше разрабатывать одной или несколькими боковыми проходками. Ширина каждой боковой проходки равна, м:

(4.43)

где R_n—радиус резания по дну котлована.

Разработанный грунт обычно отсыпают в отвал на бровку и частич­но (излишки, ненужные для обратной засыпки) на транспорт. Ширину про­ходки при погрузке грунта в транспортные средства принимают (1,2 ... 1,3)R, а при отсыпке в отвал - (0,7 ... 0,8)R, так как ограничивает вместимость от­вала. При отрывке траншей разработку грунта рекомендуется начинать со стороны откоса к середине траншеи, что снижает сопротивление грунта ре­занию. Траншеи с шириной по дну до 1 м разрабатывают за одну проходку (торцовую) с перемещением экскаватора по оси траншеи.

Экскаваторами-драглайнами, имеющими удлиненную стрелу и ковш, свободно подвешенный на тросе, разрабатывают грунт с отсыпкой его в отвал или на транспортные средства при устройстве глубоких котлованов, каналов, траншей. Разработку грунта производят ниже уровня стоянки экс­каватора с работой его «на себя»; ковш заполняют в процессе протаскива­ния его по грунту (рис. 4.16, м, л; рис 4.17). Широкие выемки разрабатывают за несколь­ко лобовых проходок или применяют такие технологические приемы, как перемещение по зигзагу или поперечно-торцовую проходку, а также челноч­ный способ работы экскаватора. При устройстве широких котлованов, а так­же насыпей из грунта резерва в ряде случаев применяют боковую проходку, ширина которой составляет около (0,7 ... 0,8)R, а поворот стрелы экскаватора для разгрузки - 180°.

Рис. 4.17 – Схемы работы экскаватора с «обратной лопатой»

а - лобовая проходка экскаватора при погрузке грунта в транспорт, подаваемый по дну забоя, б - то же, подаваемый на уровне стоянки экскаватора и во временный отвал, в - боковой проходкой; 1 - экскаватор, 2 - автосамосвал, 3 - направление движения транспорта, 4 - отвал

Экскаватором с грейферным ковшом вместимостью 0,3 ... 4 м³, свободно подвешенным на тросе, разрабатывают выемки в радиусе 8 ... 24 м на глубине 7 ... 15 м при подъеме грейфера на высоту 6 ... 14 м. Обычно разрабатываются легкие грунты I и II групп, а более тяжелые - при их пред­варительном разрыхлении. Такие экскаваторы применяют для разработки глубоких выемок с вертикальными стенками, например при ус­тройстве опускных колодцев водозабора, заглубленных насосных станций, противофильтрационных завес и т.п.