ТЕХНОЛОГИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА
Под редакцией
Э.С. Спиридонова и А.М. Призмазонова
Рекомендовано Экспертным советом по рецензированию
Московского государственного университета путей сообщения,
уполномоченным приказом Минобрнауки России
от 15 января 2007 г. № 10, к использованию
в качестве учебника для студентов, обучающихся
по специальности 270204 «Строительство железных
дорог, путь и путевое хозяйство» ВПО.
Регистрационный номер рецензии 536
от 12 ноября 2012 г. базового учреждения
ФГАУ «Федеральный институт развития образования»
Москва
2013
ÓÄÊ 656:658.2.016
ÁÁÊ 39.20-06
T38
À â ò î ð û: Э.С. Спиридонов — ââåäåíèå, ï. 1.1, ãë. 2, ï. 3.3, ãë. 5, çàêëþ÷åíèå;
А.М. Призмазонов — ïï. 1.2, 1.3, 3.1, 3.2, 3.4.8, 3.4.10, 3.4.14, 3.4.15, 4.2, 4.3,
4.4, ãë. 7, ïðèëîæåíèå; Т.В. Шепитько — ïï. 1.4, 3.1.5, 3.4.1—3.4.7, 3.4.9,
3.4.11—3.4.13; А.Ф. Акуратов — ïï. 4.1, 4.5, ãë. 6
Ð å ö å í ç å í ò û: çàì. íà÷àëüíèêà Äèðåêöèè ïî êàïèòàëüíîìó ñòðîèòåëüñòâó
Ìîñêîâñêîé æåëåçíîé äîðîãè — ôèëèàëà ÎÀÎ «ÐÆÄ» И.А. Беляков; çàâ. êàôåäðîé «Ïóòü è ñòðîèòåëüñòâî æåëåçíûõ äîðîã» Ñàìàðñêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî
óíèâåðñèòåòà ïóòåé ñîîáùåíèÿ, ïðîô. А.А. Бондаренко
Ò38
Технология железнодорожного строительства: ó÷åáíèê /
Ý.Ñ. Ñïèðèäîíîâ, À.Ì. Ïðèçìàçîíîâ è äð.; ïîä ðåä. Ý.Ñ. Ñïèðèäîíîâà è À.Ì. Ïðèçìàçîíîâà. — Ì.: ÔÃÁÎÓ «Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé öåíòð ïî îáðàçîâàíèþ íà æåëåçíîäîðîæíîì òðàíñïîðòå», 2013. — 592 ñ.
ISBN 978-5-89035-610-9
Èçëîæåíû îñíîâû òåõíîëîãèè ñòðîèòåëüíîãî ïðîèçâîäñòâà, ìåòîäû è
ïðèíöèïû âåäåíèÿ ñòðîèòåëüíûõ ïðîöåññîâ. Îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëåíî
ðàçðàáîòêå òåõíîëîãèè è ìåõàíèçàöèè âåäåíèÿ çåìëÿíûõ, áåòîííûõ,
æåëåçîáåòîííûõ, ìîíòàæíûõ è äðóãèõ ñòðîèòåëüíûõ ðàáîò, âûïîëíÿåìûõ
ïðè ñîîðóæåíèè çåìëÿíîãî ïîëîòíà, ìîñòîâ è òðóá, âåðõíåãî ñòðîåíèÿ
ïóòè, êîíòàêòíîé ñåòè, çäàíèé è äðóãèõ îáúåêòîâ æåëåçíîäîðîæíîãî
ñòðîèòåëüñòâà. Ïðèâåäåíû íîâûå ïîäõîäû ñèñòåìíîé îöåíêè òåõíîëîãèè
âåäåíèÿ ñòðîèòåëüíî-ìîíòàæíûõ ðàáîò, ñâåäåíèÿ ïî îïðåäåëåíèþ íàäåæíîñòè, êà÷åñòâà è áåçîïàñíîñòè èõ âûïîëíåíèÿ.
Ïðåäíàçíà÷åí äëÿ ñòóäåíòîâ âóçîâ æåëåçíîäîðîæíîãî òðàíñïîðòà,
îáó÷àþùèõñÿ ïî ñïåöèàëüíîñòè 270204 «Ñòðîèòåëüñòâî æåëåçíûõ äîðîã,
ïóòü è ïóòåâîå õîçÿéñòâî».
ÓÄÊ 656:658.2.016
ÁÁÊ 39.20-06
ISBN 978-5-89035-610-9
© Êîëëåêòèâ àâòîðîâ, 2013
© ÔÃÁÎÓ «Ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêèé öåíòð
ïî îáðàçîâàíèþ íà æåëåçíîäîðîæíîì
òðàíñïîðòå», 2013
Предисловие
Качественные преобразования в строительстве сегодня нацеле
ны на ускорение научнотехнического прогресса, внедрение новых
научных разработок в технологию и организацию производства, на
совершенствование структуры строительного производства. Для ре
ализации новых технологических решений в строительном произ
водстве и на транспорте, особенно в последнее время, в связи с на
чалом выполнения в нашей стране государственной Стратегии раз
вития железнодорожного транспорта до 2030 г. и с реорганизацией
высшего образования, требуются новые высококвалифицированные
кадры, владеющие системным анализом и современными техноло
гиями в железнодорожном строительстве.
Железная дорога — это комплекс различных по назначению, но
технологически строго взаимосвязанных крупных сооружений, обес
печивающих ее нормальную эксплуатацию. Строительство железной
дороги — сложный процесс, в рамках которого создаются железно
дорожные линии, формируются крупные магистрали для обслужи
вания перевозок и пассажиров, сооружения для технического обес
печения железнодорожного транспорта, культурнобытовые объек
ты для работников отрасли.
В последние годы темпы железнодорожного строительсва замет
но снизились, однако огромная территория России и крайне малое
количество дорог в Зауралье и далее на востоке неизбежно приведут
к необходимости освоения этого богатейшего ресурсами региона, со
оружения не только отдельных железнодорожных линий, но и боль
ших магистралей типа БайкалоАмурской. В условиях современно
го дефицита финансовых ресурсов особое значение приобретает раз
работка и освоение новых методов правильного использования зат
рачиваемых в этой области огромных материальных и людских
ресурсов, а также повышение интенсивности строительного произ
водства и его эффективности.
3
В соответствии со стратегией непрерывного компьютерного об
разования в вузах железнодорожного транспорта очень важно на весь
период обучения обеспечить студентов современными и качествен
ными учебнометодическими материалами, охватывающими реше
ние самых различных вопросов информатизации производства.
В связи с этим и был подготовлен данный учебник.
Книга содержит описание базовых технологий строительномон
тажных работ, без знания которых невозможно создавать современ
ные информационные системы для проектных и строительных орга
низаций, предприятий путевого хозяйства. В необходимом объеме
рассмотрены вопросы технологии строительства, предусмотренные
учебными планами 3—5х курсов строительных и экономических
специальностей на железнодорожном транспорте.
В учебнике впервые рассмотрена эволюция технических систем
на примере строительных технологий ведения строительномонтаж
ных и путевых работ в новом строительстве и при реконструкции
железных дорог. Этим проблемам посвящено данное издание, оно
предназначено для студентов транспортных вузов, обучающихся по
специальностям «Строительство железных дорог, путь и путевое хо
зяйство», «Мосты и тоннели», «Экономика строительства» при изу
чении курса «Технология, механизация и автоматизация железно
дорожного строительства», может быть полезно при курсовом и дип
ломном проектировании.
В семи главах учебника авторы излагают основные вопросы курса:
– применение принципиально новых машин и строительных ма
териалов, превосходящих по своим техникоэкономическим пока
зателям лучшие отечественные и мировые образцы; обеспечение
комплексной механизации строительных работ; автоматизация про
изводственных процессов;
– способы возведения новых конструкций транспортных соору
жений, отличающихся меньшей материалоемкостью, экономично
стью и долговечностью, лучшей технологичностью при изготовле
нии и монтаже;
– улучшение использования существующей техники, внедрение
прогрессивной технологии работ;
4
– внедрение на всех уровнях более совершенных методов и сис
тем технологии и управления строительного производства и труда;
внедрение достижений науки в производство; более тесное соедине
ние результатов исследований с производственной деятельностью
строительных комплексов организаций в железнодорожном строи
тельстве.
В учебнике последовательно развиваются известные принципы
и методы интенсификации строительства и реконструкции желез
нодорожных магистралей.
Введение
Строительство как отрасль материального производства играет
большую роль в хозяйственном развитии страны. Экономические
задачи, решаемые с помощью строительства, связаны прежде все(
го с созданием основных фондов для всех отраслей народного хо(
зяйства.
Необходимо помнить, что строители создают как бы овеществ(
ленную летопись своего времени. По тому, что создали строители,
следующие поколения людей будут судить о технологическом, куль(
турном и эстетическом уровне общества каждого прошедшего пери(
ода времени.
Большие размеры территории нашей страны всегда требовали
создания соответствующих путей сообщения. В течение длитель(
ного времени дорогой считалось просто наезженное, изученное на(
правление, привязанное к укрытиям, местам ночлега, бродам, мо(
стовым переходам и т.д. Известно, что для этой цели еще при Вла(
димире Мономахе был построен у Киева большой мост через Днепр,
а в XII в. — мост через реку Волхов в Новгороде.
Еще в глубокой древности в России были известны речные пути
сообщения. Это и неудивительно. Транспортировка грузов или ла(
дей по реке или другому водотоку не требует особых затрат, да и пог(
рузочно(разгрузочные работы на реке проще, чем на грунтовой до(
роге.
Доказан факт строительства, выполнения гидротехнических ра(
бот, связывающих Волгу с Новгородом через реки Полу и Ловать еще
в 1113 г.
Все эти работы тогда велись разрозненно, имели случайный ха(
рактер и государственного значения не имели.
В ХIV—ХV вв. гужевым транспортом пользовались как самостоя(
тельным способом сообщения на большие расстояния во многих ре(
гионах страны.
Так, существовали уже в тот период гужевые дороги от Рязани
вдоль Дона к Азовскому морю, от Новгорода до Белгорода (Днест(
6
ровского), от Азова до Астрахани, от Москвы к Минску через Тверь
и Смоленск.
Более организованный характер дорожное строительство приоб(
ретает в XVII в. В результате — yжe в начале XIX в. в России были
построены Березинская, Вышневолоцкая, Мариинская, Тихвинская
и другие системы мелководных путей с соединительными канала(
ми, спрямленными участками, шлюзами и т.п.
В этот же период на ряде крупных заводов были построены доро(
ги с разнообразным твердым покрытием. Некоторые такие дороги
были весьма протяженными. Например, на Алтае, на Колывано(Воск(
ресенском заводе инженер П.К. Фролов в 1806—1810 гг. построил
дорогу протяжением около 2,0 км на чугунных полосах — рельсах с
деревянными поперечинами и различными инженерными сооруже(
ниями. Этот талантливый русский инженер хорошо представлял себе
сложность движения по большим уклонам, поэтому дорога в Змеи(
ногорске имела и насыпи, и две большие выемки, свайную эстакаду,
мост(эстакаду высотой 11,0 м.
Документально доказано, что первую такую дорогу на чугунных
рельсах построил начальник Олонецких заводов под Петрозавод(
ском А.С. Ярцев.
20 ноября 1809 г. император Александр I утвердил проект реорга(
низации ведомства путей сообщения. Согласно «Учреждению об уп(
равлении водяными и сухопутными сообщениями» и опубликован(
ному одновременно высочайшему манифесту все пути сообщения
были поделены на округа. Делами округа ведал главный начальник.
Его помощниками являлись директор(управляющий и директор(рас(
порядитель работ. При начальнике округа находилась канцелярия в
составе правителя, регистраторов, чертежников и копиистов. Реор(
ганизация ведомства потребовала резкого увеличения количества чи(
новников.
Военизированный корпус инженеров путей сообщения состоял
в начале своей деятельности из трех генерал(инспекторов (в чине
генерал(лейтенантов) — помощников главного директора (позднее
главноуправляющего) водных и сухопутных путей сообщения, 10 ок(
ружных начальников (в чине генерал(майоров), 15 директоров —
управляющих (полковников), 20 директоров — производителей ра(
бот (подполковников), 30 инженеров первого класса (майоров), в
ведении которых находилась подготовка проектно(сметной и пла(
7
новой документации на строительные работы; 45 — второго класса
(капитаны), надзиравшие за ходом работ; 70 — третьего класса (по
ручики), непосредственно руководившие строительством.
Для усиления работ на сухопутных дорогах в 1816 г. были учреж
дены рабочие бригады, каждая из которых приравнивалась к бата
льону и делилась на четыре роты. Во главе роты стоял офицер в чине
капитана или поручика. На каждую бригаду полагалось, таким об
разом, пять офицеров Корпуса путей сообщения.
В тот период времени передовая русская общественность актив
но выступала за развитие нового вида транспорта — железнодорож
ного. Их поддерживали представители ряда банков, купеческие круги
и ряд землевладельцев.
Для изучения путей сообщения П.П. Мельников в 1837 г. был на
правлен в Западную Европу и Америку. Вернувшись изза границы,
он пишет в своем отчете: «Глубоко убежден, что железные дороги
необходимы для России, что они, можно сказать, выдуманы для нее
более… нежели для какойлибо страны Европы, что климат России
и ее пространства... соделывают их особенно драгоценными для на
шего отечества»1.
Профессор П.П. Мельников написал книгу «О железных доро
гах» — энциклопедию железнодорожного дела того времени, где им
было введено много новых понятий, таких как «железная дорога»,
«разъезд», «стрелка» и другие2.
Плеяда выдающихся ученых и строителей, изыскателейпутейцев
разработала надежные конструкции железнодорожного пути, соору
жений, создала систему обоснования технологических, организаци
онных и управленческих решений в области строительства и путе
вого хозяйства.
Известно, что капитальное строительство — основа развития всех
отраслей народного хозяйства. Без него невозможно не только их со
вершенствование, но и поддержание сооружений, зданий, предпри
ятий, транспортных магистралей в течение длительного времени в
работоспособном состоянии.
1 Зензинов Н.А. От ПетербургМосковской до БайкалоАмурской магистра
ли. — М.: Транспорт, 1986.
2 Зензинов Н.А., Рыжак С.А. Выдающиеся инженеры и ученые железнодорож
ного транспорта. — М.: Транспорт, 1990.
8
Современное строительное производство представляет собой слож
ную динамическую систему, состоящую из большого числа элемен
тов, одновременно участвующих в производственном процессе и чаще
всего расположенных на значительном расстоянии один от другого.
Каждый из этих элементов подвержен воздействию множества фак
торов, вызывающих отклонения от параметров, заданных планами.
Одной из составных частей строительного комплекса является
транспортное строительство, без которого невозможно развитие на
родного хозяйства страны. Строительство железных дорог — важ
нейшая отрасль транспортного строительства.
Без учета климатологических факторов, геологических и гидро
логических условий, экологической безопасности при ведении стро
ительномонтажных работ невозможно получение высокого качества
сооружений, и как результат — снижение капитальных затрат на стро
ительство и эксплуатацию производственных и транспортных объек
тов. В строительстве большинство технологических процессов осу
ществляется на открытой площадке. В этом смысле высококаче
ственные технология, организация и управление строительным ком
плексом очень важны для всей отрасли в целом и ее отдельных видов,
таких как транспортное строительство.
Вопросы строительства железных дорог в России встречали и ак
тивное сопротивление определенных кругов — от царской фамилии
до рядовых крестьян, запуганных противниками железных дорог —
реакционерами и консерваторами. Впрочем, против железных до
рог выступали не только в России, но и в других странах.
Так, Баварская высшая медицинская коллегия заявила, что «бы
страя езда по железной дороге неизбежно вызовет у пассажиров бо
лезнь мозга — особую разновидность буйной горячки». В Англии
крестьян убеждали, что «новый транспорт вытеснит лошадей, сено
и овес не найдут сбыта», что «огненные машины» сожгут города и
села, ужасный грохот паровозов лишит языка детей, вызовет у взрос
лого потерю слуха, а у коров — молока».
Американский журналист тогда писал: «общеизвестен факт, что
пассажиры теряли память от быстрого движения в поездах, многие
деловые люди по прибытии на место забывали о цели своей поездки,
им приходилось писать домой, чтобы узнать, зачем они поехали».
Одним из ярых противников железных дорог в России был глав
ноуправляющий путями сообщения страны граф Толь.
9
Серьезную роль в обосновании необходимости строительства
железных дорог играли наиболее прогрессивные офицеры Корпу
са путей сообщения П.П. Мельников, Н.О. Крафт, М.С. Волков,
Н.И. Липин и др.
Строительство железных дорог в России потребовало больших
единовременных капитальных вложений, коих казна тогда еще не
имела. Только отдельные частные лица располагали необходимыми
запасами свободных денег. Объединившись в компании, они могли
бы собрать необходимые средства для строительства железных до
рог. Таким способом была построена Царскосельская железная до
рога. Но тогда финансирование было бы уже частным предприяти
ем, а построенные дороги — частными. Это не устраивало царское
правительство, но и финансировать строительство было не на что.
Поэтому развитие строительства железных дорог в России нача
лось и проходило в первые годы медленно, сумбурно, но все же про
двигалось и в начале XX в. Россия уже располагала второй по протя
женности сетью в мире (вслед за США).
После Царскосельской дороги П.П. Мельников и Н.О. Крафт на
чали в 1843 г. строительство дороги Москва—Петербург (Николаев
ская железная дорога, введена в эксплуатацию в 1851 г.).
В 1862 г. была построена железнодорожная линия Рига—Даугав
пилс, затем Одесса—Балта, Раздельная—Тирасполь, Балта—Елиза
ветград (Кировоград), Курск—Москва.
С 1862 г. главноуправляющим путями сообщения и публичными
зданиями стал П.П. Мельников. Этим и объясняется ускорение стро
ительства железных дорог.
В дальнейшем открылась линия Рязань—Козлов (Мичуринск), за
тем железные дороги Петербург—Варшава, Москва—Нижний Нов
город, Москва—Смоленск, Рига—Орел, Петербург—РостовнаДо
ну, Киев—Нижний Новгород и др. За период с 1867 по 1874 г. еже
годно вводили по 1950 км железнодорожных линий. Продажа ряда
железных дорог частникам в целях экономии средств, отсутствие уп
равления дорогами со стороны МПС привели к тому, что они поте
ряли свое значение.
Но затем снова начался подъем в строительстве железных дорог:
введены линии Брянск—Гомель—Брест, Вильно—Ровно, Кинель—
Уфа—Златоуст, Красноводск—Самарканд—Андижан, Хабаровск—
10
Владивосток. Началось строительство Великого Сибирского пути,
участка Самара—Оренбург.
Активно железные дороги начали строиться в советское время, и
железнодорожная сеть страны к 1930 г. составила по СССР 147 700 км,
по России — 87 200 км. В настоящее время железнодорожная сеть
страны составляет 87 154 км.
Качественные преобразования в строительстве нацелены на ус
корение научнотехнического прогресса, внедрение новых разрабо
ток в технологию и организацию производства, на совершенствова
ние структуры строительного производства.
Один из принципиальных аспектов совершенствования железно
дорожного строительства заключается в улучшении технологии ве
дения работ, включая правильную организацию ресурсного обеспе
чения производства.
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА
1.1. Системный подход к транспортной сети
и особенности железнодорожного строительства
1.1.1. Системный подход к транспортной сети
и ее развитию с позиций строительного комплекса
В условиях первого десятилетия XXI в., сопровождающегося из
менением экономической и политической ситуации в нашей стра
не, роль железнодорожного транспорта приобрела поистине госу
дарственное значение. Вопросы стабилизации положения отрасли
и, тем самым, экономики России в целом, в том числе за счет все
мерного сокращения непроизводительных расходов, в последние
годы являлись и по сей день являются стратегической задачей транс
портной сети страны.
Одной из основных задач транспортной системы России стано
вится полное удовлетворение производства и населения в объемах и
качестве транспортных услуг. И здесь существенную роль играет раз
витие транспорта для перевозок, чтобы обеспечить эффективность
их, доступность и комфортность для пассажиров.
Решение этой задачи может быть достигнуто тремя способами.
Вопервых, на основе коренного улучшения работы существующих
видов транспорта (в том числе модернизация и реконструкция же
лезных дорог России с целью повышения скоростей движения поез
дов). Вовторых, в результате создания принципиально новых тех
нических транспортных средств (транспорт на магнитном и воздуш
ном подвешивании). Втретьих, за счет создания качественно нового
вида железнодорожного сообщения — высокоскоростных железно
дорожных магистралей (ВСМ).
Железные дороги, объединенные в единую транспортную сеть, во
многом определяют эффективность и ритмичность функционирова
12
ния всего народнохозяйственного комплекса страны, удовлетворяя
потребность его в перевозках. Работоспособность любой сложной си
стемы, в том числе транспортной сети, определяется надежностью вхо
дящих в нее элементов и живучестью, связанной с противостоянием
системы стихийным и преднамеренным внешним воздействиям. Ка
чество транспортной сети характеризуется еще и способностью к быс
трой регенерации (восстановлению) при отказе отдельных элементов.
В условиях перестроечного процесса, экономических и полити
ческих преобразований в стране роль железных дорог в народнохо
зяйственном комплексе ни в коей мере не уменьшается, особенно
если учесть нарастающие энергетические трудности. Железнодорож
ный транспорт затрачивает на тонну перевозимого груза энергети
ческих ресурсов в 14 раз меньше, чем автомобильный, и в 70—100
раз меньше, чем воздушный, не говоря уже о таких преимуществах,
как всепогодность, массовость, комфортность и др.
Живучесть транспортной системы изучена гораздо меньше дру
гих, хотя железные дороги, обеспечивающие 43 % общего грузообо
рота страны, включают сложный комплекс взаимозависимых объек
тов: станций, перегонов, водопропускных сооружений, устройств
СЦБ и связи, энергоснабжения, локомотивного, вагонного, пасса
жирского и грузового хозяйств. Надежная работоспособность транс
портного конвейера зависит не только от эффективного взаимодей
ствия элементов этого комплекса и умелого управления им, но и от
рациональной компоновки транспортных сетей.
Ежегодно в большем или меньшем объеме железные дороги ис
пытывают воздействие внешних труднопредсказуемых или непред
сказуемых факторов: землетрясений, оползней, сверхнормативных
паводков, ливней, разливов рек, а иногда, как, например, в период
Великой Отечественного войны, и преднамеренные разрушающие
воздействия. Очень важно заранее объективно оценить сопротивля
емость сети неблагоприятным воздействиям.
Сопоставляя виды транспорта, следует отметить, что воздействие
ускоренного развития воздушного транспорта, автобусных перево
зок и перевозок легковыми автомобилями личного пользования при
вело к тому, что доля железнодорожного транспорта в общих пере
возках за период с 1950 г. снижается. Но по затратам труда и энергии
железнодорожный транспорт в междугородном сообщении являет
ся наиболее выгодным экономически.
13
Фондоотдача железнодорожного транспорта почти совпадает с
воздушным, а себестоимость ниже других видов.
В дальних сообщениях при пользовании воздушным и железно
дорожным видами транспорта затраты дневного времени оказыва
ются близкими при дальности около 250 км и скоростях движения
поездов 100 км/ч и при дальности 250—500 км и скоростях 125 км/ч,
при скоростном движении (маршрутная скорость 150—160 км/ч)
равные затраты дневного времени оказываются при дальности по
рядка 1000—1500 км.
Международная железнодорожная сеть представляет собой сис
тему основных и второстепенных линий, по которым уже сейчас вы
полняется или будет выполняться в ближайшем будущем большой
объем международных перевозок. Для этой сети рекомендуются тех
нические параметры железных дорог, приведенные в табл. 1.1. Эти
параметры представляют собой минимальные требования, которым
должны отвечать магистрали, входящие в единую сеть, для той или
иной железной дороги можно выбрать более высокие параметры,
если это оказывается необходимым.
Таблица 1.1
Параметры объектов инфраструктуры на наиболее важных
международных железнодорожных линиях
14
Окончание табл. 1.1
Примечание: А — существующие линии, которые отвечают требованиям,
предъявляемым к инфраструктуре, и линии, подлежащие модернизации или
реконструкции; В1 — новые линии, предназначенные исключительно для пас
сажирских перевозок; В2 — новые линии, предназначенные для пассажирских
и грузовых перевозок.
Сеть железных дорог состоит из отдельных структурных элемен
тов, выполняющих определенные функции транспортного конвей
ера. Такими элементами транспортных сетей являются: узловые, уча
стковые, промежуточные станции с путевым развитием, стрелочные
переводы, пути перегонов. Основным связующим элементом желез
нодорожных транспортных сетей является рельсовая колея.
Общая сеть железных дорог страны или отдельных ее регионов
представляет собой макроструктуру, состоящую из конечного мно
жества узловых станций, соединенных между собой участками (зве
ньями) трассы, среди которых могут быть выделены отдельные ха
рактерные направления. Узлы макросетей могут иметь двоякую при
роду, являясь источником или стоком транспортных потоков. С дру
гой стороны, среди узлов макросети можно выделить центральные,
периферийные, начальные, конечные и др. Иерархическая структу
ра железнодорожных транспортных сетей показана на рис. 1.1. При
исследовании макросетевых структур промежуточные раздельные
пункты, перегоны и стрелочные переводы, как правило, не выделя
ют; наиболее характерные по направленности участки могут объ
единяться в одно звено.
Микроструктуры транспортных сетей могут быть выделены из
макросетей при их детализации. Обычно микроструктуры представ
ляют собой подмножество взаимоувязанных элементов транспорт
15
Рис. 1.1. Иерархическая структура железнодорожных транспортных сетей
ной сети, выделенное между двумя узловыми (участковыми) стан
циями. Элементами микроструктуры являются: промежуточные
станции, разъезды, обгонные пункты, пути перегонов, приемоот
правочные пути, стрелочные переводы и прочие пути, которые мо
гут быть использованы для пропуска поездов по рассматриваемому
участку. Такой процесс выделения из системы более простых струк
турных модулей Р. Барлоу и Ф. Прошан назвали модульной деком
позицией, при этом за модуль принимается нечто целое и недели
мое. При структурном анализе транспортных сетей модуль как часть
системы легко отличить по естественному признаку — наличию од
ного входа и одного выхода. Для микроструктур раздельных пунк
тов и модулей характерны различные виды соединений элементов:
параллельные, последовательные и смешанные.
Рассматривая железнодорожную сеть как сложный динамичес
кий объект, можно констатировать, что отдельные ее части прохо
16
дят в своем развитии определенные этапы, начиная со строитель
ства новой однопутной линии или участка и заканчивая строитель
ством второго (третьего) пути. Система отображения развития сети
должна охватывать все многообразие возможных состояний желез
ной дороги. Анализируя особенности этих состояний, можно выде
лить несколько относительно самостоятельных частей, описываю
щих строительство новой линии, строительство вторых путей, элек
трификацию железных дорог, реконструкцию крупных станций и
узлов и т.д. Обособление этих частей в рамках системы продиктова
но существенным различием в наполнении ее отдельных подсистем.
Эти различия подсистем носят локальный характер, оставляя неиз
менной общую структуру системы развития сети, которая включает
информационную и расчетноаналитические части (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Общая структурная схема системы развития сети железных дорог:
I — информационная подсистема, характеризующая условия, в которых будет
построен объект или осуществлена его реконструкция; II — подсистема фор
мирования комплекса требований к объекту и определения путей перехода
объекта в новое состояние; III — подсистема практической реализации поло
жений по переходу объекта в другое состояние
17
Информационная подсистема I предназначена для систематизи
рованного хранения информации.
Геологическая модель (ГЛ) включает общее описание по трассе и
локальное описание сложных мест: скальных грунтов, болот и др.,
т.е. тех мест, которые способны создавать ограничения при нанесе
нии трассы линии либо требуют локальных изменений характерис
тик строящегося пути и принятия соответствующих технологичес
ких и организационных решений.
Гидрологическая модель (ГД) содержит разнообразную информа
цию по подходам к мостам.
Ландшафтноэкологическая модель (ЛС) затрагивает экологичес
кий аспект строительства новой линии.
Медикогеографическая модель (МГ) учитывает определенные
трудности жизнедеятельности строителей в районах с затрудненным
проживанием людей.
Прогнознопроизводственная модель (ПС) содержит информа
цию как о настоящем положении дел в промышленном и сельскохо
зяйственном секторах региона, где намечается строительство новой
линии, так и о перспективах их развития.
Модель перспективного развития транспорта (ПРТ) включает све
дения о взаимоотношениях железных дорог с другими видами транс
порта до и после строительства новой линии.
Расчетноаналитическая подсистема II включает ряд программ и
предназначена для формирования комплекса требований к характе
ристикам строящегося объекта при рассмотрении его как транспорт
ной коммуникации. Назначение отдельных программ подсистемы
соответствует целям системы и реализуется как через связи между
внутренними программами данной подсистемы, так и через програм
мы подсистем I и III для принятия определенных решений и прове
дения соответствующих вычислений в расчетноаналитических под
системах. Подсистема II включает отдельные информационные мо
дели, которые рассматривают различные стороны внешнего окру
жения, сопутствующего появлению железнодорожной линии.
Описание природных факторов дается как по объекту, так и по его
локальным особенностям.
Географическая модель (ГГ) ориентирована на высококачествен
ную обзорную карту мира (М 1:2,5·106), которая разбивается коор
динатной сеткой на элементы системы (усеченные секторы), имею
18
щие по широте 1о, по долготе 2о. По элементам фиксируются точки
входа и выхода трассы. Ситуация внутри элемента описывается тек
стом.
Климатическая модель (КС) характеризуется числовыми рядами
результатов многолетних наблюдений за ходом конкретных показа
телей на ближайших к линии метеорологических станциях. Инфор
мация содержится в отдельных файлах. В вычислительный блок вхо
дит программа обработки числовых рядов и определения расчетных
показателей.
Топографическая модель (ТТ) в аванпроектных разработках мо
жет быть представлена гипсометрическим разрезом (ГР) по трассе
или продольным профилем в виде числовых рядов (альтитуд в вер
шинах и последовательных расстояний между вершинами). Инфор
мация используется в вычислительных программах определения вре
мени хода поезда, средних скоростей и прочих характеристик дви
жения с учетом всех его особенностей. Здесь также может присут
ствовать локальное описание отдельных сложных участков: болот,
перевалов, техногенных препятствий и т.д.
Железная дорога как объект капитального строительства являет
ся комплексной системой. Рассмотрим ее с позиций системного ана
лиза. В отношении определенности (неопределенности) различают
следующие основные классы систем:
– детерминированные;
– стохастические;
– системы с нечетким описанием;
– системы с неизвестностью.
В ряде работ показано, что процессы взаимодействия системы со
средой описываются с позиции стохастического подхода.
Совокупность параметров, которые в каждый рассматриваемый
момент времени отражают наиболее существенные стороны пове
дения системы, ее функционирования, называется состоянием сис
темы. Изменение состояния системы интерпретируется как неко
торый процесс во времени. Динамической моделью называется мо
дель, в которой в той или иной форме раскрываются причиннослед
ственные связи, определяющие развивающийся во времени процесс
перехода системы из одного состояния в другое. Динамические мо
дели наиболее адекватно отражают свойства реальной системы.
Обычно рассматривается динамическая модель стохастической си
19
стемы (точнее, нестационарной системы обслуживания, которой
представляется вычислительная система или сеть АСУ).
Основным теоретическим аппаратом исследования систем обслу
живания (СО) является теория массового обслуживания. Значитель
ная часть исследований по теории массового обслуживания посвя
щена изучению функционирования их в стационарном режиме.
Между тем одним из важных вопросов является проведение иссле
довании СО с переменной интенсивностью поступления запросов.
В работах А.Я. Хинчина, Б.В. Гнеденко и др. положено начало «не
стационарной» теории массового обслуживания. А.Я. Хинчин нашел
производящую функцию нестационарного распределения числа за
нятых линий бесконечнолинейной марковской цепью с перемен
ной интенсивностью входящего потока.
Распределение числа занятых каналов СО с бесконечным числом
каналов и переменной интенсивностью потока запросов на обслу
живание, зависящей от числа занятых каналов. Рассматривается од
нолинейная СО с входящим потоком марковского типа, интенсив
ность которого в момент t зависит от числа требований, находящих
ся в системе в этот момент времени. Интенсивность потока λ(t) пред
ставляет ступенчатую функцию, скачки которой происходят в
случайные моменты времени. Для СО проведено исследование ста
ционарного распределения длины очереди.
Анализ результатов, полученных в рассмотренных работах, по
казывает, что точное исследование протекающих в СО процессов
при поступлении на вход потока запросов с изменяющейся интен
сивностью чрезвычайно трудно описать даже при простейших пред
положениях о вероятностных процессах (нестационарный пуассо
новский поток и экспоненциально распределенное время обслужи
вания).
В работах рассмотрена СО в предположении, что интенсивность
потока запросов изменяется скачкообразно, принимая значения λ1,
λ2, …, λN.
Однако рассмотренные методы не позволяют исследовать про
цессы обслуживания развернутыми во времени, т.е. динамику про
цесса обслуживания. Таким образом, важен анализ динамических
моделей нестационарных систем обслуживания с переменной ин
тенсивностью поступления запросов в предположении о произволь
ном законе распределения временнûх интервалов между момента
20
ми поступления запросов и произвольным законом распределения
времени обслуживания, позволяющий рассматривать процессы об
служивания развернутыми во времени. Так, например, рассмотрим
систему управления железнодорожным строительством (УС), на вход
которой последовательно поступает N заданий на решение задач уп
равления λ(a). Распределения временнûх интервалов между момен
тами поступления заданий описываются экспоненциальными зако
нами с интенсивностями, зависящими от номера задания {λ1, λ2, …,
λN} соответственно. УС представим в виде одноканальной нестаци
онарной системы обслуживания (НСО) без потерь. Каждое задание,
поступающее в систему, является заявкой на обслуживание. Закон
распределения времени обслуживания экспоненциальный с интен
сивностями, зависящими от номера заявок {μ1, μ2, …, μN} соответ
ственно.
Представим такую систему обслуживания вложенной марков
ской цепью с дискретным множеством состояний и непрерывным
временем. Состояния системы в каждый момент времени будем ха
рактеризовать числом находящихся в системе запросов i(I = 0, N) и
числом запросов, получивших обслуживание в системе, — j(j = 0,
N – 1). Вероятности пребывания системы в этих состояниях обозна
чим через Pij (t). В таком виде представлений система будет иметь
число состояний
Nc =
k =N +1
∑
k.
(1.1)
k =1
Диаграмма переходов между состояниями системы подробно рас
смотрена в литературе. Для определения значений вероятностей на
хождения системы обслуживания в состояниях I, j необходимо ре
шить относительно Pij (t) систему дифференциальных уравнений, I,
je уравнение которой в общем виде может быть представлено как
dPi , j (t )
dt
= δ(i )(Pi − 1, j (t )λi + j − Pi , j (t )μ j + 1) + δ(t )Pi + 1,
j − 1(t )μ j − 1 − δ(N c − i − j )Pi , j (t )δi + j + 1.
(1.2)
Система управления строительным комплексом представляет со
бой иерархическую структуру, каждый уровень которой образован
несколькими производственными ячейками. Внутренняя структура
21
ячеек, образующих уровни иерархии, может быть любой, например
линейной, линейноштабной, функциональной и т.п. Тип структу
ры ячейки зависит от уровня, на котором ячейка находится, и опре
деляется целями и спецификой работы уровня. Задача оптимизации
структуры управления заключается в определении числа ячеек ниж
него уровня, подчиненных одной ячейке надуровня, и собственно
числа уровней. Например, число комплектов машин, образующих
участок, число участков, подчиненных механизированной колонне,
число механизированных колонн в тресте и т.д.
Описываемая задача является оптимизационной и для ее решения
необходимо выявить основные тенденции в поведении изучаемой си
стемы, на основе чего и построить оптимизационную схему, опреде
лить ее компоненты и способ поиска оптимума. Идея излагаемого да
лее метода была предложена в конце 80х гг. ХХ в., но потребность в
решении этой задачи попрежнему остается актуальной, что заставля
ет вернуться к ней, шире взглянув на ситуацию с целью теоретическо
го анализа проблемы и выработки методологических основ оптимиза
ции управленческих структур.
Выбор из множества организационнотехнологических решений
оптимальных еще не означает действительного достижения той эф
фективности, которая потенциально в них заложена. Реализация
любых организационнотехнологических решений в строительстве
сопряжена с необходимостью учитывать, прогнозировать и компен
сировать воздействие на строительный процесс помех различной
природы. Достижение на практике потенциальной эффективности,
заложенной в любом тщательно обоснованном решении, полностью
определяется умением предвидеть помехи и наличием в распоряже
нии руководителя временнûх, материальных и прочих резервов, по
зволяющих осуществить такую компенсацию.
Можно выделить две большие группы помех. Это перерывы в ра
боте производственных ячеек, вызванные различными причинами
(помехи I типа), и нарушения согласованной, синхронной работы
производственных ячеек (помехи II типа). Основными причинами,
вызывающими перерывы в ходе работ, можно считать отказы про
изводственного оборудования (машин, механизмов, энергоснабже
ния и т.п.), влияние природных факторов (метео, гидро и геологи
ческих), недоставка в срок материалов, изделий, конструкций и т.п.
Эти же причины лежат в основе нарушения согласованной работы
22
производственного комплекса, но последствия нарушений такого
рода (воздействие помех II типа) затрагивают не только производ
ственную ячейку, подверженную воздействию помех I типа, но и
могут опосредованно парализовать работу других производственных
ячеек и повлиять на результативность всей производственной сис
темы в целом.
Воздействие помех на производственную систему может быть
компенсировано полностью или частично резервированием. Любое
резервирование вызывает дополнительные затраты, поэтому для
обеспечения ресурсосбережения необходимо уметь определять его
эффективность, что, в свою очередь, дает возможность определить
необходимые объемы резерва. Определение эффективности резер
вирования распадается на две задачи: прогнозирование перехода
помех I типа в помехи II типа и определение степени влияния такого
перехода на конечную результативность производственной системы
и величину ущерба от некомпенсированного воздействия помехи.
Вторая задача в определенном смысле является ведущей по отно
шению к первой. Прогнозирование степени опосредованного влия
ния помех I типа на производственную систему может быть осуще
ствлено по модели этой системы. Использование метода МонтеКар
ло позволяет накопить выборку необходимого объема и определить
вероятность различных исходов с той степенью достоверности, ко
торую обеспечат адекватность модели производственной системы и
соответствие законов распределения датчиков случайных чисел ре
альности.
Определение ущерба от некомпенсированной помехи должно
учитывать как вероятностные характеристики помех, так и страте
гии противодействия этим помехам. Решить такую задачу можно
методами теории игр. Природа помех такова, что они «не стремят
ся» нанести производственной системе максимально возможный
ущерб. Помимо внешних воздействий на систему строительного ком
плекса, следует рассмотреть модель его, представленную в виде до
кументов информационноструктурного вида, т.е. проектов (ПОС —
проект организации строительства и ППР — проект производства
работ). Классификация их позволяет более детально описать реаль
ное строительное производство.
Классификация проектов (ПОС и ППР) не является самоцелью, а
предназначена для выявления значимости и места каждого конкрет
23
ного проекта и совокупности проектов развития системы. Существу
ющие типы и виды проектов, реализуемых на железнодорожном транс
порте, можно классифицировать по ряду признаков; в зависимости
от значимости проекта (масштаба) их можно отнести к трем группам:
1я группа
– межгосударственные,
– федерального значения,
– межрегиональные;
2я группа
– отраслевые,
– региональные;
3я группа
– локальные (предприятия).
Среди отраслевых проектов железнодорожного транспорта мож
но выделить проекты, относящиеся к существующим хозяйствам
(службам) и предприятиям по линейной иерархии:
– отраслевого значения;
– дорожного значения;
– линейных подразделений ж.д. транспорта.
По функциональной иерархии можно выделить проекты, относящи
еся к хозяйствам: движения, локомотивному, пассажирскому, вагон
ному, пути, сигнализации и связи, электрификации и энергетичес
кого хозяйства, грузовому, прочим функциональным департаментам,
управлениям, службам и их линейноподчиненным подразделени
ям, функциональным организациям железнодорожного транспорта.
Различают проекты, относящиеся к тому или иному виду строи
тельства: новое строительство, расширение действующего объекта,
реконструкция действующего объекта, его техническое перевоору
жение, разборка или консервация.
По характеру цели реализации проекты бывают инвестиционные,
технические, социальные, смешанные.
К инвестиционным проектам относят проекты, в которых главной
целью является получение прибыли (формирование центров ФТО,
мероприятия, связанные с увеличением грузо и пассажиропотоков).
Технические проекты направлены на реализацию технически не
обходимых для функционирования системы «Железнодорожный
транспорт» мероприятий (проекты, направленные на обеспечение
безопасности движения).
24
Социальные проекты реализуются в социальной сфере (социаль
ное обеспечение, здравоохранение, социальная защита малообеспе
ченных слоев населения, преодоление последствий природных и
социальных потрясений).
Смешанные проекты обладают характерными чертами уже пере
численных выше проектов.
По относительной крупности проекты бывают особо крупные,
крупные (большие), средние, малые.
По длительности жизненного цикла проекты бывают долгосрочные
(свыше 5 лет), среднесрочные (от 3 до 5 лет), краткосрочные (до 3 лет).
По направлениям стратегии развития системы железнодорожно
го транспорта: организационные проекты (к ним относятся проекты
реформирования предприятий и организаций, создание новых орга
низационных структур в системе отрасли); проекты исследования и
развития (к ним, в частности, относятся проекты по исследованию в
области железнодорожного строительства, проектирование, строи
тельное производство, управление; разработка опытного образца про
дукта или нового пакета программного обеспечения); инновацион
ные проекты — связаны с разработкой, внедрением и реализацией
новых технологий и других нововведений технического характера,
обеспечивающих развитие системы «Железнодорожный транспорт»;
учебнообразовательные проекты — система мероприятий, направ
ленная на обучение или перепрофилирование персонала; производ
ственные проекты — реализуются в сфере материального производ
ства и оказания услуг (осуществление процесса перевозок); коммер
ческие проекты — реализуются в сфере обращения капитала.
По степени риска при реализации проектов различают проекты:
– с отсутствием риска;
– со степенью ниже среднего (снижение себестоимости произ
водства и оказания услуг);
– средней степени (расширение объемов производства и оказы
ваемых услуг, реконструкция предприятий);
– со степенью выше средней (новое строительное техническое
перевооружение);
– с наивысшей степенью риска (научные исследования и опыт
ные разработки).
Описанная классификация и принятые в ней классификацион
ные признаки отраслевых проектов способствуют систематизации и
25
унификации инвестиционностроительной деятельности на желез
нодорожном транспорте.
Железнодорожный путь является системой, к числу основных от
личительных черт которой следует отнести: наличие большого чис
ла элементов; сложный характер связей между отдельными элемен
тами; сложность функций, выполняемых системой; необходимость
учета взаимодействия с окружающей средой и воздействия случай
ных факторов.
Основные фонды по пути и сооружениям составляют около 51 %
от всех фондов инфраструктуры сети железных дорог. Важным яв
ляется сохранение работоспособности системы, для чего необходи
мы мероприятия по восстановлению ее дееспособности.
Для решения триединой задачи (повышение безопасности дви
жения, снижение эксплуатационных расходов, повышение скорос
тей пассажирских поездов) повышены требования к качеству отре
монтированного пути.
Земляное полотно железных дорог России, сооруженное преиму
щественно (св. 70 %) из глинистых переувлажненных грунтов, в ре
зультате длительной эксплуатации, нарушений технологий ремонта
верхнего строения пути, неудовлетворительного состояния водоотво
дов, влияния неблагоприятных атмосферных явлений и инженерно
геологических условий, постоянно подвергается различного рода де
формациям. Узким местом на железных дорогах продолжают оставаться
высокие насыпи и насыпи, сооруженные на болотах и слабых основа
ниях, а также деформируемая основная площадка земляного полотна.
Важным для строительного комплекса является эффективная ра
бота машин и технологического оборудования.
Концепция системного подхода определяет основные принципы,
которыми необходимо руководствоваться при создании машин для
механизации строительных работ на железных дорогах.
1. Уровень применения, который определяет состав основных ра
бот, годовые объемы, потребную производительность.
2. Виды технологий работ: машины должны создаваться с учетом
возможности работы в комплексе.
3. Выполняемые функции. Дополнительные функции должны по
вышать степень использования машин. Выполнение различных фун
кций не должно снижать производительность при выполнении от
дельных операций.
26
4. Унификация машин. Для снижения расходов на ремонт машин
требуется рациональная унификация транспортной базы, силовых
установок, привода автономного хода и т.д.
5. Автономность хода. Все машины для ремонта и строительства
контактной сети должны иметь устройство для автономного пере
движения со скоростью 5—10 км/ч в зоне производства работ. Это
позволяет снизить потребность в аренде тепловозов и стоимость ра
бот по модернизации и строительству контактной сети.
6. Для создания прогрессивных технологий, достижения высокой
выработки разработку новых конструктивных решений по контакт
ной сети и конструкции машин следует вести во взаимосвязи.
Если при выработке управляющих воздействий исходить только
из информации, описывающей систему лишь в данный момент вре
мени, и не принимать во внимание будущие условия ее функциони
рования, то полученная таким образом система не будет оптималь
ной. Поэтому в цепь регулирования системы строительного комп
лекса железнодорожного транспорта необходимо включить звено,
функцией которого было бы определение будущих результатов при
нятия решения и развития ее.
В свою очередь результаты оптимизации будущей ситуации по
зволят внести коррективы в процесс прогнозирования. Поэтому по
следний должен протекать одновременно с решением задачи опти
мизации.
Процесс прогнозирования является важнейшим этапом разработ
ки регламентов и планов ведения строительных работ. В этом случае
план (норма) является результатом конкретных решений, принятых
на основе прогнозной и иной необходимой информации. Прогно
зирование и планирование являются двумя неразрывными этапами
единого процесса формирования и управления состоянием систе
мы. План (норма) невозможен без прогноза, а прогноз теряет смысл,
если он не учтен в плане. Результаты прогноза на основании анализа
действующих и зарождающихся тенденций должны служить базой
для принятия решений относительно текущего момента с целью оп
тимизации будущей ситуации.
Заблаговременная информационная оценка приоритетов выбора
технологий строительства должна учитывать критерий их безотход
ности. Оценка касается не только отдельных технологических про
цессов, приводящих к локальной эффективности результатов про
27
изводства, но и к системной оценке их, придающей эффективность
системе в целом. Допустим, существует производственная ячейка,
параметры которой на этапе организационнотехнологического про
ектирования были определены исходя из некоторых средних значе
ний характеристик будущего строительного процесса. Понятно, что
на практике эта производственная ячейка бîльшую часть времени
будет работать в условиях, отличающихся от проектных как в одну,
так и в другую сторону. При этом она будет терять производитель
ность как от недостатка собственной мощности (есть объем работ,
но нет сил на его освоение), так и от ее избытка (объем работ мал и
часть мощностей простаивает). Снизить эти потери можно, объеди
нив несколько ячеек в группу и разрешив обмен ресурсами между
ячейками внутри группы. Тогда те ячейки, где существует времен
ный избыток мощности, могут «оказать помощь» производственным
ячейкам, испытывающим временный дефицит ресурсов. Ясно, что
компенсаторные возможности будут тем выше, чем больше ячеек
объединено в группу. Платой за снижение суммарных потерь произ
водительности в группе будут увеличивающиеся затраты на функ
ционирование более крупной системы и на перемещение ресурсов
между ячейками в группе.
Модель, получаемая в этом случае, является неполной и неточ
ной. В рамках современного производства недостаточно руковод
ствоваться статическими проектными данными, поскольку конку
рентная борьба, рыночные условия; экологические оценки и т.д. тре
буют оптимизации строительного комплекса по принципу системы
оперативного производства (Justintime manufacturing (англ.)).
Нахождение оптимума функций, зависящих от множества факто
ров — экономических, производственных, геополитических и пр. —
позволит получить решение задачи прогнозирования и расчета на
дежности и на этой основе выработать стратегически верные техно
логические и организационные решения.
И все же основным документом, определяющим эффективную
работу строительных подразделений являются проектная докумен
тация, включая ПОС и ППР.
Необходимо уточнить, что изза ряда особенностей, присущих
строительным системам, степень идеализации при теоретическом
рассмотрении их должна корректироваться практикой строительного
производства. Это является значительным шагом вперед по сравне
28
нию со всевозможными классификациями и фиксацией внешних
проявлений поведения изучаемой системы. Проектирование техно
логии и организации реализуется в практике функционирования
реальных систем, таких как железнодорожный транспорт и строи
тельный комплекс.
1.1.2. Особенности железнодорожного строительства
и продукция строительного производства
Строительство железнодорожных линий является сложным про
цессом и имеет ярко выраженный вероятностный характер. Значи
тельно различаются между собой расчетная и фактическая продол
жительность работ, расчетная и фактическая потребность в матери
альнотехнических и трудовых ресурсах и т.д.
Особенности железнодорожного строительства можно охаракте
ризовать следующим образом.
Вопервых, железнодорожное строительство призвано решить
двуединую задачу соединения линейного и сосредоточенного, пло
щадочного видов строительства. Для каждого из них могут быть при
менены свои подходы, принципы ведения работ.
Вовторых, неопределенность в способах выполнения работ, что
вызвано значительными отклонениями метеорологических условий,
особенно в весенние и осенние периоды, от долгосрочных прогно
зов. Это влияет на объемы работ и приводит к необходимости изме
нения технологии, организации и способов производства работ.
Втретьих, для линейнопротяженных объектов объемы работ
вдоль трассы существенно различаются между собой в зависимости
от профиля и плана линии, что приводит к различию в технологии и
организации работ даже для двух рядом расположенных участков же
лезной дороги.
Вчетвертых, неудовлетворительное геологическое, гидрологичес
кое и другие виды обследований в период изысканий приводят при
строительстве к авариям, пиковым ситуациям, что вызывает иногда
необходимость резкого изменения организации или технологии ра
бот, предусмотренных в ПОС и ППР, и соответственно к корректи
ровке расчетных сроков.
Кроме того, строительство новых железных дорог ведется в необ
житых или малообжитых районах нашей страны, где почти полнос
тью отсутствуют развитое промышленное производство, сеть авто
29
дорог и других коммуникаций, и поэтому строительные организа
ции вынуждены своими силами вести ремонты, техническое обслу
живание наличного парка машин и механизмов. Это в значительной
мере влияет на сроки производства работ.
Следует отметить, что имеет место значительная неопределен
ность при назначении сроков работ, выполняемых субподрядными
и смежными организациями, по переносу подземных коммуника
ций, электрических сетей, линий СЦБ и связи и т.п.
Большие колебания могут возникнуть во времени, связанном с
поступлением на строительство материалов от внешних поставщи
ков, что приводит к неопределенности в организации транспортных
и погрузочноразгрузочных работ.
Изменения продолжительности трудовых процессов в ходе про
изводства работ неизбежно вызывают соответствующие изменения
в затратах трудовых и материальнотехнических ресурсов, т.е. изме
няется трудоемкость работ.
Любые отклонения от заранее рассчитанных параметров строи
тельного процесса нарастают с течением времени, что может приво
дить к изменению организации работ и технологии выполнения стро
ительных процессов на стадии завершения строительства линии.
Так, например, срок возведения земляного полотна при соору
жении железной дороги рассчитывают по производительности ве
дущей машины комплекта по нормам. Фактически же производи
тельность машин будет меняться в зависимости от изменения высо
ты насыпи или глубины выемки, так как в этих случаях меняются
рабочая зона рабочего органа агрегата, продолжительность цикла
работы машины и т.д. Срок же выполнения работы будет изменять
ся нелинейно от производительности агрегата.
Подобное положение имеет место также при строительстве водо
пропускных сооружений и при других работах в транспортном стро
ительстве.
Системный анализ, применяемый к решению задач, возникаю
щих в практике железнодорожного строительства, способствует вы
работке оптимальных организационных и технологических решений,
причем оптимальность оценивается по критериям эффективности:
общему — для всей системы — и местному или частному — для ее
отдельных частей. Выбор местного критерия должен производиться
30
таким образом, чтобы местный оптимум способствовал улучшению
характеристики системы в целом.
На практике часто выбор параметров системы в целом по крите
рию эффективности или параметров ее частей по местным критери
ям сводится к решению следующей математической задачи.
Имеется m объектов х1, ..., xN и задано ограниченное количество
средств у. Требуется найти такой закон yi распределения этих средств
по объектам, при котором обеспечивается наибольшее значение
среднего выигрыша:
m
R = ∑ Fi ( y )
(1.3)
i =1
при соблюдении условий
m
Yi ≥ 0; ∑Yi ≤ Y ,
(1.4)
i =1
где Fi (y) — функция выигрыша, являющаяся мерой выигрыша, к которому при
водит выделение средств в количестве у на iй объект. В зависимости от задачи
функция Fi (y) может быть вогнутой, выпукловогнутой, дифференцируемой и
даже разрывной.
Для решения указанной задачи используют соответствующий ма
тематический аппарат.
Частные критерии эффективности могут приниматься как на ста
диях проектирования технологии и организации работ, так и для
оценки отдельных технологических и организационных задач.
На стадиях технического и технологического проектирования, ве
дения строительномонтажных работ происходит обогащение инфор
мации; обобщенные связи и отношения постепенно замещаются все
более детальными расчетными обоснованиями. Но при этом необхо
димо строго соблюдать принцип преемственности. Существенные ре
зультаты предыдущей стадии не подлежат изменению на последую
щей, если, конечно, в более детальной информации не обнаружива
ются противоречия, заставляющие пересмотреть исходные позиции
задачи, т.е. возвратиться к ее началу. В результате на любой стадии
применяется единая, в общем, модельная основа, частные и общие
исходы оказываются в определенной анализируемой взаимосвязи.
31
Наряду со стадийностью технологического и организационного
регулирования, зависящих от степени информированности о харак
теристиках возводимого объекта и условий строительства, необхо
димо иметь в виду комплексность технологии ведения работ строи
тельного производства, различающихся:
1. По видам задач, обусловленным характером:
а) крупные строительные работы;
б) время;
в) особенности проведения.
2. По составу задач в соответствии:
а) с внутренней этапностью;
б) с иерархией, постепенно подводящей к выявлению результата;
в) с объективными рычагами управления соответствующими ча
стями производства.
Несмотря на весьма серьезные различия в видах основных работ
железнодорожного строительства — земляных, по возведению во
допропускных сооружений, верхнему строению пути и др., образу
ющих подсистему общей динамической модели, соподчиненность
задач внутри них оказалась достаточно однородной, что позволяет
выделить в каждой подсистеме 11 этапов, или классов задач:
1. Формирование исходных данных.
2. Учет влияния природных факторов.
3. Режимы использования времени.
4. Объемы работ, потребность в ресурсах.
5. Производственные возможности, сроки работ.
6. Организация работ.
7. Производственная база.
8. Транспортное обеспечение, поставки.
9. Резервы производства, рычаги регулирования.
10.Контроль качества продукции.
11.Обоснование управленческих решений.
Подобный перечень этапности частных задач отражает постепен
ное обогащение и усложнение информации с дополнением незави
симых исходных параметров новыми зависимыми характеристика
ми и результатами предыдущих расчетов внутри каждой подсисте
мы вплоть до решения, позволяющего использовать выходную ин
формацию для обоснования технологических и управленческих
32
решений. Выбор этого перечня обусловлен выявленными предвари
тельно взаимосвязями факторов.
Например, характеристики природной среды, хотя существует она
объективно, не могут быть приняты без связи с исходными данны
ми подсистемы, поскольку она избирательна по отношению к тем
или иным метеорологическим элементам. Следовательно, учет вли
яния природных факторов представляет собой второй, зависимый
этап по отношению к первому. Аналогичным образом режимы ис
пользования времени при развертывании процесса в естественных
условиях не могут быть установлены в отрыве от продолжительнос
ти теплого и холодного сезонов, распутицы на грунтовых дорогах,
размера помех, вызываемых осадками, паводками, и т.д. Объемы
работ нельзя правильно определить без учета возможности или це
лесообразности их выполнения в летний и зимний периоды, состо
яния дорог, зависящего от климатических характеристик, и др.
Вместе с тем перечень этапов не следует воспринимать слишком
формально, как простую очередность решения задач. Все зависит от
того, насколько богата, определенна и обоснована исходная инфор
мация, вводимая поэтапно. Это и заставляет использовать опреде
ленную стадийность решения задач.
Исходную информацию приходится рассматривать в рамках осо
бой «нулевой» подсистемы, отражающей существующий уровень
знаний, с которого следует начинать решение задач каждого этапа.
Здесь могут использоваться:
а) различные нормативы;
б) обобщение опыта строительства;
в) объектыаналоги;
г) прочие источники информации, наличие которых способно
сделать излишними те или иные этапы внутри каждой подсистемы.
Однако по мере повышения степени детализации и углубления ре
шения по стадиям обобщенные исходные данные представляют во все
более дифференцированном виде, и частные задачи приобретают пре
дусмотренную этапность, хотя и не всегда следуют очередности.
Все технологические задачи, дифференцированные по видам, эта
пам и стадиям, образуют в совокупности динамическую модель же
лезнодорожного строительного производства, на базе вычислитель
ного освоения которой создана система автоматизированного поис
33
ка путей организационного регулирования железнодорожного стро
ительства (САПР ЖДС).
Суть этой системы состоит в получении необходимого обоснова
ния технологического или организационного решения на любом
уровне его апробации — от инженерного замысла до непосредствен
ного производственного акта — путем численной имитации соот
ветствующих рабочих процессов в возможных их состояниях, вос
производимых в результате целенаправленного варьирования. Это
позволит выявить основные связи, т.е. постичь в рамках модели вза
имодействие всех условий и результатов производства, что и пред
ставляет собой установление объективных рычагов регулирования.
Уровень технологии строительного производства определяется
следующими показателями:
1. Коэффициент ритмичности выпуска строительной продукции
n
Kp =
K1 + K 2 + K 3
3
∑ Ki
= i =1
n
,
(1.5)
где К1, К2, К3 — декадные коэффициенты ритмичности, определяемые отно
шением объема фактически выпущенной за декаду товарной продукции (в пре
делах не выше плана) к заданному, нормативному выпуску;
n — число декад в месяце.
2. Коэффициент ассортиментности (номенклатурности видов
строительных работ)
m
Ka =
K a1 + K a2 + K a3
3
=
∑ K ai
i =1
m
,
(1.6)
где Ка1, Ка2, Ка3 — коэффициенты ассортиментности (номенклатурности) вы
пуска продукции по декадам, определяемые отношением фактического выпус
ка продукции данного вида строительных работ в пределах не выше плана к
плановому выпуску.
3. Коэффициент качества продукции
K к = 1 − 0,01P − 0,02B − 0,01Г − 0,05М − а,
(1.7)
где Р — процент продукции, не сданной с первого предъявления;
В — число случаев передачи некондиционной (строительной) продукции
потребителю;
34
Г — нарушения технической дисциплины в процентах к числу проверен
ных операций;
М — процент брака сверх установленного лимита;
а — снижение коэффициента за прочие упущения в вопросах качества про
дукции.
4. Коэффициент использования основных производственных фондов
Кф =
Фоф
Фоп
,
(1.8)
где Фоф и Фоп — фондоотдача основных фондов, фактическая и заданная, нор
мативная.
5. Коэффициент общего (интегрального) использования ведущих
машин или оборудования Кобщ.
6. Коэффициент выполнения задания плана по реализации стро
ительной продукции
K pп =
K рп1 + K рп2 + K рп3
3
.
(1.9)
7. Коэффициент выполнения задания плана по прибыли Кпр.
Определяют Крп и Кпр по нормативам, приведенным в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Нормативы определения коэффициентов Крп и Кпр
Максимальное значение частных показателей не может превы
шать 1.
Общий показатель уровня технологии строительного производства
К с.пр =
К р + К а + К к + К но + К общ + К рп + К пр
7
.
(1.10)
35
1.2. Технология и ее роль в строительном производстве
Технология — это совокупность методов изготовления, обработ
ки, изменения свойств и форм предметов, осуществляемых в про
цессе производства продукции.
Технологические, или производственные, процессы имеют опре
деленную последовательность.
Устойчивые сочетания технологических процессов называются
работами. В строительном производстве, например, это земляные
работы, каменные работы, бетонные работы и т.д.
В отличие от других отраслей промышленности продукция стро
ительного производства в процессе ее изготовления остается непо
движной, а перемещаются орудия труда. С помощью орудий труда
(инструмента или механизма) рабочие воздействуют на предмет труда
(кирпич, бетон, арматуру и т.п.), придавая ему необходимую форму,
размеры или новые свойства.
Применительно к строительному производству «технология»
означает взаимосвязанный комплекс методов, результатом которых
является готовая продукция в виде элементов строительных конст
рукций и изделий, зданий и сооружений различного назначения.
В железнодорожном строительстве конечным продуктом техно
логических процессов является участок железнодорожной линии —
полный комплекс объектов, позволяющий осуществлять грузовые и
пассажирские перевозки. К таким объектам относятся земляное по
лотно, водопропускные сооружения, производственнотехнические
здания различных служб железной дороги.
Строительная технология слагается из отдельных строительных
трудовых процессов. По сложности выполнения трудовые процессы
могут быть простыми, сложными и комплексными.
Простым трудовым процессом называют совокупность технологи
чески связанных между собой рабочих операций, выполняемых од
ним или группой рабочих (звеном). Примером может быть процесс
кирпичной кладки, выполняемый одним звеном рабочихкаменщи
ков. Также простым процессом является сварка закладных деталей
сборных железобетонных конструкций, омоноличивание стыков же
лезобетонных конструкций и т.п.
Сложные процессы состоят из нескольких простых. Например,
монтаж плит покрытия здания локомотивного депо. В этом случае
36
простыми процессами являются: установка плит покрытия на стро
ительные фермы; сварка закладных деталей; омоноличивание сты
ков плит покрытия.
Комплексным процессом называется совокупность одновременно
осуществляемых сложных и простых процессов, находящихся меж
ду собой в непосредственной организационной зависимости и свя
занных единством конечной продукции. Например, монтаж колонн,
подкрановых балок, строительных ферм и плит покрытия здания ло
комотивного депо.
Технологически однородный и организационно неделимый эле
мент трудового процесса называется рабочей операцией. Для рабочих
операций характерно постоянство орудий и предметов труда, а так
же состав исполнителей. Рабочая операция представляет собой со
вокупность рабочих приемов. Рабочий прием — следующие одно за
другим рабочие движения.
Пространство, в пределах которого выполняются рабочие опера
ции, располагаются орудия и предметы труда, называется рабочим
местом.
Участок работы, выделяемый звену рабочих или одному рабоче
му, называется делянкой, а участок, выделяемой бригаде, — захват
кой. Размеры делянки и захватки должны обеспечить достаточный
фронт работ, позволяющий звену или бригаде работать без перехода
на новое место не менее полусмены.
Под фронтом работ понимается часть объекта, т.е. пространство
на строительной площадке, на котором расставляют бригады или
звенья рабочих и технологические машины и механизмы.
Размеры фронта работ должны быть достаточными для оптималь
ной организации трудовых процессов и безопасного ведения работ.
Фронт работ может измеряться погонными или квадратными метра
ми, частью строящегося объекта. Например, этаж или секция здания.
Фронт работ может быть открытым или ограниченным. При стро
ительстве линейно протяженных объектов (земляное полотно, тру
бопроводы) обычно фронт работ открыт полностью. Это означает,
что работы можно производить одновременно на широком фронте,
т.е. на нескольких захватках, поскольку отсутствуют препятствия для
расстановки рабочих, машин и механизмов.
При возведении зданий поярусно фронт работ, как правило,
ограничен этажом или монтажным горизонтом.
37
В современном строительном процессе участвует «триада»: люди
(трудовые ресурсы), материальные элементы строительного произ
водства, а также машины и механизмы (технические средства).
Трудовые ресурсы. Большое разнообразие продукции строитель
ного производства требует привлечения рабочих различных профес
сий. Качественное и своевременное выполнение работ обусловлено
соответствующей профессиональной подготовкой, которая осуще
ствляется в специализированных учебных заведениях, в учебных
комбинатах, на курсах и при других формах обучения, с отрывом и
без отрыва от производства.
Рабочие одной и той же профессии могут обладать различной ква
лификацией, которая определяется уровнем теоретических знаний
и практических навыков для качественного выполнения работы
определенной сложности за установленное время. Администрация
предприятия, на котором прошел обучение рабочий, выдает ему со
ответствующее удостоверение, в котором указываются рабочая про
фессия, специальность и разряд в соответствии с Единым тарифно
квалификационным справочником работ и профессий рабочих, за
нятых в строительстве и на ремонтностроительных работах (ЕТКС).
Чем выше уровень мастерства рабочего, тем выше его разряд. ЕТКС
предусматривает разряды от 1 до 6.
Следует различать рабочую профессию и специальность. Профес
сия — понятие более общее. Например, рабочий имеет профессию мон
тажника, а его специальность (понятие более узкое) — монтажник ме
таллических строительных конструкций. Рабочий этой специальности
не может быть допущен к монтажу железобетонных конструкций, и на
оборот. Другие примеры: профессия — сварщик, а специальность — га
зосварщик (или электросварщик); профессия — машинист, а специ
альность — машинист башенного крана (экскаватора, скрепера и т.д.).
Рабочиестроители лишь в редких случаях работают в одиночку. В ос
новном они объединяются в производственные группы в виде зве
ньев численностью 2—5 человек, и бригады, состоящие из несколь
ких звеньев. Количественный и квалификационный состав звеньев
и бригад устанавливают в зависимости от сложности трудовых про
цессов и объема работ. В звене рабочие более высокой квалифика
ции выполняют более сложную работу.
Наиболее распространенными являются специализированные и
комплексные бригады.
38
Специализированная бригада формируется из рабочих одной про
фессии, выполняющих работы одного вида, например бетонные, ка
менные, арматурные. Численность специализированной бригады —
15—25 человек.
Комплексная бригада объединяет рабочих разных профессий и спе
циальностей, занятых выполнением работ, находящихся в непосред
ственной организационной зависимости и связанных единством ко
нечной продукции, т.е. комплексная бригада используется в слож
ном и комплексном технологических процессах.
В любом технологическом процессе, в том числе автоматизиро
ванном, ключевая роль принадлежит человеку. Она резко возросла
в связи с быстрым внедрением в производственные процессы дос
тижений науки и техники. Сооружаются уникальные транспортные
магистрали, большепролетные мосты, сверхдлинные тоннели и т.д.
В распоряжении строителей появились высокопроизводительные
и мощные технические средства. Все это накладывает на человека
огромную ответственность за экологическую и техногенную безо
пасность среды его обитания. Поэтому к профессиональной под
готовке рабочих и инженернотехнического персонала необходи
мо подходить в соответствии с теорией и практикой управления
кадрами.
Планирование подготовки кадров включает три этапа (рис. 1.3).
Важнейшим является 2й этап — прогнозирование численности
кадров, необходимых для реализации краткосрочных и перспектив
ных задач. Этот этап требует большой аналитической работы, по
скольку прогнозирование долгосрочных подрядных строительных
работ — задача вероятностная.
Обучение имеет важное значение для всех организаций, особен
но работающих в сфере материального производства, создающих
такие сложные технические системы, как железные дороги.
Рис. 1.3. Планирование трудовых ресурсов
39
По мнению американских специалистов, подготовка трудовых ре
сурсов включает следующие этапы (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Структурная схема управления трудовыми ресурсами
1. Планирование ресурсов — разработка плана удовлетворения бу
дущих потребностей в людских ресурсах.
2. Набор персонала — создание резерва потенциальных кандида
тов по всем рабочим местам, в том числе инженернотехническим.
3. Отбор — оценка кандидатов на рабочие места и отбор лучших
из резерва, созданного в ходе набора.
4. Определение заработной платы и льгот — разработка структуры
заработной платы и льгот в целях привлечения, найма и сохранения
работника.
5. Профориентация и адаптация — введение нанятых работников
в организацию и ее подразделения, развитие у работников понима
ния того, что ожидает от них организация и какой труд в ней получа
ет заслуженную оценку.
6. Обучение — разработка программ для обучения трудовым на
выкам, требуемым для эффективного выполнения работы.
7. Оценка трудовой деятельности — разработка методик оценки
трудовой деятельности и доведение ее до работника.
Успешная программа по развитию кадров способствует созданию
рабочей силы, обладающей более высокими способностями и силь
ной мотивацией к выполнению задач, стоящих перед организацией.
Естественно, что это должно вести к росту производительности, а
значит, и к увеличению ценности людских ресурсов организации.
Первым шагом к тому, чтобы сделать труд работника как можно
более производительным, является профессиональная ориентация
и социальная адаптация в коллективе. Если руководство заинтере
40
совано в успехе работника на новом рабочем месте, оно должно все
гда помнить, что организация — это общественная система, а каж
дый работник — это личность.
Подготовка представляет собой обучение работников навыкам,
позволяющим поднять производительность их труда. Конечная цель
обучения заключается в обеспечении своей организации достаточ
ным числом людей с навыками и способностями, необходимыми для
достижения целей организации.
Обучение требуется в трех основных случаях. Вопервых, когда
человек поступает в организацию. Вовторых, когда его назначают
на новую должность или когда ему поручают новую работу. Втреть
их, когда проверка установит, что у человека не хватает определен
ных навыков для эффективного выполнения своей работы.
Некоторые основные требования, обеспечивающие эффектив
ность программ обучения, сводятся к следующему.
1. Для обучения нужна мотивация. Люди должны понимать цели
программы, каким образом обучение повысит их производитель
ность и тем самым — их собственное удовлетворение своей работой.
2. Руководство должно создать климат, благоприятствующий обу
чению. Это подразумевает поощрение учащихся, их активное учас
тие в процессе обучения.
3. Если навыки, приобретаемые посредством обучения, являют
ся сложными, то процесс обучения следует разбить на последова
тельные этапы.
Материальные элементы строительных процессов. К ним относятся
строительные материалы, полуфабрикаты, конструкции и изделия.
В строительном производстве используется очень широкая но
менклатура строительных материалов как естественного происхож
дения (круглый лес, песок, гравий, каменные горные породы), так и
искусственного (кирпич, цемент, стальная арматура и т.д.).
Строительные материалы, как правило, имеют устойчивые товар
ные свойства.
Наиболее типичными представителями полуфабрикатов являются
бетонные смеси и цементные растворы. Обычно полуфабрикаты не
имеют устойчивых товарных свойств. Например, бетонная смесь,
уложенная в тело конструкции или изделия, после твердения при
обретает новые свойства и становится конструкцией или ее частью.
Конструкции и изделия, как правило, изготавливаются на предпри
41
ятиях строительной индустрии, реже — на стройдворах или непо
средственно на стройплощадке.
Все виды материальных элементов, поступающих на строительную
площадку, должны иметь сопроводительный документ — техничес
кий паспорт заводаизготовителя, которым гарантируются необходи
мые свойства материала или конструкции. Так, например, для сталь
ной арматуры в паспорте указывают ее химический состав, физико
механические характеристики, дату и номер мартеновской плавки.
Сборные элементы строительных конструкций маркируют штам
пованием несмываемой краской, надписями или бирками.
Технические средства строительных процессов. При создании стро
ительной продукции используют разнообразные технические сред
ства, которые подразделяют на основные, вспомогательные и транс
портные.
Основные технические средства участвуют непосредственно в тех
нологическом процессе возведения зданий и сооружений. Это стро
ительные краны, экскаваторы, средства малой механизации (элект
родрели, вибраторы и т.д.). Рабочий орган основного технического
средства. непосредственно воздействует на предметы труда (матери
альные элементы), придавая им новые качества.
Вспомогательные технические средства представляют собой раз
личного рода оснастки. Технологическая оснастка обеспечивает
удобство и безопасность работ, а также сохранность строительных
материалов. Примером такой оснастки являются струбцины, кассе
ты, контейнеры, газовые баллоны для резки и сварки металла. Энер
гетическая оснастка служит для нормальной эксплуатации строи
тельных машин, механизмов, инструмента и освещения строитель
ной площадки. К этому виду оснастки относятся трансформаторы
электрического тока, силовые и осветительные электролинии, ком
прессорные агрегаты и т.п. К эксплуатационной оснастке относятся
подкрановые пути, ограничители передвижения крана, сигнальные
устройства, точильные станки и другие аналогичные технические
средства.
Транспортные технические средства предназначены для доставки
на строительную площадку материальных элементов и технических
средств. К таким средствам относятся: железнодорожные вагоны, ав
томобили различного назначения (автобетоновозы, автосалоны, па
нелевозы, трейлеры и т.д.).
42
Экскаваторы, бульдозеры, автомобили и другие машины и меха
низмы, применяемые в строительном технологическом процессе, яв
ляются техническими системами, состоящими из нескольких сис
тем (подсистем): корпус, двигатель, трансмиссия, ходовая часть и
органы управления.
Технические средства постоянно совершенствуются и развивают
ся. Это развитие происходит по объективным законам.
Одна из главных тенденций развития техники сегодня — повыше
ние идеальности технических систем, которая характеризуется отно
шением функциональных возможностей технической системы к сум
марным затратам на ее проектирование, изготовление и эксплуатацию.
Идеальной можно считать техническую систему, функции кото
рой эффективно выполняются при минимуме затрат.
Задачами повышения функциональных возможностей техничес
ких систем и снижения затрат на них решаются в функционально
стоимостном анализе, сущность которого изложена в п. 1.3.
1.3. Научные основы технологии строительства
1.3.1. Технология строительного производства как система
Задачи технологии как науки — поиск наиболее экономичных и
эффективных технологических процессов.
Результатом технологического процесса является готовая продук
ция, количество которой и ее цена определяются взаимоотношени
ями между элементами уже упомянутой «триады».
Максимальная эффективность строительных технологий дости
гается тогда, когда отношения всех элементов «триады» находятся в
гармонии и не входят в противоречие между собой. Например, тех
нические средства подачи бетона в высотную конструкцию не соот
ветствуют требуемому темпу его укладки или технические средства
(катки) не обеспечивают требуемого коэффициента уплотнения
грунта в теле насыпи.
Кроме того, противоречие может заключаться не только во взаи
моотношениях материальных элементов и технических средств стро
ительства. Возможно противоречие между трудовыми ресурсами (ра
бочими) и техническими средствами: недостаточный уровень ква
лификации при использовании новых машин и механизмов, психо
логическое отторжение систем автоматики и робототехники.
43
Если противоречия имеют место, то необходим анализ ситуации.
Строительное производство — это большая техническая система.
Как и все системы, она развивается во времени и пространстве, под
чиняясь общим законам развития систем.
Характерным примером развития системы «Строительное про
изводство» является, например, подсистема «Мостостроение»: де
ревянные, каменные, металлические, железобетонные мосты.
Эволюционное развитие материальных элементов строительства
вызвало к жизни и развитие технических систем. Результат — новые
эффективные технологии.
Подход к объектам исследования как к системам выражает одну
из главных особенностей современного научного познания. В общем
случае, под системой понимается множество объектов с набором свя
зей между ними и между их свойствами. При этом объекты (или их
части) функционируют во времени как единое целое — каждый объект
работает ради единой цели, стоящей перед системой в целом.
Таким образом, особенность системного подхода состоит в том,
что в допустимых границах система управления объектом исследу
ется как единый организм с учетом внутренних связей между отдель
ными элементами и внешних связей с другими системами и объек
тами. Строительство представляет собой сложную динамическую
вероятностную систему. Конкретная функция системы «Строитель
ное производство» заключается в получении готовой товарной про
дукции: зданий и сооружений, которые будут являться не только ма
териальной основой для создания и развития систем другого функ
ционального назначения, но и для собственного воспроизводства.
Система «Строительное производство» —
сложнее технических или социальных сис
тем, поскольку объединяет их в процессе
своего функционирования.
Характеристика жизненного цикла разви
тия любой технической системы (в том чис
ле и строительного производства) имеет вид
Sобразной кривой, показанной на рис. 1.5.
Справедливость этого закона подтверждена
многочисленными исследованиями ученых
Рис. 1.5. Жизненный
разных стран. По оси X показано время жиз
цикл технических
недеятельности системы, а по оси Y — ее па
систем
44
раметры. Элементы, составляющие систему, образуют подсистемы,
которые в свою очередь, сами являются системами по отношению к
входящим в их состав элементам, и т.д.
В строительном производстве такими подсистемами могут быть «Бе
тон», «Железобетон», «Стальные конструкции», «Деревянные конст
рукции» и т.п. Каждая такая подсистема делится на элементы: «Техно
логия получения заполнителей», «Технология приготовления бетонной
смеси», «Технология ускоренного твердения бетонной смеси» и т.п.
Каждый из перечисленных элементов будет развиваться по тем
же законам, что и сама система.
В реальности Sобразная кривая не является гладкой, а имеет вид
ломаной линии в связи с неравномерным развитием своих подсис
тем (рис. 1.6).
На графике рис. 1.6 можно выделить ха
рактерные участки — этапы, определяющие
существенные изменения в развитии техни
ческой системы (или подсистемы).
Этап 1 знаменует зарождение техничес
кой системы, в которой впервые реализован
новый принцип. Система имеет на этом эта
пе как достоинства, так и недостатки «ново
рожденного».
Этап 2 отражает активное развитие тех
Рис. 1.6. Основные эта
нической системы, ее интенсивное внедре
пы жизненного цикла
технических систем
ние в производство и усовершенствование
входящих в нее подсистем.
Этап 3 характеризуется замедлением роста показателей техничес
кой системы. Система практически исчерпала свои потенциальные
возможности. В этот период производство продолжает двигаться
вперед инерционно.
Этап 4 специфичен постоянством параметров технической сис
темы и началом спада ее показателей.
Зачастую на одном из ранних этапов развития технической сис
темы зарождается идея новой, более совершенной системы, выпол
няющей свои функции на другом технологическом принципе.
Изложенный подход к оценке существования технических систем
особенно важен для специалиста, работающего в сфере материально
го производства и имеющего дело с технологическими процессами.
45
Как правило, тупиковых технологических процессов нет, а есть
система, исчерпавшая свои возможности и требующая осмысления
происходящего и новых технологических идей.
Из рассмотрения этапов развития технических систем следует, что
для обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции необхо
димо отслеживать, на каком этапе развития находится конкретная
технология, когда она исчерпает свои возможности и какие скры
тые резервы имеет система.
Инструментом для решения этих задач является функциональ
ностоимостной анализ (ФСА).
1.3.2. Функционально!стоимостной анализ
технологического процесса
Сущность функциональностоимостного анализа заключается в
комплексном исследовании технологического процесса с целью вы
явления имеющихся резервов и сокращения затрат, которые не яв
ляются обязательными, а также соответствия технических средств,
участвующих в технологическом процессе, современному уровню
науки и техники.
Первостепенными объектами исследования при ФСА технологи
ческих процессов являются:
– пооперационная трудоемкость изготовления продукции;
– оборудование, оснастка, инструмент. Для заводских техноло
гических процессов анализируются также производственные площа
ди, на которых установлено используемое оборудование;
– сырье, материалы, энергия и топливо, расходуемые в процессе
производства;
Результатом ФСА технологического процесса должно быть вы
полнение его главной функции: изготовление продукции с задан
ными потребительскими свойствами, качеством и надежностью при
минимальных затратах используемых ресурсов.
В соответствии с теорией ФСА, базирующейся на гипотезе о том,
что в каждом объекте есть скрытые излишние затраты, рассматри
ваются причины появления резервов на каждой стадии жизненного
цикла любого объекта анализа, а именно: на стадиях разработки, про
ектирования, изготовления и эксплуатации технологического обо
рудования или строительной конструкции.
46
В соответствии с принятой методикой ФСА подразделяют на 7 эта
пов: подготовительный, информационный, аналитический, творчес
кий, исследовательский, рекомендательный и внедренческий.
Рассмотрим первые четыре этапа. Укрупненная блоксхема систе
мы «Технология строительного производства» приведена на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Укрупненная блоксхема системы «Технология строительного произ
водства»
47
На подготовительном этапе уточняют цели проведения анализа
конкретной технологии и разрабатывают план ФСА. Основными
критериями, которые определяют выбор такой технологии являют
ся: стоимость годового выпуска продукции; п е р с п е к т и в н о с т ь
выпускаемой продукции; р е н т а б е л ь н о с т ь и наличие «узких»
мест в производстве; т р у д о е м к о с т ь, м а т е р и а л о е м к о с т ь,
т е х н о л о г и ч н о с т ь, э н е р г о е м к о с т ь и н а д е ж н о с т ь
производства. Неудовлетворительные показатели хотя бы по одно
му параметру указывают на необходимость проведения ФСА.
Иногда наличие незначительного на первый взгляд «узкого места»
вынуждает полностью изменить всю технологию для его устранения.
Поэтому требуется четко определить, что необходимо: устранение не
желательного эффекта (задачаминимум) или готовность на кардиналь
ную переделку объекта исследования, т.е. разработку новой техноло
гии, реализующей необходимые требования с минимальными затра
тами и более высоким качеством продукции. Это задачамаксимум.
На втором этапе ФСА — информационном — проводят сбор, сис
тематизацию и изучение конструкторской, технологической, эксп
луатационной, экономической, научнотехнической и патентной ин
формации об объекте исследования и его аналогах.
Аналитический этап предусматривает постановку задач для эта
па 4 — творческого. Задач здесь выделяют немного, но они должны
быть ключевыми, чтобы их решение дало максимальный эффект.
Одним из путей решения этой проблемы рекомендуется исполь
зование рационального алгоритма постановки задач.
В число задач этого алгоритма входят структурный анализ, функ
циональный анализ, стоимостной анализ, выявление нежелательных
эффектов, функциональноидеальное моделирование (свертыва
ние), формулирование ключевых задач.
Решение первой части (1—5) задач алгоритма позволяет опреде
лить целесообразность проведения функциональноидеального мо
делирования, или свертывания объекта исследования.
Свертывание объекта ФСА направлено на формирование идеаль
ной технической системы (ТС), имеющей минимальное число эле
ментов, узлов и деталей при обязательном выполнении ими необхо
димых функциональных показателей.
Процедура свертывания заключается в последовательном рас
смотрении всех элементов системы, выяснении по определенным
48
правилам возможности ее функционирования, без рассматриваемого
элемента, построении на этой базе функциональноидеальной мо
дели системы (машины, механизма, технологии и т.п.) и формули
ровании задач по практической реализации системы.
Применительно к технологическому процессу это означает опре
деление возможностей изготовления изделий (конструкций, деталей
и т.п.) без той или иной технологической операции.
В литературе по ФСА детально изложены шаги реализации алго
ритма постановки задачи. Рассмотрим некоторые из них.
Шаг 1. При проведении структурного и стоимостного анализа
сложных объектов не рекомендуется составлять структурную схему
и рассчитывать затраты до уровня каждой детали.
При проведении структурного анализа подробно изучают объект
на основе конструкторской, технологической, эксплуатационной и
другой документации. Исследуют взаимосвязи между отдельными
подсистемами объекта, аналоги (в том числе и патентные).
Уже на этом этапе приступают к составлению перечня нежела
тельных эффектов, проявляющихся в работе рассматриваемого
объекта и его подсистем.
Отметим, что аналогично условности деления процесса ФСА на
семь этапов работ и последовательности их выполнения так же
условны наименование и последовательность шагов рассматривае
мого алгоритма.
Шаг 2. Основным этапом при проведении ФСА является функ
циональный анализ. При этом формулируют и классифицируют
функции объекта и его подсистем, выявляют ресурсы по функциям
и определяют взаимосвязи между функциями и их материальными
носителями.
Формулировка функций обычно состоит из двух слов: одно ука
зывает, что должен делать объект, а другое обозначает объект, на ко
торый направлено действие. Например, функция крана — подни
мать груз.
Шаг 3. При проведении анализа системы на соответствие зако
нам развития технических систем (ЗРТС) выясняют, на какой ста
дии развития по Sобразной кривой она находится. Далее проверя
ют соответствие системы другим ЗРТС и линиям развития по этим
законам. При этом выявляют основные несоответствия системы и
важнейших ее подсистем этим законам, проблемы и задачи данной
49
стадии развития. Предпринимают попытки дальнейшего развития
системы в соответствии с ЗРТС и фиксируют, какие проблемы и за
дачи при этом возникают.
Различают три вида ФСА:
– ФСАпроектирование, когда с самого начала ставят максималь
ную задачу спроектировать новую ТС взамен существующей. Этот
же вид ФСА используют при разработке новой техники, когда еще
не существует никакой системы, обеспечивающей выполнение тре
буемых функций;
– ФСАмодернизация, когда сразу вводят ограничение: принцип
действия ТС должен остаться неизменным. При этом необходимо
повысить функциональные возможности системы и снизить затра
ты на выполнение соотвествующих функций. Здесь вводят более
жесткое ограничение — принцип действия (а часто и конкретное
исполнение подсистем) должен остаться без изменения. По сути, это
ФСА отдельного элемента ТС;
– комплексный ФСА, когда ограничения остаются (нужно решить
набор конкретных задач), но также требуется дать варианты перспек
тивного выполнения ТС, т.е. провести ФСАпроектирование. Комп
лексный ФСА невозможен без разработки прогноза развития ТС.
Одним из основных результатов функционального анализа явля
ется перечень нежелательных эффектов, к которым относят:
– наличие ненужных и вредных функций;
– большое число материальных носителей, предназначенных для
выполнения лишь вспомогательных функций;
– избыточный и недостаточный ресурс по функциям;
– выполнение функции большим числом элементов;
– малое число функций, выполняемых элементом и др.
1.3.3. Качество технологического процесса
Как уже отмечалось, результатом технологического процесса в стро
ительном производстве является продукция в виде строительных кон
струкций, деталей, зданий и сооружений различного назначения.
Качество строительной продукции — один из определяющих фак
торов, влияющих на надежность и долговечность сооружений, а так
же на стоимость его строительства.
Термин «качество» имеет ряд различных толкований. Примени
тельно к продукции как результату технологического процесса тер
50
мин «качество» означает степень соответствия продукции требова
ниям потребителя.
Качество — понятие системное, поскольку оно является неотъем
лемым элементом любой системы, будь то сфера материального про
изводства или сфера услуг.
В условиях рыночной экономики качество выпускаемой продук
ции и предоставляемых услуг является одним из основных показа
телей эффективности деятельности любого предприятия. Достиже
ние высокого качества может быть обеспечено на основе создания и
внедрения систем качества.
До недавнего времени предприятия в основном ориентировались
на сертификацию продукции. Но теперь этого недостаточно, так как
изменилась психология потребителя: он хочет постоянно получать
от изготовителя продукт и услуги того качества, которое ему нужно,
и требует сертификат на систему.
В мировой экономике сформулированы единые унифицирован
ные требования к системам обеспечения качества на предприятиях,
предлагающих свою продукцию и услуги на рынке. Основное среди
этих требований — сертификация систем качества, соответствующих
стандартам ИСО 9000.
В целях повышения конкурентоспособности продукции, выпус
каемой российскими предприятиями, и предоставляемых ими
услуг Госстандарт России в 1996 г. принял на базе мировых стан
дартов российские государственные стандарты серии ГОСТ Р ИСО
9000, которые включают, например, такой стандарт, как ГОСТ Р
ИСО 9001—96 Системы качества. Модель обеспечения качества
при проектировании, разработке, производстве, монтаже и обслужи
вании.
Системы качества, разработанные на базе ИСО 9000, предусмат
ривают:
– самосовершенствование системы, которое обеспечивается про
ведением внутреннего аудита, осуществлением корректирующих и
предупреждающих действий, а также анализом ситуаций со сторо
ны руководства;
– назначение лица, ответственного за систему качества, и наде
ление его соответствующими полномочиями;
– установление документированных процедур по элементам си
стемы качества;
51
– идентификацию различных объектов: продукции, требований
к различным ресурсам, оборудованию и т.д.;
– контроль качества материалов и изготовляемой продукции на
всех стадиях производства.
Главная цель систем качества, разработанных в соответствии с тре
бованиями стандартов ИСО 9000, — это обеспечение требуемого за
казчиком качества продукции, работ и услуг и предоставление ему
гарантий предприятия обеспечить это качество. Такой гарантией
служит сертификат, выданный сертификационной организацией,
который рассматривается как свидетельство того, что на предприя
тии существует система, способная обеспечить стабильный выпуск
продукции установленного уровня качества.
Наличие сертификата на систему качества является важнейшим
показателем конкурентоспособности предприятия и дает ему воз
можности:
– иметь приоритет при получении госзаказа;
– участвовать в международных тендерах, конкурсах и выставках;
– иметь преимущества в получении инвестиций;
– уменьшить затраты на страхование качества при поставке про
дукции;
– повысить рыночную цену и расширить рынок сбыта;
– снизить затраты и сократить время на участие в обязательной
сертификации продукции.
Таким образом, для успешной работы на современном рынке
каждому субъекту хозяйственной деятельности необходимо иметь
систему качества, отвечающую требованиям стандартов ИСО 9000,
и подтверждающий это сертификат.
Для обеспечения непрерывного воздействия на качество процес
са проектирования или процесса производства строительномонтаж
ных работ, начиная от установления требуемого уровня качества и
до сдачи проекта или объекта строительства заказчику, существую
щая управленческая система дополняется функциями по управле
нию качеством и взаимосвязана с производственными процессами.
Система качества должна быть встроена в сложившуюся структу
ру производственного процесса и учитывать устойчивые технологи
ческие и производственные связи между подразделениями проект
ной или строительной организации. При разработке системы каче
ства должен быть в первую очередь формализован и описан сам про
52
изводственный (технологический) процесс. Это дает возможность
комплексно подойти к разработке системы качества и обеспечить ее
функционирование на основе четкого взаимодействия между про
изводственными и структурными подразделениями, участвующими
в процессе. Поэтому целесообразно осуществить декомпозицию про
изводственного цикла, т.е. представить его в виде отдельных подси
стем, и определить задачи, соответствующие выделенным техноло
гическим процессам.
Границы подсистемы должны быть четко установлены, посколь
ку это служит основой для определения процедур, выполняемых в
системе качества.
Для гарантии того, что в процессе проектирования или производ
ства строительномонтажных работ будет получена продукция, удов
летворяющая требованиям заказчика, международные стандарты
ИСО 9001 и ИСО 9002 предъявляют соответствующие требования
не только к производственному циклу, но и к реализации функции
управления качеством, что вызывает необходимость их анализа и
установления требований стандарта к ним.
Эффективное функционирование системы качества обеспечива
ется выполнением следующих требований: установление ответствен
ности высшего руководства, управление документацией системы
качества, управление данными о качестве, проведение внутренних
аудитов качества, использование статистических методов.
Следует различать два понятия: управление качеством и контроль
качества.
Управление качеством продукции определяется как «установление,
обеспечение и поддержание необходимого уровня качества продук
ции при ее разработке, производстве и эксплуатации или потребле
нии, осуществляемое путем систематического контроля качества и
целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие
на качество продукции».
Управление качеством — составная часть общей задачи управле
ния строительным производством, и изучается оно в курсе «Орга
низация, планирование и управление строительством».
Качество строительной продукции в виде законченных объектов
или их частей определяются качеством проекта, качеством матери
альных элементов и технических средств строительства, а также ка
чеством ведения строительномонтажных работ (СМР), т.е. каче
53
ством технологического процесса, ведущая роль в котором принад
лежит человеку.
Контроль качества продукции — составная часть управления ка
чеством, являющаяся неотъемлемой частью технологического про
цесса. Обеспечение качества СМР достигается систематическим кон
тролем выполнения каждой рабочей операции.
Внутренний контроль качества рабочих операций и технологичес
кого процесса осуществляется инженернотехническими работни
ками строительной организации.
Внешний контроль ведется заказчиком, который осуществляет тех
нический надзор, проверяя в том числе объемы выполненных работ,
а также проектной организацией, которая ведет авторский надзор и
является основной инстанцией, контролирующей соблюдение стро
ителями проектных решений и качество СМР. Представитель автор
ского надзора имеет право приостановить строительство в случае об
наружения отклонений от проекта или вскрытии дефектов в выпол
нении работ.
Рассмотрим некоторые аспекты качества в строительном произ
водстве.
Качество проекта зданий и сооружений зависит прежде всего от
проектноконструкторского решения и является мерой его соответ
ствия требованиям потребителя, касающимся функционального на
значения и архитектурной выразительности, надежности конструк
тивных решений с учетом наиболее неблагоприятных условий эксп
луатации; технологичности изготовления элементов конструкций и
простоте их монтажа.
Качество технологического процесса. Рассмотрим две разновидно
сти технологического строительного процесса: при изготовлении
строительных конструкций и деталей на заводах железобетонных
изделий и на строительной площадке.
На заводах строительной индустрии технологические операции
механизированы и автоматизированы. Поэтому большинство фун
кций контроля качества изделий осуществляют системы автомати
ки. Например, уплотнение бетонной смеси формуемого изделия,
температурный режим тепловлажностной обработки изделий в про
парочной камере и т.д. Высокое качество арматурных изделий обес
печивается станками с числовым программным управлением.
54
Качество продукции заводов железобетонных изделий зависит от
качества исходных материалов: цемента, щебня, песка и воды. Их
соответствие требованиям стандартов и технических условий про
веряют заводские лаборатории.
Для обеспечения требуемых геометрических размеров изделий
необходим тщательный контроль за техническим состоянием тех
нологического оборудования (бортоснастки, бетоноукладоч
ного агрегата и др.). Оборудование должно обеспечивать выпуск
продукции в пределах допусков, определенных нормативными до
кументами, быть надежными в эксплуатации и легкими в управ
лении.
Для определения соответствия фактических размеров готовых из
делий проектным производится выборочный контроль с использо
ванием измерительного инструмента.
Качество технологического процесса на строительной площадке
контролировать значительно труднее, чем в заводских условиях. Это
связано с рядом обстоятельств.
Технологический процесс на строительной площадке протекает,
как правило, под открытым небом и находится под воздействием
погодных условий.
Кроме того, строительные работы могут вестись на значительной
высоте, под водой и под землей.
В этих условиях одним из наиболее важных факторов качества
работ является наличие персонала, обладающего соответствующей
квалификацией.
При подборе кадров к ним необходимо предъявлять требования
в отношении таких физических данных, как зрение, сила, сноровка;
требования к производственной квалификации и знаниям (способ
ность разбираться в чертежах и технической документации).
Как правило, некачественная продукция является следствием на
рушения последовательности технологического процесса (например,
когда монтаж конструкций многоэтажных каркасных зданий опере
жает процесс омоноличивания стыков конструкций нижних этажей
или ярусов) или нарушения рабочей операции (например, непра
вильное положение электрода при ручной электродуговой сварке
приводит к «непровару» сварного шва).
Последствия нарушения качества СМР приведены в гл. 4.
55
1.3.4. Надежность технологического процесса
Надежность — это комплексное свойство системы, заключающе
еся в ее способности выполнить заданные функции, сохраняя свои
основные характеристики (при определенных условиях) в установ
ленных пределах.
Строительное производство — вероятностная система. Как и все
системы, она характеризуется определенной степенью надежности.
В ее функционировании участвуют технические средства, матери
альные элементы и трудовые ресурсы. Она находится под воздей
ствием внешней среды.
Под надежностью строительного процесса подразумевается ве
роятность того, что он в течение своего функционирования сохра
нит работоспособность.
Для определения количественных характеристик надежности
строительного процесса вначале необходимо определить надежность
каждого из трех ее элементов, которая будет различной и зависящей
от разных обстоятельств, а затем — надежность совместного функ
ционирования этих элементов.
Возможными причинами возникновения отказов в процессе фун
кционирования строительных процессов могут быть: отказы техни
ческих средств (поломки машин и механизмов), выход из строя
объектов инженерного обеспечения (энергосетей, водоснабжения);
несоблюдение норм эксплуатации технических средств; нарушение
длительности технологических процессов и операций; некомплект
ность поставки строительных материалов и изделий, а также нару
шение сроков их поставок; непредвиденные работы; простой изза
природноклиматических и погодных условий (мороз, метель, голо
лед, ливень, ветер); отсутствие рабочих требуемой специальности и
квалификации и т.д.
Количественная оценка надежности элементов процесса состоит
из сбора и накопления информации по возникновению отказов и
затрат времени на восстановление нормальной работы элемента.
На основе собранной информации рассчитывают частные и ком
плексные показатели, характеризующие количественную оценку на
дежности строительных процессов.
Наиболее обобщающим показателем надежности следует считать
коэффициент готовности как отношение времени безотказной ра
боты элемента ко всему периоду работы.
56
Для элементов строительного процесса коэффициент готовнос
ти по среднестатистическим значениям наработки на отказ находится
в следующих пределах: для технических средств 0,86…0,92, для ма
териальных элементов 0,80…0,85, для трудовых ресурсов 0,78…0,83.
После установления количественных характеристик надежности
элементов определяют надежность всего строительного процесса. При
полном совмещении зависимых событий, т.е. периоде совместной
работы элементов во времени, выход из строя одного из них приво
дит к остановке процесса. Надежность процесса равна произведению
надежности всех элементов: N = NтсNмэNтр, где Nтс, Nмэ и Nтр — на
дежность технических средств, материальных элементов и трудовых
ресурсов соответственно.
При частичном совмещении зависимых событий, когда в процессе
участвуют два элемента, например материальные элементы и трудо
вые ресурсы, надежность процесса равна произведению надежнос
ти этих двух элементов, т.е. N = NмэNтр.
1.3.5. Технологическое проектирование
Технологическое проектирование может быть двух видов:
– разработка ППР, основанная на использовании типовых тех
нологических схем и решений, действующих нормативных докумен
тов и с учетом конкретных условий строительства. В этом случае ППР
может разрабатываться подрядной строительной организацией или
по ее заказу специализированной фирмой;
– разработка новых технологий и технологических операций,
включая коренное совершенствование и изменение производствен
ных процессов. Такое технологическое проектирование выполняют,
как правило, научноисследовательские и проектноконструктор
ские организации.
В результате такого технологического проектирования создают
новые технологические карты.
Технологическая карта — это документ, устанавливающий рациональ
ную технологию производства работ, часто повторяющегося вида СМР.
Целью технологического проектирования является разработка оп
тимальных технологических и организационных условий для выпол
нения строительных процессов, обеспечивающих выпуск строитель
ной продукции в намеченные сроки при минимальном использова
нии всех видов ресурсов.
57
Технологические карты являются основной составной частью про
екта производства работ и разрабатывают их с целью обеспечения
строительства решениями по организации и технологии производ
ства работ, способствующими повышению производительности тру
да, улучшению качества и снижению себестоимости СМР.
Технологические карты разрабатываются на строительные про
цессы, результатом которых являются законченные конструктивные
элементы, а также части здания или сооружения.
В технологической карте приводятся:
– указания по подготовке объекта и требования к готовности
предшествующих работ и строительных конструкций, обеспечива
ющие необходимый и достаточный фронт работ для выполнения
строительного процесса, предусмотренного картой;
– эскизы конструктивных частей здания (сооружения), где вы
полняются работы; схемы организации строительной площадки и ра
бочей зоны на время производства данного вида работ с указанием
всех основных размеров и мест размещения строительных машин,
механизированных установок, погрузоразгрузочных устройств,
складов основных материалов, изделий и конструкций, подъездных
путей, сетей временного энерго и водоснабжения, необходимых для
производства работ;
– указания по запасу конструкций, изделий и материалов на стро
ительной площадке и в рабочей зоне;
– методы и последовательность производства работ, разбивка зда
ния на захватки, участки и ярусы, способы транспортирования ма
териалов и конструкций к рабочим местам; типы применяемых под
мостей, приспособлений и монтажной оснастки;
– профессиональный и количественноквалификационный со
став строительных подразделений (бригад, звеньев и др.) с учетом
совмещения профессий рабочих;
– график выполнения работ и калькуляция трудовых затрат.
В технологической карте даются:
– указания по привязке карт трудовых процессов, предусматри
вающих рациональную организацию, методы и приемы труда рабо
чих по выполнению отдельных рабочих процессов и операций, вхо
дящих в комплексный строительный процесс, предусмотренный тех
нологической картой;
58
– указания по осуществлению контроля и оценке качества работ,
включающие допуски в соответствии с требованиями строительных
норм, правил (стандартов) и рабочего проекта; схемы операционно
го контроля качества работ, включающие перечень контролируемых
операций, состав, сроки и способы контроля; перечень скрытых ра
бот, на которые должны составляться акты их освидетельствования
в процессе строительства;
– решения по технике безопасности и пожаро, взрывобезопас
ности, требующие специальной разработки (расчетов и обоснований).
Привязка типовой технологической карты к конкретным проект
ным решениям объекта и условиям строительства состоит в уточне
нии объемов работ, средств механизации, потребности в трудовых и
материальнотехнических ресурсах, а также схем организации стро
ительного процесса.
Карты трудовых процессов разрабатываются с целью широкого
внедрения в строительном производстве высокопроизводительных
методов и рациональных форм организации труда.
Карта трудового процесса содержит разделы: «Область и эффек
тивность применения карты»; «Подготовка и условия выполнения
процесса»; «Исполнители, предметы и орудия труда»; «Технология
процесса и организация труда».
1.4. Техническое нормирование. Норма времени и норма
выработки. Единые нормы и расценки
Техническое нормирование представляет собой систему определения
расхода производственных ресурсов, позволяющую определять нор
мы затрат труда и расхода материалов для изготовления единицы про
дукции на основе изучения и анализа технологического процесса по
операциям. При этом разрабатывают рациональный состав работ, со
ответствующий уровню развития техники и организации производства.
Техническое нормирование является одним из необходимых
условий роста производительности труда, экономии материально
технических и финансовых ресурсов. В настоящее время роль тех
нического нормирования возросла, так как преимущества внедре
ния появившейся новой техники (в том числе и зарубежной), при
менения более совершенной технологии могут быть полностью реа
лизованы только при точном определении затрат рабочего времени.
59
Установлены два метода проектирования норм: расчетноиссле
довательский и расчетноаналитический. Они определены как ос
новные Методическими рекомендациями по проектированию и про
верке технически обоснованных норм времени в дорожном хозяй
стве, которые разработаны на основе Руководства по техническому
нормированию труда рабочих в строительстве.
Расчетно исследовательский метод основан на использовании
данных, получаемых в результате проведения специальных норма
тивных исследований (замеров, фотохронометрирования и т.д.).
Расчетно аналитический метод базируется на использовании
имеющихся нормативных и технических данных и предполагает про
ектирование норм на основе применения расчетных формул, нор
мативов затрат труда и метода аналогии.
В рамках этих методов различают техническое нормирование тру
да и техническое нормирование расхода материалов.
Сущность технического нормирования труда в строительстве состо
ит в исследовании затрат времени с целью проектирования и разра
ботки производственных норм, разработки и внедрения мероприятий
по улучшению использования строительных машин и рабочего време
ни; улучшения методов организации труда при выполнении СМР.
Основными методами проведения нормативных наблюдений в стро
ительстве в рамках расчетноисследовательского метода, как уже отме
чалось, являются фотоучет, хронометраж (для исследования циклич
ных элементов строительномонтажных процессов) и технический учет.
При фотоучете и хронометраже строительный процесс расчленяют
на элементы, а расход времени учитывают с обязательной фиксацией
факторов, влияющих на продолжительность или трудоемкость выпол
нения этих элементов. Степень детализации такого расчленения раз
лична. Так, при изучении передовых методов труда вычленяют рабочие
приемы, в случае необходимости — отдельные движения, при проек
тировании норм вычленяют рабочие операции. Расход времени изуча
ют раздельно по отношению к рабочим и строительным машинам.
Технический учет используют для определения уровня выполне
ния норм. С этой целью затраты времени рабочих и время использо
вания машин делят на две категории: нормированные (регламенти
рованные) и ненормированные (нерегламентированные). Техничес
ки обоснованные нормы учитывают только нормированные категории
затрат времени. Это затраты времени на выполнение оперативной и
подготовительнозаключительной работы, а также регламентирован
60
ные перерывы. Именно в соответствии с таким подходом определя
ют основные характеристики в системе технического нормирова
ния — норма времени и норма выработки.
Норма времени — это время, необходимое для производства еди
ницы доброкачественной продукции рабочими соответствующей
профессии и квалификации в условиях правильной организации тру
да и производства. Профессии строителей определяются видом вы
полняемой работы.
Квалификация рабочего определяет уровень знаний, наличие прак
тических навыков, степень владения эффективными приемами ра
боты. Она закрепляется присвоением ему разряда по шестиразряд
ной тарифной сетке, в соответствии с которым устанавливают та
рифные ставки — абсолютный размер оплаты труда за единицу отра
ботанного времени. Они определяются принятыми в конкретной
строительной организации формой и системой оплаты труда, изуча
емыми в курсе экономики строительства. Норма времени, опреде
ляющая время участия рабочих в изготовлении единицы продукции,
называется нормой времени рабочих. Соответственно норма времени,
устанавливающая время использования машины, называется нормой
времени машины.
В техническом нормировании труда в строительстве нормы вре
мени принято рассчитывать в условных единицах — человекочасах
(чел.ч) на единицу измерения.
Количество человекочасов, которое в общем случае определяется
как произведение численности рабочих (чел.) на отработанное ими вре
мя (час), называют трудоемкостью. Таким образом, человекочас —
это единица трудоемкости, которая определяется следующим образом:
T = t ⋅ n,
(1.11)
где t — затраченное на выполнение работы время, ч;
n — число работающих, чел.
При известной норме времени трудоемкость можно подсчитать как
произведение объема произведенной продукции на норму времени:
T = V ⋅ Hвр,
(1.12)
где V — объем продукции;
Hвр — норма времени, чел.ч.
В нормах времени рабочих работа по заданию включает время опе
ративной (основной и вспомогательной), подготовительнозаклю
чительной работы, перерывов.
61
В нормах времени машины работа по заданию включает время ра
боты с полной и неполной (неустранимой в данных условиях) на
грузкой, а также работы вхолостую; регламентированные (норми
рованные) перерывы.
К последним относятся технологические, по уходу за машиной,
на отдых, необходимый для восстановления сил рабочему в процес
се работы, а также время, затрачиваемое на личные надобности. Вре
мя обеденного перерыва не входит в рабочее время и в норму време
ни не включается.
Как уже отмечалось, в технически обоснованную норму не вклю
чаются потери рабочего времени, которые составляют нерегламен
тированные (ненормированные) перерывы. К их числу относятся про
стои, которые возникают вследствие разных причин, основными из
которых являются:
– несовершенная организация производства (неподготовлен
ность фронта работ, перебои в поставках материалов, неисправность
орудий труда и т.п.);
– нарушения трудовой дисциплины (опоздания, невыходы на ра
боту, самовольное оставление рабочих мест и т.п.);
– случайные причины (поломки машин, неблагоприятные погод
ные условия и др.).
К числу нерегламентированных (ненормированных) перерывов
относится, кроме того, так называемая лишняя работа, включающая
операции, не предусмотренные рациональной технологией либо вы
званные необходимостью исправления брака.
Если работа выполняется несколькими рабочими (звеном), то
норма времени включает суммарную затрату рабочего времени, не
обходимого для выработки единицы продукции. Например, на вып
равку и рихтовку одного километра незабалластированного пути зве
ном рабочих при рабочем движении поездов нормами времени пре
дусматривается 310 чел.ч.
С нормой времени связаны нормы затрат труда, нормы выработ
ки рабочих и нормы производительности машин.
Норма затрат труда — это количество затрат труда, установленное
на выполнение единицы продукции рабочими соответствующей про
фессии и квалификации в условиях рациональной организации труда.
Зная норму времени на единицу работы, можно определить нор
му выработки — количество доброкачественной продукции, которое
62
должно быть произведено за единицу времени рабочим или звеном
соответствующей специальности и квалификации (разряда) в усло
виях правильной организации труда.
Ее принято рассчитывать в единицах измерения, соответствую
щих принятому для данной работы измерителю, за смену. Например,
если норма времени на сболчивание рельсовых стыков дается на 1 км
пути, то норма выработки выражается в километрах. Величина ее
определяется как частное от деления произведения продолжитель
ности рабочего дня и числа рабочих в звене на норму времени:
Н выр =
t ⋅n
,
H вр
где t — продолжительность рабочего дня (смены), ч;
n — число рабочих в звене, чел.
Так, норма времени на сболчивание рельсовых стыков на четыре
болта, выполняемое одним рабочим, составляет 15 чел.ч на 1 км
пути. При 7часовом рабочем дне норма выработки составит
Н выр =
7 ⋅1
= 0,47 км.
15
Произведение нормы времени на тарифную ставку рабочего по
зволяет получить еще одну нормативную характеристику — расцен
ку, т.е. размер оплаты за единицу работы. На ее основе производят
начисление заработной платы.
Общие сведения о нормотворчестве
Разработка технически обоснованных производственных норм
для строительства велась в СССР начиная с 1925 г. Их роль в реше
нии технологических вопросов всегда была очень существенной.
Основными носителями нормативной информации производствен
ного уровня служили ЕНиР — Единые нормы и расценки на строитель
ные, монтажные и ремонтностроительные работы (последнее издание
Госстроя СССР 1988 г.) и ОПНРМ — Общие производственные нормы
расхода материалов в строительстве (издание Минстроя СССР 1986 г.).
Дополнительно к единым и общим производственным нормам
были разработаны ведомственные (ВНиР) и местные (МНиР) нор
мы и расценки. Общее число производственных нормативов в со
ветской системе нормирования ресурсов в строительстве составля
ло более 100 тысяч.
63
В 2002 г. был принят Федеральный закон № 184 «О техническом
регулировании», основными задачами которого являются гармони
зация российского подхода к процессу нормирования и стандарти
зация его с зарубежным. В соответствии с этим законом существую
щие и разрабатываемые нормативные документы носят рекоменда
тельный характер.
Нужно отметить, что система нормирования ресурсов в строитель
стве, созданная для централизованной советской плановой эконо
мики, с незначительными изменениями действует до настоящего вре
мени. В частности, Минтрансом России к применению рекоменду
ются следующие категории норм на строительные, монтажные и ре
монтностроительные работы:
– единые (Е);
– ведомственные (В);
– типовые (Т);
– индивидуальные (И).
Единые, ведомственные и типовые нормы являются технически обо
снованными и разрабатываются в централизованном порядке.
Индивидуальные нормы, которые разрабатывают и утверждают
сами организации и предприятия по согласованию с комитетом
профсоюза, также должны быть технически обоснованными. Инди
видуальные нормы разрабатывают на производственные процессы,
которые отсутствуют в единых, ведомственных и типовых нормах и
могут применяться только в организации, утвердившей их.
Нормативы производственного уровня разрабатывают методами
технического нормирования, которые уже описаны, обеспечены про
фессиональными методиками и имеют многолетний опыт практи
ческого применения.
Рассмотрим более подробно структуру и состав норм, которые
были разработаны в период плановой советской экономики и ис
пользуются в настоящее время.
Единые нормы времени и расценки на строительные, монтажные и
ремонтностроительные работы (ЕНиР) подготавливались специаль
ными нормативными организациями и выступали обязательными
для всех строительных организаций. В настоящее время действуют
ЕНиР, разработанные и утвержденные Госстроем СССР в 1988 г. Они
охватывают около 65 % выполняемых СМР, состоят из 71 сборника,
которые содержат около 66 тыс. норм. Около 25 % видов работ, пре
64
имущественно специальных, нормируются и оплачиваются по Ве
домственным нормам и расценкам (ВНиР), утверждаемым соответству
ющими министерствами по согласованию с отраслевым комитетом
профсоюзов. ВНиР, разработанные в советское время, состоят из
46 сборников, включающих около 42 тыс. норм. Приблизительно
10 % работ из числа не охваченных ЕНиР и ВНиР, нормируются Ме
стными нормами и расценками (МНиР), которые утверждают руково
дители строительных организаций по согласованию с местными
профсоюзными организациями.
Кроме того, на работы, не охваченные ЕНиР и ВНиР, разработа
ны Типовые нормы и расценки (ТНиР) и Укрупненные комплексные нор
мы и расценки (УКН).
Каждый параграф ЕНиР обозначается буквенноцифровым шиф
ром, состоящим из буквы «Е», номера сборника и номера параграфа
в этом сборнике. Например, запись «§Е167» обозначает §7 в сбор
нике 16 «Сооружение верхнего строения железнодорожных путей
широкой колеи». В параграфах этого сборника (как и других), как
правило, приводятся:
– краткая характеристика машин (для механизированных про
цессов); например, на страницах 11—12 дана характеристика погру
зочных козловых двухконсольных самомонтирующихся и самоход
ных кранов на железнодорожном ходу;
– краткие указания по производству работ для отдельных слож
ных строительных процессов или новых видов работ; например, в
§Е167 на стр. 43 даны указания по производству работ, связанных с
погрузкой звеньев на подвижной состав;
– состав работ, в котором перечисляются основные операции,
предусмотренные нормами; например, в §Е1612 на стр. 75 приво
дится таблица норм времени и расценок на 1 км пути, в вертикаль
ной графе которой под рубрикой «Наименование и состав работ»
перечислены основные операции, выполняемые при демонтаже
рельсошпальной решетки укладочным краном УК25/9;
– расчетные составы звеньев (численность рабочих и их разряды);
– нормы времени (Н.вр.) и расценки (Расц.), которые даны в виде
дроби (в числителе — Н.вр., в знаменателе — Расц.) или раздельно в
смежных графах.
Кроме перечисленных данных, в ЕНиР имеются примечания и
поправочные коэффициенты. Например, при производстве строи
65
тельных, монтажных и ремонтностроительных работ в зимних ус
ловиях на открытом воздухе и в необогреваемых помещениях к нор
мам времени и расценкам применяют усредненные коэффициенты,
приведенные в приложении к общей части ЕНиР. Наличие тех или
иных условий производства работ и величину поправочных коэф
фициентов устанавливают в каждом отдельном случае актом, утвер
ждаемым руководителем строительной организации, выполняющей
строительные работы, по согласованию с комитетом профсоюза.
Едиными нормами и расценками учтено и отдельно не оплачива
ется (за исключением особо оговоренных случаев) время, затрачи
ваемое рабочими на:
– подготовку рабочего места и приведение его в порядок в конце
смены;
– получение материалов из приобъектных складов;
– получение и подноску к месту работ инструментов и мелких
приспособлений со сдачей их после окончания работ;
– переходы в пределах одного объекта, связанные с переменой
рабочих мест;
– заправку и заточку инструментов в процессе работы;
– содержание в порядке приспособлений и машин, включая кре
пежный ремонт;
– получение заданий и сдачу выполненных работ мастеру или
производителю работ;
– перемещение материала на расстояния, указанные в соответ
ствующих вводных или технических частях сборников и глав ЕНиР
или текстах параграфов;
– периодический отдых рабочих в течение рабочей смены.
Таким образом, в результате технического нормирования устанав
ливают все важнейшие показатели ведения данного процесса, т.е. вза
имосвязанные норма времени (или норма выработки), расценка,
состав звена по численности и разрядам рабочих, средства механи
зации работ и другие показатели, которым соответствуют установ
ленные нормы.
Комплекс характеристик и условий производства, для которых вы
водят нормы, составляет нормаль производственного процесса. В норма
ли отражают типичный ход строительного процесса, и норму выводят,
принимая во внимание лишь неизбежные, обусловленные технологи
ческой или физиологической необходимостью перерывы в работе.
66
Качество проектирования норм во многом зависит от правиль
ного установления нормали трудового процесса, которая является
составной частью нормы, эталоном для выбора объекта норматив
ных наблюдений. Нормаль процесса должна устанавливаться с уче
том того, чтобы:
– организация труда и производства соответствовала современ
ному уровню техники и технологии производственного процесса;
– полностью и эффективно использовались применяемые маши
ны и механизмы;
– материалы, изделия и детали отвечали требованиям действующих
нормативных документов, местных или районных технических усло
вий на производство и приемку работ и технологии данного процесса;
– полностью соблюдались правила охраны труда;
– состав работ содержал полную номенклатуру рабочих опера
ций процесса;
– обеспечивалось производство доброкачественной продукции;
– квалификация рабочих, как правило, соответствовала требова
ниям тарифноквалификационного справочника для выполнения
исследуемых работ;
– главный измеритель производственного процесса был понят
ным для рабочих и не требовал сложных расчетов при выдаче зада
ний или обмере выполненных работ.
После проведения нормативных наблюдений производится ана
лиз затрат рабочего времени по элементам процесса и определение
этого времени по всему процессу в целом. Приведение затрат рабо
чего времени по элементам к главному измерителю процесса и по
следующее суммирование этих затрат называется синтезом норм.
Если измерители продукции по элементам процесса не совпада
ют с главным измерителем, то затраты времени по этим элементам
умножают на коэффициент перехода Кп. Так называется число, по
казывающее, какое количество единиц продукции в измерителе эле
мента содержится в единице продукции, выраженной в главном из
мерителе всего рабочего процесса.
В ЕНиР приводится состав работ по каждой нормали. Норма от
носится на измеритель, удобный для производственных расчетов, на
пример при выполнении механизированных земляных работ — на
100 м3 грунта по обмеру в плотном состоянии. Объем V в формуле (1.12)
выражается числом соответствующих измерителей, для определения
67
которого подлежащее выполнению количество, например общий
объем разрабатываемого грунта, делится на величину измерителя.
Подсчитав по формуле (1.12) трудоемкость и зная нормативное число
исполнителей n, можно из формулы (1.11) определить время, необхо
димое для выполнения данной работы. Если оно превышает установ
ленный (договорной или директивный) срок, то ресурсы, определен
ные нормалью, увеличивают кратно нормативным значениям.
Техническое нормирование расхода материалов в строительстве
представляет собой исследование расхода материалов для проекти
рования соответствующих производственных норм. Они включают
трудно устранимые потери и отходы строительных материалов, об
разующиеся в пределах строящегося объекта:
– при транспортировании материалов от приобъектного склада
до рабочего места;
– в процессе производства;
– при обработке материалов перед укладкой в конструкцию.
По мере совершенствования технологии эти нормы периодичес
ки пересматриваются.
Современное состояние нормотворчества
Научнотехнический прогресс в строительстве, смена экономико
правовых форм хозяйствования требуют систематического совершен
ствования и корректировки нормативной базы. Ее эффективность во
многом определяется совершенствованием информационного обес
печения, которое должно постоянно обновляться и заноситься в спе
циально создаваемые единые базы и банки данных в масштабах от
расли. Такой подход позволит преодолеть накопившуюся за много лет
противоречивость и нестыкуемость нормативных источников. Каче
ство нормативного обеспечения в современных условиях позволяет
обеспечить новые информационные технологии, создание информа
ционнотелекоммуникационных систем всех министерств и ведомств.
Рыночные отношения изменили отношение строителей к внедре
нию новых технологий и средств механизации в производство, по
скольку оно позволяет повышать рыночную стоимость строитель
ной продукции и получать дополнительную прибыль. Современная
информационная среда позволяет поновому решать проблемы уче
та нововведений в строительном нормативном обеспечении и по
ставлять всем участникам нормотворческого процесса самую по
следнюю информацию о достижениях науки и техники.
68
В рыночных условиях многие важнейшие элементы админист
ративной системы нормирования в строительстве не работают.
Становится невозможным в рамках старых административных пра
вил полноценно использовать основные принципы рыночного хо
зяйствования: мониторинг рыночных цен; оптимальное планиро
вание затрат; учет конъюнктуры рынка труда, машин и материа
лов; прогнозирование издержек жизненного цикла объекта инве
стиций.
Имеет место исключение из делового оборота части действующих
производственных норм на строительные процессы. Это происхо
дит в результате внедрения зарубежной практики и широкого при
менения новейших технологий, материалов, оборудования, совре
менных требований к качеству, срокам строительства и окупаемости
капитальных вложений.
Часть производственных позиций ЕНиР не востребована ввиду
отсутствия в них показателей расхода новых строительных материа
лов, расчеты с рабочими в строительстве выполняются не по наря
дам разрядной сетки 1987 г., а по другим системам и критериям опла
ты труда. Однако некоторые положения и понятия старого порядка
нормирования предполагается сохранить и в новой системе, придав
им новое содержание и современное наполнение, в частности:
– сохраняется иерархическая структура системы нормативной
информации;
– применяются принципы поэтапного агрегирования результа
тов нормирования;
– остаются без изменения границы и области применения норм
для разных уровней планирования и управления;
– сохраняют значение некоторые ограничения и отраслевые ус
ловия применения норм.
Отличительной особенностью новых условий нормативной рабо
ты в строительстве является отсутствие профессиональных органи
зационных структур, которые ранее разрабатывали все виды строи
тельных норм, нормативов и цен на основе единых директивных ука
заний административных органов власти и управления экономикой
в СССР. Это были многочисленные отраслевые институты, проект
носметные бюро, нормативные станции, которые вели сбор и об
работку исходной информации для нормирования ресурсов и обес
печивали эту работу в короткие сроки и в единообразной форме.
69
Общая структура и принципы построения современной системы
норм и нормативов следующие:
по уровням планирования и управления:
– элементные сметные нормы, единичные расценки (ЭСН, ЕР);
– средние сметные нормы и расценки (СНиР);
– укрупненные сметные нормы и расценки (УНиР);
– объектные (удельные) показатели стоимости (ОПС, УПС);
по виду нормативных показателей:
– нормы расхода основных ресурсов;
– расценки прямых и общих сметных затрат;
– текущие (и базисные) цены и тарифы на ресурсы;
– относительные коэффициенты потребности для прочих и кос
венных затрат строительства;
– текущие коэффициенты (индексы) изменения цен;
– прогнозируемые коэффициенты пересчета текущих цен;
по методам определения норм:
– опытностатистический;
– расчетноаналитический;
– экспертный;
– модели формирования нормы и нормативов;
– независимый рыночный мониторинг;
– профессиональное калькулирование;
– административное регулирование;
– коммерческое редактирование.
Существенным элементом при создании современной системы
нормирования является замена базовых показателей. Вместо уста
ревающих производственных норм ЕНиР начальный уровень сис
темы занимают элементные сметные нормы (ЭСН), территориаль
ные (ТЕР) и фирменные (ФЕР) единичные расценки, реформируе
мые как сметнопроизводственные нормативы.
Несоответствие производственных нормативов, содержащихся в
ЕНиР 1987 г., современным рыночным требованиям и методологи
ческая невозможность их пересмотра или адаптации к новым усло
виям предопределяют замещение в системе нормирования старых
производственных норм новыми показателями. В связи с этим про
гнозируются направления реформирования и описание основных ха
рактеристик будущей системы рыночного нормирования в строи
тельстве (табл. 1.3).
70
Таблица 1.3
Характеристики системы рыночного нормирования в строительстве
71
Глава 2. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ
2.1. Состав подготовительных работ
В настоящее время в связи с усложнением финансирования же
лезнодорожного строительства особое внимание уделяют подготови
тельным работам. Принята единая система подготовки строительно
го производства — это комплекс взаимоувязанных подготовитель
ных мероприятий плановоэкономического, организационного, тех
нического, технологического характера, обеспечивающих возмож
ность развертывания и осуществления строительства объектов для
своевременного ввода их в эксплуатацию. Единая система подготов
ки строительного производства обеспечивается единством термино
логии, составом задач и мероприятий, порядком разработки и уни
фикацией форм технической документации, правил действия испол
нителей, нормативов по строительству (СНиП). Единая система под
готовки строительного производства подразделяется на четыре этапа:
общая подготовка строительного производства, подготовка стро
ительной организации, подготовка к строительству объекта, подго
товка к производству строительномонтажных работ. Общая подго
товка строительного производства включает совокупность работ по
анализу и заключению договора подряда между участниками стро
ительства и связанное с этим оформление и предоставление комп
лекта документов заказчиком: определение взаимоотношений и
обязательств по устройству временной строительной инфраструкту
ры и создание условий для работоспособности строительных орга
низаций.
Подготовка к строительству объекта предусматривает изучение
инженернотехническими работниками подрядных организаций
проектносметной документации и условий строительства; разра
ботку проектов производства работ на вне и внутриплощадочные
подготовительные работы и выполнение этих работ. Изучение до
кументации, ее анализ позволяют усилить роль подрядной органи
72
зации в совершенствовании проектных решений, снижении смет
ной стоимости, экономии трудовых и материальных затрат, сокра
щении продолжительности строительства. Разработка проекта про
изводства работ на вне и внутриплощадочные подготовительные
работы основана на материалах проекта организации строительства,
с одновременным анализом и выявлением его соответствия согла
сованным ранее техническим условиям, составу и содержанию ра
бот, местным условиям, обоснованию продолжительности периода
строительства и т.п.
Подготовка к строительству сложных и уникальных объектов
включает работы по организации режимных наблюдений (сейсмо
метрических, гидрогеологических, геохимических, геодезических,
маркшейдерских, метеорологических, тензометрических, гляциоло
гических, мерзлотных и др.) по специальным программам. Оконча
ние вне и внутриплощадочных подготовительных работ фиксируют
актом. Подготовка к производству СМР включает разработку проек
та производства работ; приемку на местности знаков геодезической
разбивки по частям зданий (сооружений) и видам работ; разработку
и осуществление мероприятий по организации труда и обеспечению
бригад картами трудовых процессов; обеспечение инструментально
го хозяйства средствами малой механизации, инструментом, техно
логической оснасткой, нормокомплектами; оборудование площадок
и стендов для укрупнительной сборки изделий и конструкций; пере
базировку строительных машин и установок.
Подготовка строительной организации к выполнению производ
ственной программы сводится к разработке следующих документов:
годовой производственноэкономический план (стройплан) строи
тельной организации; оперативнопроизводственные планы; проект
организации работ.
В подготовительный период заказчик обязан создать геодезичес
кую разбивочную основу для строительства железной дороги и в те
чение декады до начала СМР передать подрядчику техническую до
кументацию на нее и закрепленные на местности пункты и знаки
этой основы. К технической подготовке относятся дополнительные
геологические, гидрогеологические, гидрометрические и климати
ческие обследования района строительства, проводимые проектны
ми организациями с целью уточнения данных, необходимых при
разработке рабочих чертежей.
73
Строительные организации проводят тщательное изучение тех
нической документации и вносят в нее в случае необходимости улуч
шения и исправления (по согласованию с проектной организацией
и утверждающей инстанцией). Строительные организации проводят
также разбивку и закрепление трассы с выполнением в необходи
мых случаях дополнительных съемок; составляют проекты произ
водства работ, проводят привязку к местности типовых проектов, ма
териальных, звеносборочных, комплектовочных и других баз, при
трассовых предприятий строительной индустрии, подъездных путей
и других временных сооружений.
После окончательной корректировки продольного профиля же
лезной дороги, а также восстановления и закрепления трассы на ме
стности производят отвод земель, необходимых для сооружения же
лезной дороги.
Начало подготовительных работ разрешается лишь после офор
мления отвода земель. На отвод земель должно быть получено со
гласие местных органов власти или других организаций, которым
принадлежит право пользования этими землями.
Ширину полосы отвода назначают с расчетом обеспечения рас
положения в ее пределах всех сооружений дороги — земляного по
лотна с водоотводными канавами, снего и пескозащитных уст
ройств, кавальеров, резервов, линий связи, автоблокировки, зданий,
устройств водоснабжения и канализации с учетом перспективы раз
вития их на десять лет. Одновременно должны быть учтены площа
ди, необходимые для расположения станций, разъездов, строитель
ных базовых поселков, баз, притрассовых производственных пред
приятий и др.
На перегонах ширина полосы отвода должна соответствовать по
перечным профилям земляного полотна строящегося пути с учетом
постройки в будущем второго пути.
В подготовительный период осуществляют передислокацию в
район строительства дороги строительных организаций (механизи
рованных колонн, мостостроительных, строительномонтажных и
др.), обеспечивают кадрами, средствами механизации, транспортом
и оборудованием.
К производственной и хозяйственной подготовке относятся сле
дующие работы: подготовка полосы отвода (рубка леса, корчевка
пней, снос и перенос существующих строений, линий связи и ком
74
муникаций); в необходимых случаях предварительное осушение тер
ритории; постройка притрассовых и подъездных автомобильных до
рог, диспетчерской строительной связи, индустриальных и ремонт
ных предприятий, звеносборочных баз, складов, гаражей, времен
ных обустройств энерго, тепло и водоснабжения; постройка базо
вых поселков, необходимых для нужд строительства и возводимых с
учетом использования постоянных (предусмотренных проектом) и
арендуемых зданий.
Постройка дорог, линий строительной связи и энергоснабжения,
производственных, жилых и других временных помещений на пун
ктах примыкания строящейся дороги к действующим путям сооб
щения и на головных ее участках, а также подготовительные работы,
выполняемые для обеспечения первоочередных работ, должны быть
закончены в подготовительный период строительства.
Подготовительные работы на участках, удаленных от пунктов при
мыкания, могут выполняться в основной период строительства, но
с таким расчетом, чтобы к началу основных строительных и мон
тажных работ на этих участках требуемая подготовка к ним была за
кончена.
2.2. Устройство полосы отвода
Отвод полосы земли необходим для сооружения железной доро
ги и размещения производственных ее предприятий (карьеров, за
водов и др.) в размерах, обоснованных их проектами.
Работа эта делится на два этапа: определение ширины полосы от
вода (с составлением ведомости полосы отвода) и фактический от
вод земли, т.е. изъятие ее из ведения колхозов и совхозов для нужд
железной дороги. Начало строительных работ разрешается лишь
после оформления отвода земель. На отвод земель должно быть по
лучено предварительно согласие местного управления, а затем этот
вопрос согласовывают с местными организациями.
Ширина полосы отвода на перегонах должна быть не менее 24 м,
причем расстояние от полевых бровок канав, резервов и кавальеров
до границы полосы отвода должно быть не менее 2 м, в исключи
тельных случаях — не менее 1 м.
В местах расположения линейных путевых зданий граница поло
сы отвода должна отстоять на 2 м от границы усадьбы здания. На
станциях и разъездах ширина полосы отвода определяется располо
75
жением всех технических, служебных, жилых и прочих зданий со
службами и водоотводной станционной канавой. Расстояние от оси
крайнего пути станции (разъезда, обгонного пункта) до границы по
лосы отвода должно быть не менее 10 м.
Ширина полосы отвода в местах, подверженных снежным заносам,
определяется на основании опытных данных эксплуатации дорог.
В местах, подверженных песчаным заносам, ширина полосы от
вода определяется с расчетом обеспечения существующего укрепле
ния песков растительностью и установки специальных щитов. В этих
случаях ширину полосы отвода устанавливают в зависимости от ха
рактера песков и направления ветра.
В пределах городов, населенных пунктов, рудников, карьеров, а
также в местностях, занятых посадками ценных многолетних куль
тур (фруктовые сады, виноградники, цитрусовые плантации и др.),
ширину полосы отвода уменьшают до 16 м.
План полосы отвода земель для станций и железнодорожных ли
ний в городах и крупных населенных пунктах должен быть согласо
ван с местными организациями. После определения в каждой точке
линии необходимой ширины полосы отвода составляют ее схемати
ческий план.
После составления схематического плана полосы отвода и утвер
ждения ее в установленном порядке выполняют детальную съемку
плана отводимой территории и закрепление полосы отвода на мест
ности установкой специальных граничных знаков. Граничные зна
ки устанавливают через 250 м на прямых участках пути и через 0,1R
на кривых при радиусах кривой R = 600 м и более. На кривых участ
ках пути радиусом менее 600 м граничные знаки должны устанавли
ваться через каждые 50 м.
При определении ширины полосы отвода ориентируются на Ин
струкцию о нормах и порядке отвода земель для железных дорог и
использовании полосы отвода.
Установку в натуре граничных знаков выполняет заказчик после
оформления отвода земель в установленном порядке.
Расчистку полосы отвода от леса ведут специализированные бри
гады.
На перегонах делают сплошную вырубку леса на ширину, преду
смотренную проектом.
76
На станциях и раздельных пунктах вырубку леса следует выпол
нять лишь отдельными участками на площадках, предназначенных
под укладку станционных путей, застройку зданиями, прокладку
дорог на площадях, используемых для навалочных грузов, обеспе
чивая максимально возможное сохранение леса.
Вне пределов сплошной вырубки леса удаляют деревья, которые
могут упасть на путь или повредить линии связи, автоблокировки,
энергоснабжения, а также деревья, ухудшающие видимость сигна
лов и переездов.
Под насыпями пни корчуют при высоте насыпи до 1 м, причем
ямы изпод пней в основании насыпей должны быть засыпаны грун
том, однородным с грунтом насыпи, с тщательным трамбованием.
При высоте насыпи от 1 до 2,5 м корчевка пней не обязательна, но
они должны быть срезаны на уровне земли. При высоте насыпи бо
лее 2,5 м пни высотой не более 20 см могут быть оставлены в теле
насыпи.
Необходимость корчевки пней на площади расположения вы
емок и в резервах устанавливают в зависимости от способов разра
ботки грунта. При разработке грунта скреперами, грейдерэлевато
рами, бульдозерами, скребковыми ковшами экскаватора, а также
прямыми лопатами с ковшами емкостью менее 0,5 м3 пни должны
быть выкорчеваны. При разработке грунта экскаваторами — прямы
ми лопатами с ковшами емкостью более 0,5 м3 корчевка пней не тре
буется.
В районах вечной мерзлоты во избежание образований термокар
ста необходимо стремиться к сохранению торфомохового покры
тия, поэтому корчевку пней не делают. Полоса сохранения торфо
мохового покрова по обе стороны пути должна быть не менее 200 м.
Целесообразно работы по расчистке трассы на марях и посадочных
грунтах выполнять в зимнее время.
Одним из важнейших предупредительных мероприятий по обес
печению устойчивости и прочности земляного полотна является
предварительное осушение территории, отводимой под железнодо
рожные сооружения. В некоторых случаях без предварительного осу
шения вообще не представляется возможным успешно выполнить
работы (например, при разработке мокрых выемок, возведении на
сыпей на болотах и т.д.).
77
Работы по предварительному осушению полосы отвода на пере
гонах и станционных площадок заключаются в устройстве водоот
водных канав, предусмотренных проектом. Если поверхность стан
ционной площадки сильно заболочена или грунт ее перенасыщен
водой, то в дополнение к водоотводным канавам на площадке про
кладывают сеть канав для отвода воды из всех пониженных мест.
На участках, где строительство осуществляется в неблагоприят
ных геологических и гидрогеологических условиях (на неустойчи
вых, насыщенных водой косогорах, на болотах и пр.), работы по осу
шению необходимо выполнять особо тщательно в соответствии с ин
дивидуальными проектами возводимых сооружений.
При выполнении работ по осушению территории следует иметь в
виду, что связные грунты медленно осушаются, поэтому устраивать
водоотводные и специальные осушительные канавы следует до на
ступления летнего периода, чтобы именно летом достичь наилучшего
результата.
2.3. Устройство временных дорог
Для обеспечения внутрипостроечных перевозок строительных гру
зов строят временные автомобильные дороги, которые в зависимос
ти от назначения и длительности эксплуатации подразделяются на:
– притрассовые, прокладываемые вдоль строящейся железной до
роги и предназначенные для бесперебойного круглогодичного дви
жения автомобилей с требуемыми скоростями в течение периода
строительства железной дороги;
– подъездные, прокладываемые от притрассовой дороги к отдель
ным объектам и предназначенные для использования в период стро
ительства данного объекта;
– землевозные, предназначенные для перевозок грунта из карье
ров (выемок) в возводимые насыпи.
Притрассовые дороги строят по нормам дорог V категории (СНиП
3.01.01—85), как правило, вдоль всей трассы, обычно в пределах по
лосы отвода.
Тип и конструкцию притрассовой дороги определяют на основе
детального изучения местных условий и с учетом грузооборота пред
стоящих перевозок.
Основными элементами автомобильной дороги являются: земля
ное полотно, дорожная одежда и искусственные сооружения.
78
Ширину земляного полотна поверху определяют в зависимости
от принятых в проекте числа полос движения автомобилей, шири
ны проезжей части и обочин. Минимальная ширина проезжей части
при однополосном движении должна быть 4...5 м, а при двухполос
ном — 6…7 м. Ширина обочины должна быть не менее 1 м.
Максимальный продольный уклон дороги 10 %, а в отдельных
ограниченных по длине местах при соответствующих обосновани
ях — 12 %.
На подходах к мостам уклоны должны быть не более 3 % на про
тяжении 20 м по обе стороны от моста.
Поперечным профилям насыпей придают типовые размеры и
очертания, приведенные на рис. 2.1.
В районах вечной мерзлоты высота насыпи должна быть не ме
нее 1 м, а при отсыпке единым массивом с полотном железной до
роги — не менее 1,5 м. Коэффициент уплотнения грунта в нижней
части насыпи должен составлять не менее 0,92, в верхней — 0,95.
Наименьшие радиусы кривых допускаются в равнинной местно
сти — до 50 м, а в гористой — до 15 м. При наличии обратных кривых
с радиусом менее 30 м необходимо устраивать прямые вставки не
менее 15 м в условиях равнинного и среднехолмистого рельефа и не
менее 10 м — в гористой местности.
Рис. 2.1. Типовые поперечные профили насыпи: а — при Н до 0,6 м с треуголь
ными кюветами; б — при Н до 0,6 м с трапецеидальными кюветами; в — при Н
более 0,6 м с резервами; г — при Н более 0,6 м из привозных грунтов
79
Простейшим видом автомобильной дороги является профилиро
ванная грунтовая дорога, устраиваемая обычно в сухих районах на
устойчивых гравелистых или супесчаных грунтах при интенсивнос
ти движения до 100 автомобилей в сутки.
Устройство земляного полотна таких дорог сводится к приданию
ему профиля, удовлетворяющего основному требованию — отводу
воды с полотна во время дождей. Поперечные уклоны полотна долж
на быть при песчаных грунтах — 4 %, суглинках — 5 % и глинистых
грунтах — 6 %. Грунт для придания поперечному профилю двускат
ного очертания получают при paзработке кюветов.
Профилирование выполняют обычно ножевым грейдером с трак
тором или автогрейдером; для уплотнения проезжей части приме
няют катки.
При интенсивности движения до 200 автомобилей в сутки необ
ходимого укрепления проезжей части полотна дороги достигают при
менением скелетных добавок (гравий, щебень, битый кирпич и т.п.),
смешиваемых с грунтом полотна в различных пропорциях в зависи
мости от условий использования дороги. Такие покрытия называют
грунтощебеночными или грунтогравийными.
Если интенсивность движения достигает 500 автомобилей в сут
ки, следует устраивать гравийное или щебеночное покрытие проез
жей части, которому чаще всего придают серповидный или реже —
полукорытный профиль.
Дороги с гравийным покрытием обеспечивают нормальное круг
логодичное движение автомобилей.
В районах с неблагоприятными климатическими условиями по
крытия дорог делают из решетчатых железобетонных плит. Такие по
крытия устраивают копейными в виде отдельных полос (шириной
1 м) колесопроводов, укладываемых плитами в местах прохода авто
мобиля (рис. 2.2). Размеры плит 2,5 × 1,0 × 0,12 м, масса 0, 63 т. Пли
ты укладывают обычными автомобильными кранами.
При устройстве автомобильных дорог на слабых грунтах и на забо
лоченных участках применяют деревогрунтовые покрытия, состоя
щие из хворостяной выстилки, продольных лежней, сплошных попе
речных настилов и грунтовой засыпки, и деревянные колейные по
крытия из деревянных пластин, брусьев и хворостяной выстилки. Кон
струкции этих покрытий показаны на рис. 2.3—2.6. На кривых радиусом
менее 60 м настил устраивают сплошным по всей ширине полотна до
80
Рис. 2.2. Поперечные профили временных дорог с колейным покрытием из
железобетонных плит: а — однопутных; б — двухпутных; 1 — грунтогравийная
засыпка; 2 — плиты покрытия; 3 — обочина
Рис. 2.3. Деревогрунтовое покрытие однополосной дороги на грунтовом ос
новании: 1 — хворостяная двухслойная выстилка; 2 — продольные лежни диа
метром 25...30 см; 3 — сплошной поперечный настил из бревен диаметром
20...25 см; 4 — скрепляющее бревно; 5 — покрытие; 6 — слой торфа толщиной
3...5 см; 7 — стягивающая скрутка из проволоки; 8 — дренирующая засыпка
Рис. 2.4. Деревянный настил деревогрунтового покрытия двухполосной доро
ги: 1 — хворостяная выстилка; 2 — продольные лежни; 3 — поперечный на
стил; 4 — скрепляющее бревно; 5 — стягивающая скрутка из проволоки
Рис. 2.5. Укрепление проезжей части временной дороги: 1 — гравий 2…4 см;
2 — суглинок 6…8 см; 3 — хворост или щепа 14…16 см
81
Рис. 2.6. Поперечные профили дорог: а — с фашинной выстилкой; б — со
сплошным поперечным деревянным настилом; в — на слабом основании;
1 — слой грунта, улучшенный песком, толщиной 0,1...0,15 м; 2 — слой грунта
толщиной 0,1 м; 3 — продольные лежни диаметром 0,16...0,18 м; 4 — фашины
диаметром 0,25...0,3 м; 5 — поперечные лежни диаметром 0,2 м; 6 — фашины
диаметром 0,3 м
роги. Подъемы лежневых дорог не должны превышать 7 %. Для дву
стороннего движения по лежневым дорогам устраивают разъезды.
При переходе автомобильной дороги через водотоки строят ти
повые мосты и водопропускные трубы.
При переходе времянками через мелкие водотоки устраивают
обычно деревянные трубы треугольного сечения или деревянные
мосты простейшей конструкции. При пересечении суходолов, по
которым вода течет только во время дождей, взамен искусственного
сооружения практикуют мощение дна по окружности в вертикаль
ной плоскости радиусом не менее 30 м (рис. 2.7, 2.8).
При пересечении автодорогой больших рек, в тех случаях, когда
для сооружения постоянного моста не требуется постройка времен
ного моста, для перевозки грузов устраивают временные паромные
переправы.
82
Рис. 2.7. Деревянная труба под насыпью вре
менной дороги
Рис. 2.8. Устройство лотка
на суходоле
Для перевозок грузов вдоль линии в зимний период, когда про
филирование и устройство грунтовой дороги невозможно, обычно
прокладывают зимние дороги, которые действуют только до весны.
Зимняя снеговая дорога (рис. 2.9) устраивается на ширину 6 м
уплотнением слоя снега катком или пропуском специальных саней.
Уплотнение ведут слоями по мере выпадания снега на общую тол
щину 15...20 см. После этого выпадающий снег в процессе эксплуа
тации дороги убирают с дороги деревянными снегоочистителями.
При трассировании снежной дороги не следует допускать подъемов
в грузовом направлении более 3 % и спусков более 4 %. Радиусы зак
ругления при автомобильном движении устраивают не менее 60 м.
Переходы через реки в зимнее время обычно устраивают прямо по
льду. Для увеличения толщины льда в месте перехода времянки сле
дует очищать снег с полосы льда шириной 15...20 м; кроме того, уве
Рис. 2.9. Устройство зимней дороги: а — на выравненном и промороженном
грунтовом основании; б — на сланях при пересечении болот I типа с влажнос
тью торфа от 600 до 1300 %; 1 — лежни d = 20...22 см через 0,9 м; 2 — торф
уплотненный; 3 — хворостяная выстилка 15 см (из прорубочных остатков);
4 — уплотненный снег 15...20 см; 5 — сплошной настил из бревен d = 18...20 см;
6 — колесоотбой d = 18...20 см. Ширина В от 5 до 7 м
83
личение толщины льда может быть достигнуто набрасыванием на лед
слоя соломы, камыша или хвороста и поливкой их водой.
2.4. Определение потребности в транспортных средствах
Все данные о перевозках грузов увязывают с соответствующими
периодами согласно проекту организации строительства с учетом же
лательности заблаговременной доставки грузов для создания задела
материальнотехнического обеспечения в пределах действующих
нормативов оборачиваемости оборотных средств. Кроме того, сле
дует учитывать также необходимость и целесообразность доставки
некоторых грузов в зимние периоды с использованием зимних до
рог и ледовых переправ в труднопроходимые летом места.
Общий грузооборот строительства складывается из перевозок
строительных материалов, полуфабрикатов, изделий, конструкций,
оборудования, топлива, хозяйственнобытовых грузов и пр.
При определении грузооборота подсчитывают:
а) основные строительные грузы — на основании сводного гра
фика (ведомости) общей и календарной потребности в строитель
ных конструкциях, полуфабрикатах, материалах и технологическом
оборудовании;
б) хозяйственнобытовые грузы;
в) прочие грузы — ориентировочно в размере около 15 % объема
указанных основных видов груза;
г) технологическое оборудование — на основании его стоимости.
В тех случаях, когда имеются данные об общей потребности Го,
но нет данных о календарной потребности в материалах и конструк
циях, определяют среднегодовой грузооборот
Гг =
Го
Т0
,
(2.1)
где Т0 — продолжительность строительства в годах.
Подсчитанный годовой грузооборот Гг, т⋅км, приводят к расчет
ному суточному
Г
Гс = г К ,
tp
где tр — число дней работы транспорта в году;
84
(2.2)
К — коэффициент неравномерности работы транспорта (для железнодорож
ного транспорта — 1,5, а для автомобильного — 1,2).
Вид транспорта выбирают исходя из технических, производствен
ных и экономических соображений. На первом месте стоят техни
ческие соображения, к которым относятся практические возможно
сти того или иного вида транспорта в условиях круглогодичного рит
мичного строительства.
Оказывают также влияние размеры перевозок, грузонапряжен
ность отдельных участков транспортной сети, род груза, характер и
состояние путей и дорог, дальность возки и ряд других факторов.
Затем рассматривают возможности осуществлять бесперегрузоч
ные сообщения от грузоотправителя до грузополучателя, минуя скла
ды, а также удобство применения того или иного вида транспорта.
При этом железнодорожный транспорт является основным, а все
остальные подчиненными. Выбор построечного транспорта произ
водится путем сравнивания вариантов с учетом экономических со
ображений.
Основными показателями оценки экономичности сравниваемых
вариантов являются:
1) себестоимость перевозок;
2) удельные капитальные затраты;
3) рентабельность.
При прочих равных условиях, т.е. при равных удельных капиталь
ных вложениях, выбор вида транспорта может производиться на ос
нове сравнительных данных себестоимости перевозок. Она зависит
от размеров грузооборота, расстояния перевозки, наличия готовых
транспортных путей, от срока работы строительного транспорта, а
также от местных условий, включая климатические, топографичес
кие, гидрологические, геологические и почвенногрунтовые, гидро
геологические и пр. Себестоимость перевозки внутрипостроечным
транспортом определяется
Ст = Сэ + Сп + Са,
(2.3)
где Ст — себестоимость перевозки 1 т груза;
Сэ — себестоимость эксплуатации транспортных средств, отнесенная к 1 т
перевозимого груза;
Сп — себестоимость погрузочноразгрузочных работ на 1 т груза;
Са — себестоимость эксплуатации путей сообщения и транспортных соору
жений, отнесенная на 1 т груза.
85
Транспортными единицами могут быть автомобили, автопоезда,
железнодорожные составы. Стоимость машиносмены состоит из
стоимости машиносмен локомотивов и вагонов, а автопоезда — из
стоимости машиносмен автомобиля и прицепов.
Вопросы транспортного обеспечения объектов железных дорог
строительными и другими видами грузов реализуются отделами вре
менной эксплуатации (ОВЭ). ОВЭ имеет собственный или получае
мый в аренду автотранспорт и подвижной состав (локомотивы, ва
гоны, полувагоны, хоппердозаторы, платформы, думпкары), кото
рый обеспечивает доставку грузов.
Потребность в транспортых средствах определяют после установ
ления объема перевозок в соответствующие сроки и одновременно
с выбором вида транспорта, средств тяги и вида транспортной еди
ницы и вычисляют делением суточного объема перевозок на суточ
ную производительность транспортной единицы (железнодорожного
состава, автопоезда, автомобиля, тракторного поезда, баржи с бук
сиром, судна и т.п.).
Транспортная единица подобно цикличной машине совершает
рейсы. Число рейсов М за сутки зависит от времени оборота и опре
деляется по формуле
Т
М = с,
(2.4)
tц
где Тс — расчетный суточный период, ч;
tц — продолжительность рейса, ч:
t =t +t +
ц
п
p
2l
v
,
(2.5)
tп — время погрузки;
tр — время разгрузки;
l — дальность возки;
v — средняя скорость движения.
С учетом расчетного суточного периода число рейсов
М=
Tc
2l
tп + tp +
v
K 1,
(2.6)
где К1 — коэффициент использования расчетного суточного периода (для же
лезнодорожного транспорта 0,9…1, а для автомобильного — 0,67).
86
Если число рейсов транспортной единицы умножить на ее пол
ную грузоподъемность Qн (вес груза нетто), то в результате получим
производительность транспортной единицы при полной грузоподъ
емности за расчетный суточный период
Пс =
Т сQн К1
tп + t p +
2l
v
.
(2.7)
С учетом неполного использования грузоподъемности транспорт
ными единицы ее производительность
Пс =
Т сQн К1K 2
tп + t p +
2l
v
,
(2.8)
где К2 — коэффициент использования грузоподъемности транспортной еди
ницы (от 0,7 до 1), точные значения которого приводятся в справочниках.
Число транспортных единиц
2l
⎛
Г с ⎜ tп + tр +
v
= ⎝
Nт =
Пс
TcQн К1К 2
Гс
⎞
⎟
⎠.
(2.9)
Очевидно, что потребность в транспортных единицах будет тем
выше, чем больше суточный грузооборот и дальность возки и чем
меньше расчетный суточный период, грузоподъемность транспорт
ной единицы и скорости ее обращения.
Среднегодовая потребность в машинах
mcp =
Г
,
qL 365 k1k2k3
(2.10)
где Г — грузовая работа парка, т⋅км/год;
q — средняя грузоподъемность одной машины, т;
L — среднесуточный пробег машины, км;
k1 — коэффициент использования тоннажа машины (k1 = 0,9);
k2 — коэффициент использования пробега (k2 = 0,6);
k3 — коэффициент использования парка машин (k3 = 0,7).
87
Среднесуточный пробег машины
L = lcp
tp
tц
,
(2.11)
где lcp — среднее расстояние перевозки, км;
tp — продолжительность расчетного периода работы в течение суток, ч.
В действительности на учете в хозяйствах должно быть больше
машин, так как некоторая их часть периодически не используется:
проходит техническое обслуживание, находится в ремонте или про
стаивает в его ожидании.
Совокупность всех машин, находящихся на учете, независимо от
их технического состояния, носит название инвентарного, или спи
сочного состава. Отношение числа исправных машин к их общему
числу называют коэффициентом технической готовности kг парка
данного вида:
kг =
mp
mc
,
(2.12)
где mp — число исправных машин (рабочий парк);
mc — число машин в парке (списочный состав парка).
Коэффициент технической готовности обычно планируют зара
нее на основе ведомственных норм, учитывающих техническое со
стояние (изношенность) машин, климатические условия и особен
ности производства работ. При хорошей организации эксплуатаци
онной работы он составляет 0,85…0,95.
Глава 3. ВОЗВЕДЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА
3.1. Виды и формы земляных сооружений
3.1.1. Классификация земляных сооружений
Практически ни одно строительство не обходится без земляных
работ: планировка площадки со срезкой лишнего грунта и засыпкой
углублений, устройство котлованов под фундаменты и т.д.
Одним из классификационных признаков всех земляных соору
жений является их расположение по отношению к дневной поверх
ности. По этому признаку земляные сооружения делятся на насыпи
и выемки.
По своему назначению насыпи и выемки могут быть частью вер
тикальной планировки территории либо выполнять свое функцио
нальное назначение как элементы земляного полотна автомобиль
ных и железных дорог.
Выполняемые в процессе строительства земляные сооружения по
времени своего существования разделяют на временные и постоянные.
Постоянными земляными сооружениями являются земляное по
лотно автомобильных и железных дорог, плотины, каналы, струена
правляющие дамбы у мостов и другие земляные сооружения, пред
назначенные для эксплуатации в течение длительного времени.
Временные выемки шириной до 3 м называются траншеями, а
при большей ширине — котлованами.
Котлованы под здание с подвалами являются постоянными зем
ляными сооружениями, поскольку будут существовать в течение все
го времени эксплуатации сооружения.
К земляным сооружениям относятся выемки, разрабатываемые
для устройства подземных частей зданий и сооружений; траншеи для
устройства водоснабжения, канализации и т.п.
Траншеи после укладки трубопроводов засыпают.
89
Все земляные сооружения должны быть прочными и устойчивы
ми, соответствовать проектным размерам, воспринимать постоян
ные и временные нагрузки, противостоять атмосферному воздей
ствию, пучению и т.п.
Формы, размеры, отметки, положение откосов и другие требова
ния, предъявляемые к земляным сооружениям, устанавливаются
проектом в соответствии с требованиями СНиП.
3.1.2. Земляное полотно железной дороги
Земляное полотно железных дорог представляет собой комплекс
сооружений в виде насыпей и выемок, водоотводных сооружений,
сооружений инженерной защиты от воздействия природноклима
тических факторов и специальных сооружений по обеспечению
устойчивости земляного полотна.
Земляное полотно призвано обеспечивать надежную работу верх
него строения пути для безаварийного пропуска подвижного соста
ва при заданной грузонапряженности железной дороги и расчетных
скоростях движения.
Требования к техническим параметрам земляного полотна регла
ментируются СНиП.
К техническим параметрам земляного полотна относятся:
– ширина земляного полотна в уровне основной площадки на
прямых участках пути;
– величина уширения земляного полотна в кривых участках пути;
– крутизна откосов насыпей и выемок.
Типовые поперечники земляного полотна приведены на рис. 3.1 и 3.2.
Для выполнения требований СНиП в проекте земляного полот
на необходимо обеспечить: его ремонтопригодность, равную надеж
ность в работе земляного полотна независимо от вида применяемых
грунтов и естественного основания насыпи.
Рис. 3.1. Типовой поперечный профиль насыпи однопутной железной дороги:
В — ширина основной площадки земляного полотна (размеры даны в м)
90
91
Рис. 3.2. Типовой поперечный профиль выемки однопутной железной дороги: В — ширина основной площадки
земляного полотна (размеры даны в см)
Кроме того, в проекте должна быть проработана технология воз
ведения земляного полотна, обеспечивающая уплотнение грунтов в
теле насыпи до требуемой плотности.
Возведение насыпей без уплотнения в ряде случаев допускается
и оговаривается СНиП, в том числе при сооружении насыпей мето
дами гидромеханизации. В этом случае необходимо обеспечить жест
кий геодезический контроль для предотвращения переборов и на
рушения естественного сложения грунта ниже проектных отметок.
Одним из главных «врагов» земляного полотна является вода, по
этому при проектировании особое внимание должно быть уделено
водоборьбе в период возведения земляного полотна и во время его
эксплуатации:
– до начала отсыпки насыпей и разработки выемок обеспечива
ются отвод поверхностных вод путем устройства водоотводных со
оружений, понижение уровня грунтовых вод и т.п.;
– отвод поверхностных вод, поступающих к земляному полотну,
осуществляется водоотводными нагорными и забанкетными кана
вами и другими инженерными сооружениями;
– высота насыпей проектируется такой, чтобы бровка земляного
полотна возвышалась над наивысшим уровнем подземных или грун
товых вод, достаточным для предохранения железнодорожного пути
от пучения и просадок;
– откосы насыпей и выемок, а также всех водопропускных земля
ных сооружений укрепляются посевом трав либо другим способом.
Некоторые параметры железнодорожного земляного полотна
приведены в табл. 3.1—3.3.
При сооружении насыпей в районах избыточного увлажнения
(среднегодовое количество выпадающих осадков значительно пре
вышает возможную испаряемость с поверхности суши) крутизна от
косов насыпи в верхней ее части высотой до 6 м равна 1:1,75, а в
нижней части высотой 6…12 м — 1:2.
Значение крутизны откосов выемок при возведении земляного по
лотна в особых геологических условиях строительства приведены в
табл. 3.2.
Откосы крутизной 1:0,2 применяют при устройстве выемок взрыв
ным методом (контурное взрывание). В благоприятных инженерно
геологических условиях (в слабовыветривающихся грунтах) допус
кается устройство вертикальных откосов выемок.
92
Таблица 3.1
Ширина основной площадки земляного полотна
Таблица 3.2
Крутизна откосов выемок
В кривом участке пути возникает центробежная сила от подвижно
го состава. Для ее восприятия наружный рельс укладывают с возвы
шением, которое обеспечивается увеличенной толщиной балластного
93
слоя. Поэтому для сохранения обочины земляное полотно уширяют
(чем меньше радиус кривой, тем больше уширение):
3.1.3. Грунты. Их свойства. Грунты как строительный материал
Под грунтами понимают природные образования горных пород,
слагающих верхние слои земной коры.
Грунты служат естественным основанием для разнообразных со"
оружений либо являются средой, где возводятся инженерные соору"
жения: тоннели, каналы, выемки железных дорог и т.д. В то же вре"
мя грунты сами служат строительным материалом, из которого воз"
водят земляное полотно железных и автомобильных дорог, дамбы,
плотины и др.
По резкому различию физического состояния и механических
свойств грунты в условиях естественного залегания можно достаточ"
но условно подразделить на скальные, нескальные и полускальные.
Скальные грунты имеют жесткие структурные связи между час"
тицами и залегают, как правило, в виде сплошных массивов.
Нескальные грунты состоят из разрушенных горных пород и не
имеют жестких структурных связей. Они составляют обширную груп"
пу разновидностей горных пород и являются основным материалом
при строительстве земляных сооружений.
Основными факторами, влияющими на надежность и долговеч"
ность земляных сооружений, выступают: геологические особеннос"
ти территории строительства, физико"механические свойства грун"
тов, из которых возводятся земляные сооружения, соблюдение тех"
нологической дисциплины производства работ, а также последствия
техногенного воздействия на окружающую среду.
Особенно типичны разрушения земляных сооружений, в том чис"
ле и железнодорожных насыпей, из"за неустойчивости их основа"
ний. Причины: ошибки как при проектировании, так и при строи"
тельстве сооружений.
94
Классическим примером таких нарушений являлось разрушение земляно
го полотна при переустройстве железнодорожной линии Утена—Паневежис.
На участке длиной в 50 м началась и несколько месяцев продолжалась дефор
мация земляного полотна. Анализ проектной документации и натурный осмотр
объекта позволил сделать заключение, что насыпь была возведена на неустой
чивом основании. Обрушение откоса насыпи произошло изза выдавливания
илистого грунта, находящегося в основании насыпи, под действием веса отсы
панного земляного полотна.
Другим примером деформации эксплуатируемой насыпи на слабом осно
вании, происшедшей изза ошибок в проектных решениях, является участок
Малошуйка—Обозерская Северной железной дороги. Насыпь, отсыпанная пес
ками средней крупности, содержащими включения гравия, подвергалась де
формации в виде трещин бровки глубиной до 1,5 м и шириной 3...4 см.
Недостаточный учет геологических особенностей прибрежной зоны Чер
ного моря многократно приводил к нарушению железнодорожного движения
изза оползней на склонах выемок.
Обвалы и осыпи горных пород до сих пор характерны для ВоенноГрузин
ской автомобильной дороги.
Карстовые явления осложняют все виды строительства и чрева
ты серьезными катастрофами. В России карсты распространены на
значительных территориях: на Русской равнине, Алтае, в Предура
лье и Восточной Сибири.
Опасность карстового провала предопределила перенос на новое
место железнодорожной станции Кинель и 20 км пути.
Для выбора рациональных технологических процессов при про
изводстве земляных работ, правильного подбора рабочего оборудо
вания строительных машин, обеспечения прочности и долговечно
сти земляных сооружений необходимо знать физические свойства
грунтов и их природу.
Грунт состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. Твер
дая фаза образует скелет грунта, поры в котором заполнены жидко
стью и газом.
Важнейшими из физических характеристик грунта являются плот
ность, влажность, зерновой состав, угол естественного откоса, ко
эффициент разрыхления.
Плотность грунта — это отношение массы грунта к занимаемому
им объему. Термин «плотность» в данном случае применяется как
усеченный. Полное название этой величины «объемная плотность».
Плотность обозначается ρ и имеет размерность г/см3, т/м3.
Следует различать существенно отличающиеся понятия «плот
ность» и «удельный вес». Удельный вес грунта — это отношение веса
95
грунта, включая вес воды в его порах, к занимаемому им объему, вы
ражаемое в ньютонах на кубометр (Н/м3). Удельный вес равен про
изведению плотности на ускорение свободного падения.
Влажность грунта — одна из важнейших его характеристик, влия
ющая на механические свойства грунта. Влажностью называется ко
личество воды по массе, содержащееся в порах скелета грунта.
В присутствии небольшого количества воды мелкие частицы грун
та обладают значительными структурными связями (этим объясня
ется высокая прочность сухих глин).
Повышенное содержание воды вызывает вязкость и липкость гли
нистых грунтов. Большое содержание воды в мелкопесчаных и пы
леватых грунтах может привести к их разжижению, к резкой потере
прочности грунтовых сооружений.
Обычно в расчетах используют не значение влажности, а весовую
влажность, т.е. влажность, выраженную в процентах или долях к мас
се твердой фазы:
m
(3.1)
W = вод ⋅100 %.
mск.гр
Числом пластичности Wп называют разность между влажностью
на границе текучести Wт и влажностью на границе раскатывания Wр:
Wп = Wт – Wр.
(3.2)
Границей текучести называют весовую влажность теста из грунта
и воды, в которое балансирный конус массой в 76 г за 5 с погружает
ся своим острием на 10 мм.
Границей раскрывания называют весовую влажность теста из грунта
и воды, которое при раскатывании в жгутик диаметром около 3 мм
начинает разламываться. При этой влажности глина из твердого со
стояния переходит в пластичное.
Число пластичности определяют в лабораторных условиях. Для
супесей Wп = 1…7, для суглинков Wп = 7…17, для глин Wп > 17. Пе
сок имеет Wп < 1 и не обладает пластичностью.
Коэффициент консистенции
B=
96
W −Wp
W т −W p
.
(3.3)
Скелет грунтов обычно состоит из песчаных, пылеватых и глини
стых частиц, содержание которых характеризует его состав и свой
ства.
Пределы текучести и пластичности глинистых грунтов зависят
также от минералогического и гранулометрического состава.
Гранулометрический (зерновой) состав. Зерновым составом назы
вают содержание различных фракций по массе, выраженное в про
центах. Так, например, для песков крупной фракцией считается раз
мер частиц 1…2 мм, а средней фракцией — 0,25…0,5 мм.
Гранулометрический состав крупнообломочных грунтов
Валунный грунт (при преобладании
неокатанных частиц — глыбовый) ............................................... частиц крупнее
200 мм — более 50 %
Галечниковый грунт (при преобладании
неокатанных частиц — щебенистый) ........................................... частиц крупнее
10 мм — более 50 %
Гравийный грунт (при преобладании
неокатанных частиц — дресвяный) .............................................. частиц крупнее
2 мм — более 50 %
Примечания: 1. Для установления вида грунта последовательно суммируют
проценты содержания частиц в исследуемом грунте, начиная с содержания бо
лее крупных частиц, и принимают наименование грунта по первой сумме, удов
летворяющей показателю содержания частиц по таблице.
2. При содержании органических веществ в количестве 0,03...0,10 % к наи
менованию песков добавляется: «с примесью органических веществ».
Песчаные грунты имеют не менее 80 % песчаных частиц и не бо
лее 5 % глинистых. Глинистые грунты содержат более 33 % глинис
тых частиц.
Знание гранулометрического состава грунта, например песков,
позволяет определить их пригодность для приготовления бетонной
смеси, возможности использования, для сооружения насыпей и в
качестве балластного материала (табл. 3.3).
Угол естественного откоса. Угол между образующей конуса сво
бодно насыпанного материала и горизонтальной плоскостью назы
вается углом естественного откоса (табл. 3.4). Из приведенного
определения следует, что для грунтов, не имеющих связей между ча
стицами, равновесие частиц на откосе обеспечивается за счет сил
внутреннего трения.
97
Таблица 3.3
Классификация песчаных грунтов
Таблица 3.4
Угол естественного откоса грунтов
Коэффициент разрыхления. В строительстве имеют дело не толь
ко с грунтом, залегающим в естественном состоянии, но и с разрых
ленным грунтом.
При разработке грунт разрыхляется и занимает больший объем,
чем в естественном массиве. Это явление называется первоначаль
ным разрыхлением грунта и характеризуется коэффициентом раз
рыхления: отношением объема разрыхленного грунта к его объему в
естественном (плотном) состоянии.
Коэффициент первоначального разрыхления Кр необходимо учи
тывать при определении объема перевозимого грунта при разработ
ке выемок, карьеров, котлованов и т.п.
Для песчаных грунтов Кр = 1,08…1,17, для суглинистых Кр =
= 1,14…1,28, для глинистых Кр = 1,24…1,30.
98
У грунтов, разработанных в отвал, происходит самоуплотнение,
и через некоторое время коэффициент разрыхления (остаточного)
примет соответственно следующие значения: песчаные грунты —
1,01…1,12; суглинистые — 1,015…1,05, глинистые — 1,03…1,04.
Механические свойства грунтов определяют их поведение в ос
новании сооружений, в откосах выемок, котлованов, в подземных
сооружениях и т.д. Они обусловливаются всей суммой их физичес
ких свойств и должны оцениваться комплексно с учетом требова
ний, предъявляемых к грунтам при проектировании и строительстве
конкретных объектов.
В строительстве наиболее часто встречаются глины, суглинки, су
песи и пески.
Под действием внешних сил в нескальных грунтах возникают как
общие деформации, так и вызванные перемещением минеральных
частичек, слагающих эти породы. Если под действием внешних на
грузок структурные связи между минеральными частицами не раз
рушатся, то грунты деформируются как сплошные тела, минераль
ные частицы сближаются и уплотняются без взаимного перемеще
ния, уменьшая объем грунта (объемные деформации).
Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов, называют
ся деформационными, а характеризующие сопротивление сдвигу —
прочностными.
3.1.4. Классификация грунтов по трудности их разработки
Сопротивление грунта его разработке рабочим органом землерой
ной машины зависит от трех факторов: категории грунта, типа рабо
чего органа и характера процесса — резание или копание.
В зависимости от трудоемкости немерзлые грунты в соответствии
с ЕНиР при их механизированной разработке делятся на категории
или группы (табл. 3.5). Так, для одноковшовых экскаваторов преду
смотрено 6 групп, для скреперов — 2 группы, для бульдозеров —
3 группы.
Взаимодействие рабочего органа землеройной машины с грун
том — процесс весьма сложный и пока до конца не изученный.
Резание грунта — это отделение стружки грунта от массива (про
цесс более простой, чем копание).
Копание грунта — процесс, включающий резание грунта, пере
мещение его по рабочему органу и наполнение ковша.
99
Таблица 3.5
Группы основных видов грунтов по трудности их разработки
Различают следующие условия резания грунта: блокированное,
полусвободное и свободное (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Условия резания грунта: а — блокированное; б — полусвободное;
в — свободное
При блокированном резании режущая часть рабочего органа среза
ет стружку передней и боковыми кромками. Блокированное реза
ние имеет место в начале разработки забоя.
В случае полусвободного резания на грунт воздействуют передняя
и одна боковая кромки. Это более часто встречающийся случай.
При свободном резании режущая часть рабочего органа срезает
грунт только передней кромкой.
Свободное резание, как и блокированное, встречается редко и
имеет место в конце процесса.
Условия резания непосредственно влияют на техникоэкономи
ческие показатели работы землеройных машин: энергоемкость про
цесса, расход топлива и продолжительность цикла.
Известно, что с учетом именно этих обстоятельств разработана
ребристошахматная схема набора грунта скрепером.
100
Под действием режущей кромки рабочего органа землеройной ма
шины грунт в зависимости от его вида (связный или несвязный) и
влажности деформируется поразному.
При связном и влажном грунте срезанный пласт (h), поступая на
наклонную рабочую поверхность кромки, сжимается и изгибается,
образуя стружку изгиба. При этом заполнение ковша землеройной
машины происходит интенсивно, почти без потерь грунта (рис. 3.4, а).
При связном и сухом грунте происходит сжатие и скалывание пла
ста под некоторым углом, с последующим образованием кусков не
правильной формы (рис. 3.4, б).
Малосвязные и сыпучие грунты при резании перемещаются
перпендикулярно рабочей плоскости кромки, распадаясь на мел
кие части и собираясь перед кромкой, образуя призму волочения
(рис. 3.4, в).
Рис. 3.4. Виды деформации грунта при его резании: а — грунт связный и влаж
ный; б — грунт связный и сухой; в — несвязные грунты; h — толщина срезаемо
го слоя грунта
Указанные обстоятельства впрямую влияют на выбор типа рабо
чего органа землеройной машины: режущей орган в виде сплошной
кромки или зубьев.
В грунтах несвязных применяют ковш со сплошной режущей кром
кой, что снижает потери грунта при наборе и заполнении ковша.
Полукруглая режущая кромка, выдвинутая вперед и наклонен
ная под углом 13—15о, способствует быстрому внедрению в грунт.
Устройство зубьев на режущей кромке ковша при разработке связ
ных и плотных грунтов преследует цель создания опережающего раз
рыхления грунта.
В сыпучих и вязких грунтах использование зубьев неэффективно.
Таким образом, разрабатывая проект производства земляных ра
бот, необходимо в комплексе учитывать все изложенные факторы:
вид грунта и его влажность, тип землеройной машины и ее рабочего
органа, условия резания грунта.
101
3.1.5. Влияние техногенного воздействия
на грунты естественного залегания
Промышленные и гражданские здания, железнодорожные насы
пи, опоры мостов оказывают на горные породы, служащие основани
ем сооружений, давление порядка 0,3…0,5 МПа, а в отдельных случа
ях (высотные здания, гравитационные платины) — до 1,5…2,5 МПа.
Дополнительное давление веса сооружений действует на грунты ос
нования как постоянная статическая вертикальная нагрузка, под
влиянием которой толща пород сжимается, вызывая оседание поверх
ности земли и построенных на ней сооружений. Вертикальные пере
мещения сооружений, обусловленные сжатием грунтов, именуются
осадками; абсолютная величина осадок в зависимости от грунтов бы
вает различной — от долей сантиметра до 1 м и более. Равномерная
осадка сооружения в пределах всего его периметра не опасна, даже
если абсолютная величина ее будет достигать десятков сантиметров.
Опасны неравномерные осадки сооружений, которые проявляются
чаще всего.
Величина осадок сооружений зависит от физикомеханических
свойств грунтов; от величины внешнего давления (вес сооружения
на единицу площади основания); от размеров фундаментов в плане;
от формы фундаментов. Считается, что сооружения в совокупности
с грунтами основания представляют единую динамическую систе
му. Гибкое сооружение приспосабливается к деформациям основа
ния, не превышающим предельных значений, и никаких вредных
напряжений в его элементах не возникает, жесткие — ни при каких
условиях не искривляются, и поэтому сами выравнивают деформа
ции основания сооружения, приводя их к общей средней осадке (если
деформации грунтов основания не превышают предельно допусти
мых значений). Сооружения недостаточно гибкие и не вполне жест
кие частично следуют за деформациями основания и частично их
выравнивают. Следовательно, в элементах таких сооружений возни
кают дополнительные напряжения, определить которые можно толь
ко при совместном рассмотрении общих деформаций грунтов и со
оружений.
Сжимаемость пород разного состава и сложения бывает самой раз
ной. Скальные породы испытывают только упругие деформации,
связанные с закрытием трещин. Абсолютные величины этих дефор
маций практического значения не имеют.
102
Сжимаемость гравия, галечника и им подобных грунтов, об
условливаемая структурными деформациями, в пределах практичес
ки достигаемых нагрузок незначительна и не имеет существенного
значения.
Сжимаемость песков, в основном обусловленная структурными
деформациями, может быть разной в зависимости от их состава, сло
жения, степени плотности, увлажнения и характера нагрузки. При
действии только статических нагрузок даже рыхлосложенные пес
ки будут уплотняться в пределах, не опасных для сооружений. Не
сколько повышенная сжимаемость наблюдается в слабоуплотнен
ных тонкозернистых и пылеватых разновидностях песчаных грун
тов. При действии же динамических нагрузок уплотнение всех раз
новидностей песков, особенно рыхлосложенных, может быть весьма
значительным, и тем большим, чем выше интенсивность сотрясе
ний. Особенно чувствительны к динамическим сотрясениям мел
козернистые водонасыщенные пески. Это вызвано тем, что при уп
лотнении в них возникают восходящие потоки воды, взвешиваю
щие минеральные частицы; одновременно резко снижается внут
реннее трение между песчинками, пески вначале разжижаются, а
затем уплотняются.
Сооружения, в основании которых залегают пески, перешедшие
под воздействием динамических нагрузок в разжиженное состоя
ние, претерпевают значительные деформации, вплоть до катастро
фических.
Наибольшая сжимаемость присуща грунтам глинистого состава,
в которых при внешних нагрузках протекают все виды внутренних
деформаций. Особенно большие осадки (десятки сантиметров и не
редко — свыше метра) испытывают высокие земляные плотины, а
также портовые сооружения (молы, набережные, причальные стен
ки и др.), которые часто приходится возводить на слабых водонасы
щенных грунтах. Осадки сооружений, построенных на таких грун
тах, часто сопровождаются выпором грунтов изпод подошвы фун
даментов, что приводит к значительным деформациям сооружений
и авариям. Развитие осадок сооружений, воздвигнутых на глинис
тых грунтах, может протекать в течение ряда лет и даже десятилетий
(сжатие грунтов во времени называется консолидацией).
Для сооружений, возводимых на любых грунтах, опасны не абсо
лютные величины осадок, а их неравномерность. Особенно значи
103
тельны неравномерные осадки в сооружениях, в основании которых
залегают грунты со сложной текстурой и при наличии сильно сжи
маемых слоев различной мощности.
Разработка глубоких выемок, траншей, каналов, карьеров для до
бычи полезных ископаемых сопровождается разнообразными инже
нерногеологическими процессами и явлениями, которые необхо
димо прогнозировать, чтобы принять меры для предотвращения их
воздействия на процесс строительства сооружений и их эксплуата
ции. В котлованах, траншеях и выемках чаще всего имеют место сле
дующие проявления: нарушение устойчивости откосов, набухание,
пучение и выпирание грунтов на дне котлованов и выемок.
При строительстве и эксплуатации железных дорог возможно дей
ствие самых разнообразных инженерногеологических явлений, вы
званное сочетанием природных особенностей района строительства,
технологией работ по сооружению земляного полотна и условиями
эксплуатации (масса поезда, скорость, интенсивность движения по
ездов и т.п.).
Например, в земляном полотне проявляются процессы, вызыва
ющие его деформацию. В зависимости от сочетания и взаимодей
ствия различных природных и искусственных причин болезни зем
ляного полотна зарождаются постепенно.
Необходимой основой обеспечения стабильности земляного по
лотна и его основания является понимание процессов, происходя
щих в грунтах под влиянием естественных и искусственных факто
ров, и правильное прогнозирование тех изменений, которые вносит
возведение земляного полотна в природные условия.
Болезни земляного полотна и вызываемые ими деформации
весьма разнообразны. В подавляющем большинстве они аналогич
ны физикогеологическим явлениям, которые обусловливаются ес
тественными геологическими процессами или же возникают при
строительстве зданий, гидротехнических, промышленных и других
сооружений. Инженерная деятельность человека (устройство вы
емок и насыпей, динамическое воздействие проходящих поездов и
автомашин и т.д.), накладываясь на природные геологические про
цессы и взаимодействуя с ними, либо ускоряет многие их них, либо
самостоятельно вызывает оседание поверхности земли над горны
ми выработками, просадку грунтов, их искусственное замачивание
и т.п.
104
3.2. Строительные свойства грунтов
3.2.1. Грунты. Виды грунтов. Строительные свойства
В 1995 г. был разработан Межгосударственный стандарт ГОСТ
25100—95 Грунты. Указанный стандарт распространяется на все грун
ты и устанавливает их классификацию, применяемую при производ
стве инженерногеологических изысканий, проектировании и стро
ительстве.
В соответствии с указанным ГОСТом все виды грунтов подразде
ляются на четыре класса: I — природные скальные; II — природные
дисперсные; III — природные мерзлые; IV — техногенные.
Классификационные признаки отдельных видов грунтов в соот
ветствии с этим стандартом следующие.
Скальные грунты. Класс природных скальных грунтов объединя
ет грунты с жесткими структурными связями (кристаллизационны
ми и цементационными) — магматические, метаморфические и сце
ментированные осадочные породы: граниты, диориты, базальты,
гнейсы, кварциты, мраморы, конгломераты и др. Они несжимаемы,
водонепроницаемы и водоустойчивы. По механической прочности
к скальным грунтам относятся горные породы, которые имеют пре
дел прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии больше
5 МПа. Наибольшей прочностью на сжатие, МПа, обладают поро
ды: магматические — 80—400, метаморфические — 100—300, осадоч
ные (песчаники, конгломераты) — до 120.
Высокие прочностные свойства скальных грунтов объясняются
наличием в их структурах кристаллических связей, которые возни
кают при кристаллизации магмы либо в процессе метаморфизма,
либо в результате цементации рыхлых образований.
Полускальные грунты. К этой группе относятся главным образом
сравнительно слабо сцементированные и хемогенные осадочные по
роды: гипс, ангидрит, каменная соль, известнякракушечник, мел,
опоки, песчаники со слабым цементом, а также сильно трещинова
тые и выветрелые скальные породы.
Важной особенностью полускальных грунтов является их неустой
чивость к воде (размягчение, растворение). Некоторые грунты раство
римы в воде (гипс, каменная соль). Другие в воде размягчаются. Осо
бенно сильно размягчаются грунты, содержащие большое количество
105
глинистых минералов, а также ангидрит, который под воздействием
воды переходит в гипс, вызывая набухание и ослабляя внутренние
силы сцепления. После размягчения несущая способность грунтов
уменьшается. Для многих полускальных грунтов важной особеннос
тью является трещиноватость, снижающая общую плотность пород.
Класс природных дисперсных грунтов включает грунты с воднокол
лоидными и механическими структурными связями.
Крупнообломочные грунты. К этому виду грунтов относят несце
ментированные обломочные породы (галечники, щебень, гравий),
содержащие более 50 % обломков пород размером более 2 мм. Проч
ность пород этого класса зависит от того, обломками каких пород
они сложены. Наиболее прочными являются магматические, менее
прочными — осадочные. Общая прочность крупнообломочных по
род связана с их плотностью. По укладке обломков они могут быть
плотными и рыхлыми. При этом наибольшей прочностью характе
ризуются те грунты, у которых промежутки между крупными облом
ками заняты мелкими обломками.
Под нагрузками крупнообломочные грунты практически несжи
маемы, и поэтому являются надежным основанием различных со
оружений. Они обладают водопроницаемостью и слабо сопротив
ляются воздействию землетрясений.
Песчаные грунты. К этому виду относят рыхлые обломочные по
роды, содержащие в своем составе менее 50 % обломков более 2 мм.
Этот класс представлен песками различной крупности, что в значи
тельной степени определяет их свойства.
Глинистые грунты. Это вид дисперсных осадочных пород. Для них
характерно присутствие в составе значительного количества тонко
дисперсных частиц (размером 0,005 мм), состоящих преимуществен
но из глинистых минералов. Среди глинистых пород выделяют соб
ственно глины и разнообразные глинистые породы. Глинами при
нято считать тонкодисперсные горные породы, содержащие более
30 % частиц размером менее 0,005 мм. К глинистым породам отно
сят также суглинки и супеси, отличающиеся главным образом со
держанием глинистых частиц.
Свойства глинистых грунтов определяются в основном глинис
тыми и пылеватыми частицами, а также находятся в большой зави
симости от влажности. Если содержится только прочносвязанная
вода, то грунт имеет свойство твердого тела. При наличии рыхло
106
связанной воды грунт — пластичный. При наличии свободной воды
грунт характеризуется текучей консистенцией.
Воднофизические свойства глинистых грунтов определяются
прежде всего глинистыми минералами.
Общие свойства глинистых грунтов в значительной мере опреде
ляются структурой грунта. Глинистый грунт с нарушенной структу
рой, перемятый, характеризуется пониженной прочностью и боль
шим набуханием.
Глинистые грунты служат нередко основаниями различных инже
нерных сооружений. Их особенностью является значительная сжимае
мость под давлением и изменение свойств во времени. Здания и соору
жения, возведенные на глинистых грунтах, дают осадку в результате их
сжимаемости, происходящей вследствие уменьшения пористости.
Илы. Это современные осадки, образовавшиеся главным образом
в результате накопления мелко и тонкодисперсного материала ме
ханическим или химическим путем на дне морей, лагун, озер, болот
или в поймах рек. В соответствии с этим различают илы морские,
лагунные, болотные и аллювиальные.
По гранулометрическому составу илы могут быть супесчаными,
суглинистыми, глинистыми, а также тонкозернистыми песчаными.
Следует отметить, что современные грубообломочные отложения —
песчаные и другие — илами не называют.
Для илов характерно повышенное (до 2...3 % и даже до 10...12 %)
содержание органики. В засушливых климатических зонах они иног
да содержат водорастворимые соли в тонкодисперсном виде или в
виде кристалликов либо прослойков.
Среди современных глубоководных осадков распространены илы
известковистые. В типичных глинистых терригенных и песчаных
илах обычно велико содержание пылеватых частиц. В минеральном
составе тонкодисперсной части моренных илов обычно преоблада
ют глинистые минералы из группы гидрослюд и монтмориллонита,
а в составе илов пресноводных бассейнов — гидрослюды и каоли
нит; в грубодисперсной части преобладают главным образом пер
вичные реликтовые минералы.
Нередко в илах наблюдается повышенное содержание карбона
тов даже в тонкодисперсной части. В составе поглощающего комп
лекса различных илов основное место занимают Са2+, Mg2+, а Na+
и К+ — подчиненное. В толщах илов происходят процессы диагене
107
за, изменяющие состав, состояние и свойства осадков и превраща
ющие их в горные породы. Таким образом, илы являются образова
ниями начальной стадии формирования тонкодисперсных песчаных
или глинистых пород. Поэтому на суше илы существовать не могут,
так же как и на больших глубинах под толщей других пород.
В период накопления осадков в водном бассейне свободная вода в
их составе преобладает над водой связанной, а концентрация мине
ральных частиц в единице объема очень мала. Влажность илов обыч
но достигает 20—80 % и более, а плотность скелета нередко равна
0,8...0,9 г/см3. Прочность илов предельно малая. Угол естественного
откоса илов стремится к нулю. В случае приложения к илам даже
малых усилий они переходят в текучее состояние.
Приведенная характеристика илов указывает на то, что они явля
ются слабыми основаниями. Строительство на них возможно при
условии искусственного улучшения их свойств (уплотнение, укреп
ление, дренирование вертикальными песчаными дренами). Прове
ренными способами строительства на илах являются устройство
свайных фундаментов и подушек из каменной наброски.
Применительно к условиям проектирования земляного полотна
скальные грунты подразделяют на залегающие в естественных усло
виях в виде массивов (в выемках) и полученные посредством разру
шения скальных массивов (для насыпей). Скальные грунты клас
сифицируют по трещиноватости, блочности и способности к вывет
риванию (которая определяется испытанием образцов на разру
шаемость при многократном увлажнениивысушивании и замора
живанииоттаивании) на слабовыветривающиеся, выветривающи
еся и легковыветривающиеся; крупнообломочные и песчаные — по
степени дренирования; глинистые — по гранулометрическому со
ставу, засоленности, набухаемости, склонности к морозному пуче
нию и просадочности.
Нескальные грунты подразделяют на крупнообломочные, песча
ные, глинистые, биогенные (сапропели, заторфованные, торфы и др.),
искусственные — отходы производства (шлаки, золы, золошлаковые
смеси, «хвосты» обогатительных фабрик, терриконов и др.).
По степени неоднородности гранулометрического состава пески
выделяют однородные и неоднородные. Критерии оценки и способы
определения степени неоднородности песков приводятся в Инструк
ции по проектированию железнодорожного земляного полотна.
108
По степени влажности крупнообломочные и песчаные грунты бы
вают маловлажные, влажные и насыщенные водой.
По степени водонепроницаемости грунты, используемые для со
оружения насыпей, разделяются на дренирующие и недренирующие.
К дренирующим относят грунты, имеющие при максимальной
стандартной плотности сухого грунта коэффициент фильтрации не
менее 0,5 м/сут. Для крупнообломочных грунтов с песчаным запол
нителем коэффициент фильтрации устанавливают испытаниями за
полнителя. Предварительная оценка водонепроницаемости грунтов
может быть дана по показателю гранулометрического состава.
В число дренирующих входят крупнообломочные грунты с пес
чаным заполнителем, пески гравелистые, крупные, средней круп
ности и мелкие, если содержание в них частиц менее 0,10 мм не пре
вышает 15 % (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Классификация гранулометрических фракций
109
Глинистые грунты выделяют по числу пластичности, по степени
влажности (консистенции), содержанию растворимых солей и орга
нического вещества и по набуханию.
К наименованию грунта при содержании 15—25 % по массе час
тиц крупнее 2 мм добавляется «с галькой» (щебнем), либо «с грави
ем» (дресвой), а при содержании частиц крупнее 2 мм по массе бо
лее 25 % (вплоть до 50 %) добавляется «галечниковые» (щебенис
тые) либо «гравелистые» (дресвяные).
Грунты классифицируют по строительным свойствам и техноло
гическим требованиям.
Для насыпей во всех условиях строительства можно применять
грунты, состояние которых под воздействием природных факторов
практически не изменяется или изменяется незначительно. К ним
относятся разрыхленные скальные из слабовыветривающихся гор
ных пород, крупнообломочные (с песчаным заполнителем), дрени
рующие песчаные, а также металлургические шлаки.
Применение этих грунтов может быть ограничено только по эко
номическим соображениям.
При возведении инженернотехнических сооружений учитыва
ют прочность, жесткие связи и несущую способность скальных по
род; при возведении откосов учитывают монолитность, трещинова
тость, степень выветривания горных пород; при строительстве дамб,
плотин и подтопляемых насыпей определяют подверженность по
род размоканию и выветриванию.
Многие горные породы представляют собой незаменимый стро
ительный материал для дорожных покрытий, облицовочных плит,
при изготовлении цемента, извести, гипса и т.д.
Из обломочных пород находят применение булыжные камни из
гранита, гнейса, базальта, которые обладают большой прочностью, вы
сокой теплопроводностью и значительной плотностью (1,80...2,50 г/см3).
Гравий используют для изготовления бетона (при размере частиц
от 5 до 80 мм) и для мощения проезжей части дорог. Песок применя
ют в кирпичной кладке (размер частиц до 2,5 мм), бутовой кладке
(до 5 мм), для отделочной затирки (0,5...1,0 мм). Плотность песка
колеблется в пределах 1,25...1,65 г/см3 при объеме пустот до 40 %.
Глина по характеру образования подразделяется на первичную,
или остаточную, и вторичную. Первая более качественная и содер
жит меньше примесей.
110
По огнеупорности выделяют:
– огнеупорную с температурой плавления выше 1580 оС;
– тугоплавкую — 1350...1580 оС;
– неогнеупорную — 1350 оС.
Применение глины обширно: кирпичное, черепичное, гончарное
производство, строительные растворы.
Основными факторами, влияющими на надежность и долговеч
ность земляных сооружений, выступают: геологические особеннос
ти территории строительства, физикомеханические свойства грун
тов, из которых возводятся земляные сооружения; соблюдение тех
нологической дисциплины производства работ, а также последствия
техногенного воздействия на окружающую среду.
История строительства изобилует примерами аварий земляных со
оружений, вызванных нарушениями этих факторов.
Особенно типичны разрушения земляных сооружений, в том чис
ле и железнодорожных насыпей, изза неустойчивости их основа
ний. При этом допускались ошибки как при проектировании, так и
при строительстве сооружений.
Под действием внешних сил (давления от веса сооружений и т.п.)
в рыхлых нескальных горных породах возникают как общие дефор
мации, присущие всем сплошным телам, так и деформации, вы
званные перемещением минеральных частиц, слагающих эти поро
ды. Если под действием внешних нагрузок структурное сцепление
между минеральными частицами не нарушится, то грунты будут де
формироваться как сплошные тела, минеральные частицы будут
только сближаться, уплотняться без взаимного перемещения, что по
служит причиной изменения объема грунта; поэтому эти деформа
ции именуются объемными.
Если же структурное сцепление нарушится, то деформации в грун
тах будут определяться перемещением отдельных минеральных час
тиц или их агрегатов; подобные деформации называют сдвигом. От
сюда механические свойства рыхлых горных пород под влиянием
внешних воздействий определяются показателями сопротивления их
сжатию и сдвигу — основными количественными показателями при
оценке сжимаемости, прочности и устойчивости пород.
Показатели, характеризующие сжимаемость грунтов, именуются
деформационными, а характеризующие сопротивление сдвигу —
прочностными.
111
Степень сжатия и уплотнения грунтов и явления, происходящие
в них при этом, зависят от вида и структурных особенностей грун
тов. Сжатие раздельнозернистых грунтов (песок, гравий, щебень и
т.п.), у которых внутренние структурные связи отсутствуют, зависит
от степени их плотности, гранулометрического и минералогическо
го состава и характера внешнего воздействия.
При статическом давлении, обусловленном весом сооружений
или вышележащей толщи грунтов, уплотнение раздельнозернистых
грунтов будет вызываться перемещением отдельных зерен одно от
носительно другого (чему препятствует трение, возникающее на по
верхности перемещения зерен). Этот процесс протекает сравнитель
но быстро и почти независимо от влажности, и при тех давлениях,
которые практически передаются на грунты от веса возводимых со
оружений, сжатие рассматриваемых грунтов сравнительно незначи
тельное. Поэтому раздельнозернистые грунты по своим свойствам
вполне удовлетворительны как основания сооружений.
Если же на подобные грунты будут воздействовать динамические
знакопеременные нагрузки, например от железнодорожного по
движного состава, то в зависимости от степени их плотности, а так
же влажности уплотнение их может быть значительным, что необ
ходимо заранее предвидеть.
Сжимаемость связных, или глинистых пород, занимающих пре
обладающее положение среди грунтов, зависит от сочетания и взаи
мовлияния многих факторов: гранулометрического и минералоги
ческого состава, концентрации порового раствора и характера пре
обладающих в растворе катионов, степени увлажнения, консистен
ции грунта, характера структурных связей, характера и скорости
приложения нагрузок и др.
Нарушение структурных связей в глинистых грунтах резко уве
личивает их сжижаемость. Существенное влияние на сжижаемость
связных грунтов оказывают скорость нарастания нагрузки и ее
величина: с их увеличением повышается уплотнение глинистых
пород.
При полном насыщении этих пород водой скорость сжатия будет
определяться степенью их водопроницаемости; при малых значени
ях коэффициента фильтрации и большой мощности сжимающегося
глинистого слоя процесс сжатия длился многие годы. Если в порах
связных грунтов, кроме воды, находится и воздух (трехфазное со
стояние грунта), который может свободно выходить, сжатие будет
112
происходить более интенсивно и независимо от степени водопро
ницаемости.
3.3. Определение объемов земляного полотна
3.3.1. Обработка продольного профиля и подсчет объемов
земляного полотна
Конечным результатом земляных работ в железнодорожном
транспорте является готовое земляное полотно.
В обычных равнинных условиях строительства железных дорог
применяют типовые профили поперечного сечения выемок и насы
пей, очертания и размеры которых служат основой для подсчета объе
мов земляных масс.
Исходным документом при проектировании производства зем
ляных работ и подготовке полосы отвода является продольный про
филь земляного полотна, на котором указаны рабочие отметки на
сыпи и выемки, искусственные сооружения и их параметры, кривые
участки пути, ситуационный план в пределах полосы отвода.
Объемы земляных масс зависят не только от рабочих отметок, но
и от основных технических параметров железнодорожного полотна,
которые определяются по СНиП 3201—95.
Соответствующие расчеты производятся на основе простей
ших геометрических построений, примеры которых приведены на
рис. 3.5—3.8.
В первом случае (рис. 3.5) по имеющимся значениям рабочих от
меток Н1 (насыпь) и Н2 (выемка) определяют расстояние х от точки
нулевых работ до пикета, расположенного слева от этой точки.
Рис. 3.5. Определение мест нулевых работ
113
Во втором случае определяют неизвестные рабочие отметки при
известных расстояниях точек начала и конца кривой до соответству
ющих пикетов (рис. 3.6). Длина моста
– при отверстии моста до 10 м
(3.5)
Lм = l + (Н1 + Н2);
– при отверстии моста более 10 м
Lм = l +1,25 (Н1 + Н2),
(3.6)
где l — отверстие моста;
Н1 и Н2 — рабочие отметки устоев моста.
Рис. 3.6. Расчет рабочих отметок начала и конца моста
Если эти отметки не заданы, то можно принять следующие их зна
чения: Н1 = Н2 = Ном, где Ном — рабочая отметка поперечной оси
моста.
Определив значение Lм, находят пикетное положение начала и
конца моста. Для этого из пикетного значения поперечной оси мос
та вычитают Lм/2, получая пикетное положение начала моста. При
бавляя к этому значению Lм, находят пикетное положение конца
моста. Рабочие отметки Ннм и Нкм (начало и конец моста) определя
ют по схеме, приведенной на рис. 3.7.
Расчетные формулы для определения объемов земляного полотна
Подсчет объемов насыпей и выемок в обычных (равнинных) ус
ловиях ведут по формулам, приведенным в специальных таблицах
или по номограммам в зависимости от вида грунта — дренирующий
или недренирующий.
При однообразном поперечном уклоне местности круче 1:10 (на
косогоре) объем rpунта
(3.7)
Vк = V + k (V + f L),
114
Рис. 3.7. Определение рабочих отметок начала и конца моста
где V — частный объем насыпи или выемки на местности без наличия косого
ра, подсчитанный по номограммам или формулам, м3;
L — протяженность участка насыпи или выемки, м;
k и f принимаются по табл. 3.7 и 3.8.
Таблица 3.7
Величина коэффициента k
Таблица 3.8
Величина коэффициента f для основных категорий новых железных дорог
115
В случае ломанного поперечного профиля местности объем зем
ляного полотна определяют способом прямоугольных координат.
При подсчете объемов отсыпаемых конусов у устоев мостов при
нимают ширину устоя поверху равной 4,9 м.
Конструкция устоя должна входить в насыпь на величину не ме
нее 0,75 м для насыпей высотой до 6 м и на 1,00 м для насыпей высо
той свыше 6 м.
Для простоты расчетов можно принять крутизну откосов одина
ковой для земляного полотна и для конуса. Объем обоих конусов
определяется по формуле
V =
πH
3(b − b1 + mH )2 + m 2 H 2 ,
24
(3.8)
где b — ширина земляного полотна, м;
b1 — ширина устоя поверху, b1 = 4,9 м;
Н — высота насыпи по обрезу фундамента, м;
m — показатель крутизны откоса земляного полотна и конусов.
У больших (длиной более 100 м) железнодорожных мостов для
сопряжения устоя моста с насыпью последнюю уширяют на 0,5 м
(рис. 3.8) на протяжении 10 м от задней грани устоя. На последних
15 м это уширение сводят до нуля. В связи с этим необходимо под
считать величину дополнительного объема земляных работ на под
ходах к мосту:
(3.9)
Vдоп = ∆b [10(Н1 + Н2) + 7,5Н3],
где Н1 — высота насыпи в месте начала ее уширения;
Н2 — высота насыпи у задней грани стенки устоя (Ннм или Нкм);
∆b — уширение земляного полотна, равное 0,5 м;
Н3 — высота насыпи на расстоянии 10 м от задней грани стенки устоя.
Рис. 3.8. Схема уширения земляного полотна на подходах к мосту
116
Если на трассе имеются водопропускные трубы, то объем насыпи
необходимо уменьшить на объемы, занимаемые ими. В этом случае
толщину стенок круглых труб принимают 15…18 см, а прямоуголь
ных — 10…13 см.
В связи с уширением земляного полотна в кривом участке пути
дополнительный объем за счет уширения составит
∆V = ∆b (Н1 + Н2/2 ± 0,15)L,
(3.10)
где ∆b — величина уширения в кривом участке пути;
Н1 и Н2 — рабочие отметки на соответствующем пикете или плюсовой точ
ке кривой;
L — длина пикета;
знак «+» — для выемки;
знак «–» — для насыпи.
Поскольку длина кривой, как правило, больше 100 м, подсчет до
полнительных объемов проводится для каждого пикета (полного и
неполного) отдельно.
Результаты подсчета объемов земляного полотна заносят в ведо
мость пикетных объемов. В ней, кроме частных и пикетных объе
мов, подсчитывают помассивные объемы выемок и насыпей. В кон
це ведомости подсчитывают профильную кубатуру (общий объем
выемок и насыпей).
3.3.2. Распределение земляных масс
Расчет средней дальности возки грунта
Железнодорожное земляное полотно состоит из непрерывно че
редующихся насыпей и выемок.
Намечая границы рабочих участков, определяют объемы грунта
по участкам. Грунт из выемок укладывают в кавальеры, отвалы или
перевозят в насыпи. Использование грунта, взятого в выемках, мо
жет оказаться невозможным или нецелесообразным изза его непри
годности для возведения насыпей, значительной дальности его пе
ремещения или изза естественных препятствий в виде водотоков,
глубоких оврагов и т.п. Насыпи, которые нецелесообразно сооружать
с возкой грунта из выемок, сооружаются из грунта, взятого в резер
вах карьерах, или за счет уширения соседних выемок.
Средняя дальность перемещения на участке по прямой равна го
ризонтальному расстоянию между центрами тяжести плоских фи
117
гур, изображающих объемы выемки и насыпи на графике, так как
они находятся на одной вертикали с центрами тяжести соответству
ющих массивов грунта. Центры тяжести фигур находят аналитичес
ки или графически (способом веревочного многоугольника).
При определении дальности транспортирования грунта полученное
расстояние увеличивают, прибавляя удлинение пути на заезды, пово
роты и обходы препятствий транспортирующими грунт машинами.
Обработка графика попикетных объемов позволяет по каждому ра
бочему участку найти рабочий объем и среднюю дальность возки грунта.
Профильным объемом Vпр называют общий объем постоянных
выемок и насыпей, определенный по их проектным размерам, без
учета добавок на осадку насыпей.
Рабочим объемом Vp называют общий объем всех выемок, резер
вов, карьеров, котлованов и канав. Сюда включают также объем об
ратных засыпок и другие объемы грунта, перевалка которого необхо
дима по ходу работы. Рабочий объем грунта исчисляют в естествен
ном состоянии. Коэффициент распределения грунта, т.е. отношение
профильного объема к рабочему, характеризует степень полезного
использования грунта, взятого из выемок. Минимальное его значе
ние близко к 1, а максимальное более 2. Например, при сооружении
насыпей из скального грунта выемок с коэффициентом остаточного
разрыхления 1,3 коэффициент распределения грунта равен 2,3.
Разбивку на рабочие участки делают с учетом однородности и оче
редности работ, по ним устанавливают объемы работ, дальность пе
ремещения грунта (расстояние между найденными центрами тяже
сти массивов). Центр тяжести каждого массива и расстояние между
ними находят по формулам:
n
x=
∑ vn xn
1
n
∑ vn
1
n
; y=
∑ vn yn
1
n
∑ vn
; l = ( xb − xn )2 + ( yb − yn )2 ,
(3.11)
1
где x, у — координаты центра тяжести массива;
vn — частные объемы грунта по квадратам или их частям, м3;
xn, yn — координаты центров тяжести квадратов или их частей;
l — расстояние, м, между центрами тяжести выемки или насыпи на участке.
При распределении земляных масс в целях сокращения рабочей
кубатуры (объема перемещаемого грунта) следует максимально ис
118
пользовать грунт, получаемый при разработке выемок, для возведе
ния насыпей. В этом случае величина рабочей кубатуры грунта бу
дет наименьшей. Решение задачи установления объемов и направ
ления перемещения масс составляет сущность распределения зем
ляных масс. В проекте фактически решается не задача распределе
ния земляных масс (что делается на стадии составления проекта
организации строительства всей железнодорожной линии), а назна
чаются объемы и направления потоков грунта с учетом принятых ма
шин, механизмов и технологии работ.
Представление о величине профильной кубатуры (объемов насы
пей и выемок) на участке возведения земляного полотна наглядно
дает график попикетных объемов (рис. 3.9).
График вычерчивается на миллиметровой бумаге под продольным
профилем в масштабе 1:10 000 по горизонтали и 1 см ~ 2000 м3 по
вертикали.
На каждом пикете вверх от горизонтальной нулевой оси откла
дывают в масштабе (1:1000—1:5000) вертикальные столбики, изо
бражающие объемы выемок, а столбики, изображающие объемы на
сыпей, откладывают вниз от нулевой оси. График насыпей заштри
ховывается в красный цвет, а выемок — в желтый.
Рис. 3.9. График попикетных объемов
119
Если на пикете имеются одновременно выемка и насыпь, то вер
тикальные элементы графика откладываются и вверх, и вниз, при
чем ширина столбика равна длине пикета. Над или под столбиком
графика указывается величина попикетного объема выемки или на
сыпи, а также подсчитывается величина помассивного объема вы
емки или насыпи.
После назначения потоков перемещения земляных масс опреде
ляют расстояния их перемещения — средние дальности возки грун
та Sср.
Графический способ определения Sср основан на построении кри
вой объемов (рис. 3.10), обладающей следующими свойствами:
а) ордината каждой точки кривой равна алгебраической сумме на
сыпей и выемок, расположенных слева от начальной точки кривой
до данной, причем ординаты выемок входят в сумму со знаком «+»,
насыпи — со знаком «–»;
б) восходящие ветви кривой (считая слева) соответствуют выем
ке, нисходящие — насыпи;
в) вершины кривой, т.е. точки кривой, в которых ординаты ме
няют знак, соответствуют нулевым точкам на продольном профиле,
т.е. точкам перехода от выемок в насыпь и наоборот;
Рис. 3.10. Кривая объемов
120
г) всякая горизонтальная прямая, пересекающая восходящую и
нисходящую ветви кривой объемов, отсекает на кривой сегмент, об
разованный двумя частями кривой, соответствующими на продоль
ном профиле участкам выемки и насыпи, объемы которых равны меж
ду собой, и измеряются на кривой величиной стрелы сегмента; эта
горизонтальная секущая линия называется линией равных объемов;
д) площадь сегмента, образованного кривой объемов и распреде
лительной линией, равна произведению объемов выемки на сред
нюю дальность возки при перемещении земляных масс грунта из
выемки в насыпь.
Ординаты кривой объемов подсчитываются в ведомости по фор
ме табл. 3.9. Коэффициент разрыхления грунта приведен в табл. 3.10.
Таблица 3.9
Ведомость ординат кривой объемов
Таблица 3.10
Коэффициент разрыхления грунтов и пород
В результате распределения земляных масс определяют границы
производственных участков с продольным и поперечным перемеще
нием грунта.
121
Границы производственных участков указываются на кривой
объемов.
При продольном перемещении грунта Scр принимают графичес
ки по кривой объемов (см. рис. 3.10).
Для учета дальности перемещения грунта землеройнотранспорт
ными машинами и автосамосвалами значение Scp увеличивают, при
бавляя удлинение пути на заезды, повороты и обходы препятствий
транспортирующими грунт машинами. Удлинение на один поворот
следует принимать от 20 до 50 м (соответственно для автосамосвалов
и скреперов).
Поправка к Scр для учета удлинения пути изза рельефа местнос
ти принимается:
– для среднехолмистой местности ∆S = (0,1…0,2)Scp;
– для горных условий ∆S = (0,3…0,5)Scp;
– для равнины ∆S = 0.
Величину Scp определяют для каждого производственного участ
ка. При работе бульдозера поперечную дальность возки грунта из
выемки в кавальер и из резерва в насыпь вычисляют с учетом попе
речных профилей резерва и насыпи, и выемки.
Рис. 3.11. Средняя дальность Sср при поперечной возке
122
Среднее расстояние Scp, м (рис. 3.11), между осью выемки и осью
кавальера
B
d
(3.12)
S cp = + mo H н + l1 + mphp + ,
2
2
где В — ширина основной площадки земляного полотна, м;
mо — показатель крутизны откоса;
Нн — высота насыпи, м;
l1 — ширина бермы, м;
mp — крутизна откоса резерва;
hp — глубина резерва (высота hк кавальера), м;
d — ширина резерва понизу (кавальера поверху), м.
3.4. Технология производства земляных работ
3.4.1. Основные положения технологии сооружения
железнодорожного земляного полотна.
Машины для сооружения земляного полотна
Земляные работы являются одной из наиболее важных частей тех!
нологического комплекса работ, выполняемых при строительстве же!
лезной дороги. По трудоемкости и по стоимости они составляют 25—
30 % общих затрат на ее сооружение.
Работы по сооружению земляного полотна должны выполняться
на основе утвержденных ПОС и ППР.
В комплекс земляных сооружений железнодорожного земляного
полотна входят:
– насыпи, полунасыпи, выемки, полувыемки главного пути,
станций и разъездов;
– водоотводные устройства (кюветы в выемках и полувыемках,
нагорные и водоотводные канавы, резервы при насыпях, дренажи,
прорези, лотки, штольни);
– защитные укрепительные устройства (бермы, струенаправля!
ющие дамбы, траверсы и другие регуляционные, противообвальные
и противооползневые сооружения);
– специальные насыпи под переезды, кавальеры и банкеты при
выемках.
Около 90 % земляных работ в железнодорожном строительстве зани!
мают работы по сооружению земляного полотна. Эти работы подразде!
ляются на подготовительные, основные, отделочные и укрепительные.
123
К подготовительным работам относятся:
– восстановление и закрепление на местности трассы железно
дорожной линии, разбивка и закрепление полосы отвода и находя
щихся за ее пределами территорий для размещения карьеров;
– расчистка трассы — вырубка леса, удаление мелколесья, кус
тарника, пней и крупных камней (валунов);
– подготовка площадок для карьеров;
– разбивка земляного полотна;
– устройство землевозных дорог;
– устройство нагорных и других водоотводных канав;
– выполнение комплекса работ для сооружения земляного по
лотна в зимнее время;
– осушение заболоченных и переувлажненных участков трассы.
К основным работам относятся:
– срезка дерна, заготовка растительного грунта;
– удаление слабых грунтов из основания насыпей;
– послойное рыхление сухих плотных грунтов при разработке вы
емок, карьеров и резервов, рыхление скальных пород, а также мерз
лого грунта в зимнее время;
– разработка грунта в отвал или с погрузкой в транспортные сред
ства;
– перемещение грунта из выемок, карьеров и резервов в насыпи,
кавальеры или отвалы;
– послойное разравнивание грунта в насыпях или кавальерах; по
слойное уплотнение грунта в насыпях;
– устройство и ликвидация въездов и съездов транспортных
средств, используемых при отсыпке насыпей;
– устройство уступов при сооружении насыпей на косогорах;
– выторфовывание и устройство прорезей при сооружении на
сыпей на болотах, удаление слабых грунтов из основания насыпи;
– нарезка кюветов в выемках;
– устройство регуляционных противообвальных и противоопол
зневых сооружений.
К отделочным работам относится планировка:
– основной площадки земляного полотна и нарезка сливной при
змы;
– откосов выемок и насыпей;
– станционных площадок;
124
– берм, дна и откосов резервов;
– верха и откосов кавальеров;
– откосов и дна карьеров (рекультивация).
Планировочные работы должны производиться вслед за оконча
нием разработки выемок и возведения насыпей.
В состав укрепительных работ входят укрепление откосов выемок и
насыпей, кюветов, канав, берм, конусов регуляционных сооружений.
Укрепительные работы ведут, как правило, вслед за окончанием
основных работ. Укрепление посевом многолетних трав производит
ся с учетом агротехнических требований. С целью использования по
чвенного слоя для укрепительных работ и рекультивации его пред
варительно снимают с площадей под основанием насыпей, верха
выемок, водоотводных канав, карьеров и резервов.
Машины для сооружения земляного полотна. Работы по сооруже
нию земляного полотна, как правило, выполняют механизирован
ными колоннами с применением средств комплексной механизации
подготовительных, основных и укрепительных работ. Комплекты
машин подбирают исходя из обеспечения максимальной произво
дительности ведущей машины, наименьшей трудоемкости и стоимо
сти работ с учетом грунтовых, топографических, климатических и
гидрогеологических условий района строительства. Работы по соору
жению земляного полотна ведут круглогодично.
При сооружении земляного полотна в качестве ведущих машин
в комплектах для подготовительных, основных и укрепительных ра
бот используют экскаваторы, скреперы, бульдозеры, автогрейдеры,
грейдерыэлеваторы, одноковшовые погрузчики, гидросеялки.
Э к с к а в а т о р а м и разрабатывают котлованы, канавы, тран
шеи, выемки; карьеры, резервы.
Для работы в карьерах целесообразно применять экскаваторы с
ковшом вместимостью 0,65…1,6 и 2,5 м3. В скальных грунтах исполь
зуют экскаваторы с ковшом вместимостью не более 1 м3. В таежно
заболоченной местности рационально применять экскаваторы с ков
шом вместимостью 0,65…1 м3. При работе на болотах и грунтах, име
ющих малую несущую способность, применяют экскаваторы повы
шенной проходимости. Одноковшовые экскаваторы используют при
работе как в отвал, так и на транспортные средства. Рациональное
соотношение между вместимостью ковша экскаватора, м3, и грузо
подъемностью автосамосвала, т, 1:10—1:12 (в кузов должно поме
125
щаться не меньше 6—7 ковшей). Минимальная грузоподъемность
автосамосвалов в зависимости от емкости ковша экскаватора сле
дующая:
...........
...........
Применение экскаваторов целесообразно при следующих соот
ношениях вместимости ковша и объема земляных работ на одном
объекте (карьере, выемке):
............
......
Для планировки откосов применяют экскаваторы с ковшомпла
нировщиком.
Прицепные и самоходные с к р е п е р ы применяют при выпол
нении следующих видов земляных работ:
– возведение насыпей из резервов и карьеров;
– разработка выемок с перемещением грунта в насыпи или кава
льеры.
Скреперы применяют для сооружения земляного полотна в не
скальных грунтах; плотные сухие грунты при этом рекомендуется раз
рыхлять. В глинистых грунтах с влажностью более границы раска
тывания, а также в сухих сыпучих песчаных грунтах эффективность
работы скреперов резко снижается, поэтому в таких условиях при
менять их нецелесообразно.
Прицепные скреперы по сравнению с экскаваторными комплек
тами эффективнее применять при дальности перемещения грунта
до 500 м, а по сравнению с самоходными скреперами — до 300 м.
Самоходные скреперы рекомендуется применять при дальности пе
ремещения грунта до 1000 м.
Б у л ь д о з е р ы при возведении земляного полотна применяют
для выполнения следующих видов работ:
– разработка выемок с перемещением грунта в насыпь или кава
льер;
– возведение насыпей из резервов;
– устройство полувыемок и полунасыпей на косогорах;
– срезка растительного слоя в основании насыпей и над выемка
ми и резервами;
126
– нарезка уступов в основании насыпей на косогорах и на отко
сах насыпей при строительстве вторых путей;
– разравнивание грунта при послойном возведении насыпей;
– планировка откосов (с дополнительным оборудованием);
– ремонт и содержание автодорог.
Бульдозеры рекомендуется применять для возведения насыпей
высотой до 1,5 м непосредственно из резервов. Высота насыпей, воз
веденных бульдозером при одновременной разработке выемки, не
ограничивается, но перемещение грунта на расстояние более 100 м,
как правило, нецелесообразно.
Г р е й д е р э л е в а т о р ы применяются:
– для возведения насыпей высотой до 0,8 м из односторонних и до
1 м — из двусторонних резервов при длине фронта работ 400—2000 м;
– для разработки грунта в карьерах с погрузкой его в автосамо
свалы и перемещением в насыпь.
При разработке грейдерэлеваторами сухих плотных грунтов ре
комендуется производить их предварительное рыхление. В сухих сы
пучих песках, глинистых грунтах с влажностью более границы рас
катывания, а также в грунтах, содержащих корни деревьев, большие
камни и валуны, грейдерэлеваторы применять не следует. Не реко
мендуется использовать их при длине фронта работ менее 200 м.
Одноковшовые ф р о н т а л ь н ы е п о г р у з ч и к и на пнев
моколесном и гусеничном ходу с ковшом вместимостью 2…5 м3 ис
пользуют для разработки карьеров (реже — выемок) в сухих грунтах
I—II категории с предварительным окучиванием. Разработка грун
тов IV категории, а также мерзлых и скальных возможна после их
предварительного рыхления.
При транспортировании грунта в возводимые насыпи или другие
земляные сооружения необходимо учитывать его потери в размере
0,5…2,0 % в зависимости от вида транспорта, категории грунта и рас
стояния. Размеры карьеров и резервов назначают в проекте с учетом:
– потерь грунта при транспортировании;
– степени уплотнения грунтов;
– осадок основания и тела насыпей.
Рыхление твердых скальных грунтов (свыше V группы) следует
выполнять буровзрывным способом. Для рыхления мерзлых грун
тов рекомендуется применение механических рыхлителей и буро
взрывного способа.
127
Планировку основной площадки и нарезку сливной призмы зем
ляного полотна в нескальных талых грунтах выполняют средними и
тяжелыми автогрейдерами, оснащенными системой автоматики,
например «Профиль30», работающей по лазерным направляющим.
Для нарезки сливной призмы в мерзлых грунтах используют маши
ну МРПК, оборудованную специальной цилиндрической фрезой.
Насыпи рекомендуется возводить из однородных грунтов. Отсы
паемый грунт должен разравниваться горизонтальными слоями или
с уклоном 0,02 в сторону откосов по всей ширине насыпи. В случаях
необходимости использования разнородных грунтов отсыпка их в
насыпь должна вестись также горизонтальными слоями, каждый из
которых состоит из однородного грунта.
Слои грунта следует отсыпать от краев к середине. На мокрых (сла
бых) основаниях и болотах отсыпку подводной части насыпи ведут
от середины к краям. Запрещается покрывать откосы насыпей грун
том с худшими дренирующими свойствами, чем у грунта, уложен
ного в тело насыпи; исключением является покрытие песчаных от
косов для защиты от выдувания глинистым грунтом либо раститель
ным грунтом при обсеве.
Состав работ по подготовке основания насыпей при сооружении
земляного полотна на косогорах включает, в числе прочих, срезку
плодородного слоя почвы на величину, установленную проектом;
удаление дерна под насыпями высотой до 0,5 м на равнинных учас
тках местности, а также под насыпями высотой до 1 м — в пределах
косогоров крутизной от 1:10 до 1:5.
3.4.2. Производство работ одноковшовыми экскаваторами.
Рабочее оборудование. Ходовое и силовое оборудование.
Забои, проходки, пионерная траншея
Выбор способа производства земляных работ зависит от разме
ров и объемов земляных сооружений, свойств грунта, наличия грун
товых вод и других условий. Одноковшовые экскаваторы являются
наиболее универсальными землеройными машинами. Ими разраба
тывают грунт и перемещают его навымет, т.е. непосредственно в от
вал, или грузят на транспорт. Одноковшовые экскаваторы класси
фицируют:
– по видам рабочего оборудования,
– по конструкции ходового устройства,
128
– по типу привода,
– по подвеске,
– по возможности вращения поворотной части.
Одноковшовые экскаваторы имеют сменное р а б о ч е е о б о р у
д о в а н и е — механические лопаты прямого и обратного действия,
драглайны, грейферы.
Прямой лопатой разрабатывают грунты, расположенные выше
уровня стоянки экскаватора (рис. 3.12, а, б). Грунты могут быть прак
тически любых видов, включая плотные и разрушенные скальные,
благодаря большим усилиям резания этого вида оборудования, жест
кости и прочности рабочего оборудования. У маятниковой прямой
лопаты рукоять совершает только маятниковое движение относи
тельно стрелы. Напорная прямая лопата имеет приводное устрой
ство для напорного движения рукояти. Общий вид экскаватора «пря
мая лопата» представлен на рис. 3.13, а.
Обратными лопатами разрабатывают грунт ниже уровня стоянки
экскаватора (рис. 3.12, в, г). Боковая обратная лопата предназначе
на для работы в стесненных условиях с ковшом, копающим в плос
кости, смещенной относительно вертикальной оси вращения пово
ротной платформы или относительно продольной оси базовой ма
шины.
Драглайнами разрабатывают грунт, расположенный ниже стоян
ки экскаватора, в отвал или с погрузкой на транспортные средства
(рис. 3.12, д). Гибкая подвеска ковша драглайна позволяет увеличить
дальность переброски грунта, разрабатывать обводненные или на
ходящиеся под водой грунты, устраивать прорези и траншеи на бо
лотах, а также сооружать насыпь из резерва и разрабатывать выемку
с переброской грунта в кавальер.
Ковш драглайна крепят на стреле не с помощью рукояти, а с по
мощью двух канатов. Один из них называется «подъемным», он яв
ляется основным держателем. С его помощью перемещают ковш в
вертикальной плоскости. Второй канат называется «тяговым» и «от
вечает» за черпание грунта. Принцип работы драглайна предельно
прост — ковш под собственным весом «вгрызается» в землю, а тяга
второго троса совершает загребающее действие, наполняя ковш грун
том. Стоит сказать, что большие драглайны монтируют не на шасси,
а на шагающем ходу, который состоит из опорной плиты, боковых
лыж и кулачкового механизма «шагания».
129
Рис. 3.12. Основные виды рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов
с канатным (а, в, д, е, з) и гидравлическим (б, г, ж, и) приводами: а, б — «пря
мые лопаты»; в, г — «обратные лопаты»; д — драглайн; е, ж — грейферы;
з — струг; и — струг с телескопической стрелой
130
Рис. 3.13. Общий вид экскаваторов: а — «прямая лопата»; б — «обратная лопа
та»; в — грейфер
Для очистки каналов применяют боковой драглайн с ковшом,
подвешенным на канатах и копающим под углом к вертикальной
плоскости стрелы.
Грейферы, снабженные захватывающим ковшом, служат для вы
полнения погрузочных и разгрузочных операций с сыпучими грун
тами и дроблеными породами, а также копания вертикальных ко
лодцев, очистки прудов и каналов. У канатного грейфера (рис. 3.12, е)
ковш подвешен на канатах, усилие напора ковша при наборе грунта
создается весом ковша. У жесткого грейфера (рис. 3.12, ж) ковш
шарнирно подвешен к одному из жестких элементов рабочего обо
рудования, а усилие напора на грунт создается приводным устрой
ством.
Погрузочное рабочее оборудование служит для погрузки грунта по
грузочным поворотным ковшом. Для послойной разработки грунта
в различных плоскостях на экскаватор устанавливают планировоч
ное рабочее оборудование в виде планировочного ножа или ковша,
либо землеройнопланировочного рабочего органа, укрепленного на
131
телескопической стреле. Эти рабочие органы более совершенны по
сравнению со стругами (рис. 3.12, з, и), которые применяют для вы
полнения зачистных и планировочных работ на уровне стоянки эк
скаватора.
Ходовое оборудование. По конструкции ходового устройства, основ
ным элементом которого является движитель, сообщающий машине
движение, экскаваторы бывают гусеничные, пневмоколесные, на базе
самоходной машины, на специальном шасси. Гусеничный экскаватор
имеет специальное гусеничное ходовое устройство с минимально до
пустимой опорной поверхностью гусениц (рис. 3.14, а). Гусеница пред
ставляет собой замкнутую цепь, состоящую из отдельных траков.
По внутренней поверхности этой цепи перемещаются опорные не
приводные катки машины, передающие на гусеницу ее вес. Ведущее
колесо выполнено в виде цепной звездочки, которая передает окруж
ное усилие на гусеницу, а реакция корпуса на это усилие действует как
сила тяги. Давление гусениц на грунт благодаря большой площади по
верхности опирания достаточно низкое, что объясняет высокую про
ходимость гусеничных машин. Гусеничный ход при ряде преимуществ
перед колесным имеет ряд недостатков, которые состоят в следую
Рис. 3.14. Классификация экскаваторов по типу ходового устройства: а — гусе
ничный; б — гусеничный с увеличенной поверхностью гусениц; в — пневмо
колесный; г — на специальном шасси; д — на базе трактора
132
щем: низкий КПД (65—75 %), большая масса (до 40 % общей массы
машины), большое число труднодоступных шарниров. Он предна
значен для работы на грунтах с высокой несущей способностью. Для
работы на грунтах с низкой несущей способностью служат экскавато
ры с увеличенной поверхностью гусениц (рис. 3.14, б). Опорную по
верхность увеличивают установкой уширенных гусеничных звеньев
или одновременного удлинения гусеничного ходового устройства.
Пневмоколесным называют экскаватор на колесном ходовом уст
ройстве, управляемый только с поворотной части (рис. 3.14, в). Од
ноковшовый экскаватор на базе самоходной машины имеет ходовое
устройство трактора или автомобиля (рис. 3.14, д); возможны и дру
гие виды самоходных машин.
Навесным является экскаватор на базе самоходной машины, узлы
которого могут быть сняты для применения базовой машины по на
значению. Одноковшовые экскаваторы на специальном шасси име
ют колесное ходовое устройство в виде специального шасси автомо
бильного типа (рис. 3.14, г).
Тип привода экскаватора (силовое оборудование) определяется ко
личеством и принципом работы двигателей и типом передач. Одно
моторные экскаваторы, у которых один или несколько двигателей
работают на один вал, приводя все рабочие механизмы, имеют меха
нический или гидравлический привод. Экскаватор с механическим
приводом характеризуется механической трансмиссией. Если меха
нический привод включает гидравлическую передачу (гидротранс
форматор), то такой привод называют гидромеханическим.
К многомоторным относят экскаваторы, у которых рабочие меха
низмы приводятся в действие несколькими независимо работающи
ми двигателями, например один двигатель обеспечивает передвиже
ние экскаватора, а другой приводит в движение рабочие органы.
Наиболее часто у многомоторных экскаваторов применяют элект
рический или гидравлический привод.
Передачи экскаваторов классифицируют на механические, элек
трические, гидравлические и смешанные. В механической трансмис)
сии движение от силовой установки передается с помощью зубчатых,
цепных, клиноременных и канатных передач. Примером последней яв
ляется работа экскаватора с канатноблочным приводом рабочих ор
ганов. В настоящее время экскаваторы с механической трансмисси
ей используются редко.
133
Двигатель экскаватора через фрикционные муфты, обычно име
ющие механическое управление (от рычага в кабине), вращает бара
баны лебедок, наматывая на них трос. При этом происходит, напри
мер, подъем стрелы или перемещение рукояти так, что ковш зареза
ется в грунт. Обратное движение рабочих органов, например опуска
ние стрелы, происходит под действием их веса при выключенной
муфте. Скорость обратного перемещения регулируется за счет тор
мозов барабанов лебедок, управляемых из кабины. Таким образом,
недостатком этого типа привода рабочих органов является то обсто
ятельство, что половина ходов рабочих органов являются холосты
ми, когда он, не имея возможности реализовать усилие, необходи
мое, например, для резания грунта, под собственным весом возвра
щается в исходное положение.
В объемном гидроприводе роль элемента, передающего давление от
силовой установки на исполнительный орган, например поршень в
цилиндре, выполняет жидкость. Первичным потребителем энергии
служат один или несколько насосов, нагнетающих жидкость под дав
лением по гидросети к гидродвигателям, от которых приводится в
движение рабочее оборудование экскаватора. Насосы могут быть вра
щательного (шестеренные, пластинчатые) или возвратнопоступа
тельного (поршневые, плунжерные) действия. Объемная гидропере
дача проще механической трансмиссии с ее многочисленными дета
лями и узлами. Кроме того, объемная гидропередача обеспечивает
большие передаточные числа.
Простейший объемный гидропривод представлен на рис. 3.15. Это
система сообщающихся сосудов, в которой давление на поршни, со
гласно закону Паскаля, одинаково и обратно пропорционально от
ношению их площадей. Передаточное число есть частное от деле
ния площади большего на площадь меньшего поршней. Если в этой
схеме на место меньшего цилиндра 1 поместить гидронасос, то сис
тема сообщающихся сосудов превратится в объемный гидропривод,
который применяется для передачи поступательного движения во
многих строительных машинах и гидроинструменте. Большой ци
линдр 2 будет играть роль гидродвигателя, которые широко исполь
зуются в гидропередачах экскаваторов, а также скреперов, бульдо
зеров и т.д. Существуют также аксиальнопоршневые гидромоторы,
которые служат для преобразования возвратнопоступательного дви
жения поршня каждого из нескольких больших цилиндров объем
134
Рис. 3.15. Простейший объемный гидродвигатель: 1 — малый цилиндр; 2 — боль
шой цилиндр; 3 — дроссель; 4 — запасный резервуар
ного гидропривода, входящих в конструкцию гидромотора, во вра
щательное движение вала такого мотора. Аксиальнопоршневой гид
ромотор используется для вращения, например, механизма поворот
ной платформы экскаватора или его колес. Он передает к месту на
значения крутящий момент двигателя так же, как и гидромуфта, бу
дучи свободным от недостатков последней.
В гидродинамической передаче используют гидромуфты или гидро
трансформаторы, которые встраиваются между силовой установкой
и механическими передачами и удобны для передачи вращательно
го движения от двигателя внутреннего сгорания к механической
трансмиссии. Вал колеса турбины имеет угловую скорость ω2, вал
колеса насоса — ω1. Передаточное число i п = ω2/ω1. Величина
S = 1 – iп называется скольжением. Передаточное отношение гид
ромуфты и величина скольжения зависят от момента на валу турби
ны. Чем меньше скольжение, тем меньше момент, передаваемый
муфтой; при S = 0 момент не передается (выходной вал не нагру
жен). Если вал заторможен, значение S и передаваемый момент мак
симальны. КПД при высоком скольжении гидромуфты невысок,
крутящий момент не регулируется.
У гидротрансформаторов, в отличие от гидромуфт, между насо
сом и турбиной помещен струенаправляющий аппарат, который по
зволяет управлять величиной крутящего момента на ведомом (вы
ходном) валу за счет дросселирования потока. Достоинством гид
135
ропривода является возможность реализации рабочего усилия при
перемещении рабочего органа как в прямом, так и в обратном на
правлении.
В электродинамической передаче вместо гидромуфт или гидро
трансформаторов устанавливают электромуфты. В смешанных пе
редачах применяют разные типы передач и их комбинации.
При электрическом приводе энергия от силовой установки к ме
ханизмам машины передается электрическим или механическим
способом.
На большинстве экскаваторов получили распространение сме
шанные электромеханические или гидромеханические передачи.
По возможности вращения поворотной части экскаваторы делят
ся на полноповоротные и неполноповоротные. Полноповоротные од
ноковшовые экскаваторы имеют поворотную часть, которая враща
ется вокруг оси, перпендикулярной плоскости поворота, на неогра
ниченный угол. У неполноповоротных экскаваторов угол вращения
поворотной части ограничен.
Подбор экскаватора по геометрической емкости ковша. В зависи
мости от типа грунта, объемов земляных работ и сроков их выполне
ния выбирают экскаватор с соответствующими рабочим оборудова
нием и емкостью ковша.
В общем случае для определения необходимой емкости ковша эк
скаватора подсчитывают значение часовой производительности q как
частное от деления всего объема ΣVi, м3, земляных работ, выполняе
мых этим экскаватором на всех производственных участках (в выем
ках, резервах, карьерах) на директивный или договорной срок Tq, ч:
n
q=
∑Vi
i =1
Tq
.
(3.13)
Полученное значение часовой производительности позволяет в
первом приближении подобрать требуемое рабочее оборудование эк
скаватора в соответствии с табл. 3.11.
Экскаваторные забои и проходки. Пионерная траншея. Экскаватор
ным забоем называется рабочая зона, в которую входят площадка для
установки экскаватора и транспортных средств, а также поверхность
разрабатываемого массива грунта.
136
Таблица 3.11
При работе прямой лопаты применяют боковой или лобовой за
бой. По мере разработки забой перемещается и за экскаватором
остается траншея, называемая проходкой. Если поперечник проход
ки примерно соответствует геометрическим размерам ковша (напри
мер, разработка водоотводных канав профилировочными ковшами),
то за экскаватором остается выработка проектного очертания. В про
тивном случае проходка лишь приближается к нему и требуется до
работка земляного сооружения либо проведением нескольких про
ходок, либо с помощью планировочных машин (стругов и т.п.), ко
торые ликвидируют н е д о б о р г р у н т а.
Лобовой забой применяют для прорезания разрабатываемого мас
сива грунта в первый раз. Соответствующая проходка носит назва
ние лобовой, а образующаяся при этом траншея — пионерной. Ее
размеры определяются характеристиками экскаватора, а продольный
уклон — характеристиками транспортных средств, применяемых для
вывоза грунта.
Экскаваторы «прямая лопата» с канатно)блочным управлением при
проходке пионерной траншеи в значительной мере теряют произво
дительность изза недостаточной высоты забоя, что отрицательно ска
137
зывается на наполнении ковша. Прямые и обратные лопаты с гидрав
лическим приводом свободны от этого недостатка. Поэтому прямые
лопаты с канатноблочным управлением целесообразно использовать
в тех условиях, когда подошва уступа расположена ниже его верхней
полки, например в карьерах, складах балластных материалов и т.п.
Неудобство лобовой проходки проявляется также в том, что транс
портные средства подходят на погрузку на одном уровне с экскава
тором сзади него. Это требует разворота экскаватора практически
на 180о, что вызывает увеличение удельного веса холостых ходов в
продолжительности рабочего цикла экскаватора. Затруднено манев
рирование транспортных средств в узкой траншее лобовой проход
ки, что увеличивает простои экскаватора в ожидании подхода авто
самосвалов под погрузку.
Таким образом, следует стремиться к сокращению лобовых про
ходок и максимально быстрому переходу к боковым проходкам по
уже вскрытым боковым поверхностям пионерной траншеи. В этом
случае за счет увеличения ширины траншеи упрощается маневри
рование транспортных средств, и они подходят под погрузку сбоку
от экскаватора так, что экскаватору достаточно повернуться на угол,
близкий к прямому. Это сокращает потери времени на разгрузку грун
та в составе рабочего цикла. Боковой забой с погрузкой грунта в
транспортные средства, располагаемые выше уровня стоянки экс
каватора, применяют при поярусной разработке глубоких выемок
(рис. 3.16).
Максимальная высота, ширина и другие размеры забоя опреде
ляются рабочими характеристиками экскаватора, некоторые из ко
Рис. 3.16. Поярусная разработка глубоких выемок боковой проходкой траншеи
при разных уровнях стоянки экскаватора и проезда транспорта: I—VIII — по
следовательность проходки
138
торых для отечественных экскаваторов «прямая» и «обратная лопа
та» серии ЭО приведены в табл. 3.12. Технические параметры неко
торых других типов экскаваторов приведены в приложении 1.
Таблица 3.12
Технические характеристики экскаваторов
3.4.3. Производство работ экскаватором «прямая лопата».
Проектирование забоев и проходок
Размещение в забое экскаватора «прямая лопата» и основные тех
нологические размеры представлены на рис. 3.17. Как видно из ри
сунка, при копании ковш движется вверх, срезая стружку перемен
ного сечения. Когда рукоять экскаватора занимает горизонтальное
139
Рис. 3.17. Размещение в забое и основные технологические размеры экскава
тора «прямая лопата»
положение, толщина стружки и усилие резания достигают максиму
ма. Обычно в этот момент ковш полностью заполняется грунтом.
Поэтому его высота в этот момент называется высотой копания (на
бора). При необходимости подъем ковша можно продолжить до наи
большей высоты копания Нкн, которая определяется конструкцией
экскаватора. Важным параметром является высота выгрузки Hрн, ко
торая для экскаваторов с канатноблочным приводом определяется
как высота нижней кромки откинутого днища ковша, а для экскава
торов с гидравлическим приводом — как высота режущей кромки при
опрокинутом ковше. Высота забоя, при которой происходит напол
нение ковша, зависит от группы трудности разработки грунта и для
экскаваторов с ковшами емкостью 0,5…2,5 м3 лежит в пределах 2…3 м
для I, II групп, 3,5…4,5 — для III и 5…6 — для IV. При меньших высо
тах забоя за одно движение ковша экскаватора с канатным приводом
он не успевает заполниться, что снижает производительность. Гид
равлические экскаваторы, имеющие механизм поворота ковша на
рукояти, свободны от этого недостатка.
Как уже отмечалось, при разработке пионерной траншеи прихо
дится выполнять зарезание экскаватора в грунтовый массив, т.е. ве
сти копание с заглублением по отношению к уровню стоянки. Ха
рактеристикой экскаватора при выполнении этой работы является
глубина копания hк, которая для экскаваторов с канатноблочным
140
приводом лежит в пределах 1,5…2,0 м, что приводит к снижению
производительности экскаваторов при зарезании примерно втрое по
сравнению с нормальной. Поэтому начальный участок траншеи для
работы такого экскаватора может быть подготовлен, например, буль
дозером. Гидравлические экскаваторы практически не снижают про
изводительность в таких условиях, имея hк в пределах 3,5…5 м.
В случае погрузки разрыхленного взрывным способом грунта наи
большую высоту забоя принимают равной 1,5 Нкн.
Кроме высот, определяющее значение имеют радиусы, отсчиты
ваемые от вертикальной оси вращения поворотной платформы ма
шины. К ним относятся радиус копания Rкр — расстояние до наибо
лее удаленной точки режущей кромки ковша; радиус разгрузки
Rрн — расстояние до центра разгрузочного проема ковша.
Для этих радиусов указывают их наибольшие значения при мак
симальном выдвижении рукояти и положении стрелы, близком к го
ризонтальному. Наибольшему радиусу разгрузки соответствует вы
сота разгрузки, которая меньше Нрн. Наименьшим радиусом копа
ния является Rко — радиус копания на уровне стоянки.
В отношении оптимизации нагружения силовой установки экс
каватора работа с наибольшим радиусом копания невыгодна, поэто
му рабочий радиус копания Rр обычно на 15—20 % меньше Rкр. При
увеличении радиуса копания сверх этой величины экскаватор пере
мещается на величину Lпэ к забою, которую в зависимости от вмес
тимости ковша qэ можно определить как
Lпэ = 1,73 qэ .
(3.14)
При этом полный угол фронта экскавации (рис. 3.18) составит
160о и размер Bт поверху получающейся траншеи составит
2
В т = 2 Rкр
− L2пэ .
(3.15)
При обычной вместимости ковшей экскаваторов величина Bт со
ставит от 12 до 25 м, что является достаточным для разворота автоса
мосвала при подаче под погрузку. Самосвал подают под погрузку с
той стороны забоя, которую разрабатывает экскаватор, для сокра
щения угла поворота. Это вызвано тем, что поворот экскаватора на
разгрузку обычно занимает почти 2/3 времени его рабочего цикла.
Самосвал останавливают так, чтобы между наиболее выступающи
141
ми точками задней части платформы экскаватора и им самим оста
валось не менее полуметра. Радиус хвостовой части платформы обо
значается Rх (см. рис. 3.17). Этот же радиус используют для опре
деления ширины асимметричной траншеи уменьшенной ширины
(рис. 3.18, б). При ее разработке экскаватор смещается к одной из
стенок на величину dб, равную Rх + 0,8. При этом угол фронта экс
кавации составит примерно 100о, а ширина траншеи Bт составит
2
В т = dб + Rкр
− L2пэ .
(3.16)
Если ширина траншеи для разворота самосвала недостаточная,
то на расстоянии, не большем 100 м от забоя, в стенке траншеи экс
каватором вырезают тупиковый карман для разворота.
Рис. 3.18. Разработка фронтального забоя «прямой лопатой» с разгрузкой:
а — на обе стороны; б — на одну сторону
При необходимости разработки уширенной траншеи (2,5Rкр) ис
пользуют зигзагообразную передвижку экскаватора в забое. Этот спо
соб разработки может быть применен в том случае, если проходки
нормальной ширины для образования контура земляного сооруже
ния недостаточно, а вторая проходка между проектной границей со
оружения и стенкой последней, наиболее близкой к ней траншеи
помещается на расстоянии, примерно равном четверти проходки.
При построении контура дна траншеи необходимо определить
размер горизонтальной проекции стенки траншеи d1 (рис. 3.19) с до
статочной для практических целей точностью. Если считать, что
142
Рис. 3.19. Построение контуров дна и борта траншеи
ковш при движении в вертикальной плоскости описывает дугу ок
ружности, то кривую контура борта траншеи можно считать эллип
тической с большой полуосью d2 = hт и малой полуосью d1. Из гео
метрических построений имеем
d1 =
Bт
1 − Е .
2 Rкр
(3.17)
При необходимости (если при лобовой проходке невозможен за
ход автосамосвалов в траншею) погрузку ведут с подъездом автоса
мосвалов сбоку. В этом случае возникают ограничения по глубине
траншеи (рис. 3.20, а). Погрузочную высоту автомобиля Hап в этом
Рис. 3.20. Боковая разгрузка ковша экскаватора: а — в отвал при лобовой про
ходке забоя; б — навымет при проходке пионерной траншеи и разгрузке на обе
стороны (размеры даны в мм)
143
случае принимают с запасом 0,5…0,8 м для образования «шапки».
В этом случае глубина траншеи составит
hт = Н рн − Н ап − (0,5...0,8),
(3.18)
где Нрн — наибольшая высота разгрузки.
Расстояние от оси экскаватора до кромки борта траншеи должно
быть не более dб = Rрс – 1 – Bх /2, где Rрс — радиус разгрузки при
наибольшей высоте; Bх — ширина по следу колес. Соблюдение это
го условия позволяет автомобилю останавливаться за пределами
призмы обрушения.
Для обеспечения высокой производительности экскаватора и
ускорения проходки при разработке и погрузке в транспортные сред
ства средних и твердых грунтов устраивают пионерную траншею только
для транспортных средств, так как глубина траншеи hт оказывается
недостаточной. При работе экскаватора навымет ее прокладывают по
оси выемки, разгружая грунт в отвалы по обе стороны от траншеи и
забирая его при последующих проходках (рис. 3.20, б). Исходя из не
обходимости равенства размеров пионерной траншеи и отвалов и пред
полагая симметричное расположение в них грунта, можно записать
S от
2kp
=
Sт
2
,
(3.19)
где Sот — площадь поперечного сечения отвала;
kр — коэффициент разрыхления грунта.
Приближенно можно считать, что отвал имеет форму равнобед
ренного треугольника с величиной угла естественного откоса для
рыхлых грунтов 45о и высотой, равной заложению откоса. Это зна
2
чит, что S от ≅ Н от
. Отсюда площадь траншеи составит
S = 2Н 2 /k .
т
от
(3.20)
р
Эту площадь при известных размерах определяют по формуле (см.
рис. 3.21):
S т = В т hт kэ ,
(3.21)
R
где k =
э
Rкр
0,95…0,97.
144
ко
+
π
R
1 − ко
4 R
кр
— численный коэффициент, лежащий в диапазоне
Но в рассматриваемом случае неизвестны глубина hт и ширина
Вт траншеи. В этом случае поступают следующим образом. Задают
ся одной из этих величин, например Вт. Тогда глубина траншеи
hт = Н р − Н от − ∆1,
(3.22)
где Нр — высота выгрузки экскаватора;
∆1 — резерв высоты отвала.
С учетом (3.21) и (3.22) получим
2
kэ Вт (Н p − Н от − ∆1 ) = 2Н от
/ kp .
(3.23)
Из этого квадратного уравнения можно найти Нот:
H от = kэ kрВ т 1 + 8(Н р − ∆1 ) / (kэ kрВ т ) − 1.
(3.24)
Для предотвращения осыпания вынутого грунта в траншею на усту
пе борта необходима полоса не óже 1 м, ширина ∆2 которой составляет
∆ 2 = Rp − Н от −
Вт
2
≥ 1.
(3.25)
Если эта ширина недостаточна, то ее корректируют уменьшени
ем Нот; если она значительно больше 1 м, то увеличивают размеры
траншеи и соответственно объем отвала, в результате чего он приоб
ретает трапецеидальную форму.
При наличии пионерной траншеи дно следующей проходки уда
ется расположить так, чтобы обеспечить нормальную высоту забоя
экскаватора (см. рис. 3.17). Эта проходка является боковой; ее не
удобство состоит в наличии ребра в сопряжении стенки забоя и от
крытого борта ранее пройденной траншеи. Для его удаления экска
ватор в траншее располагают так, чтобы поворот до этого сопряже
ния происходил с углом не более 45о (рис. 3.21, а). Символом Вт на
рисунке обозначена полная ширина боковой проходки при одина
ковом уровне стоянки экскаватора и транспортных путей, т.е. рас
стояние от верхней кромки отрабатываемого борта до нижней кромки
ранее отработанного борта. Площадь проходки ориентировочно
определяют как произведение В т′ hт . Здесь В т′ — ширина отрабаты
ваемого массива, которая определяется как
В′ = В −d ,
(3.26)
т
т
1
где d1 — размер малой полуоси эллипса.
145
Рис. 3.21. Боковые проходки (определение размеров)
Если уровень проезда транспорта оказывается выше уровня сто
янки экскаватора, как на рис. 3.21, б, то проверяют условие прохо
димости хвостовой части у борта траншеи.
Проектирование разработки выемки экскаватором состоит в раз
мещении лобовых и боковых проходок (см. рис. 3.17) по всему разра
батываемому массиву. При этом имеет место настолько большое раз
нообразие конкретных условий, что проектирование требует от ис
полнителя достаточного опыта. Проходки проектируют по ярусам,
которые прокладывают параллельно или лучеобразно в зависимости
от способа разработки выемки в продольном профиле. Параллель
ные ярусы (рис. 3.22, а) позволяют получить забои одинаковой высо
ты, но при этом возникают сложности, связанные с необходимостью
работы экскаватора и маневра транспортных средств на крутых ук
лонах. Лучеобразные ярусы (рис. 3.22, б) удобны в связи с постепен
ным снижением продольного уклона проходки. При этом необходи
мо следить за обеспечением возможности естественного стока атмо
сферных осадков (продольный уклон должен быть не менее 0,003).
Аналогично прокладывают проходки при двусторонней вывозке
грунта (рис. 3.22, в, г). Конфигурация земной поверхности приво
146
Рис. 3.22. Расположение проходок: а, в — параллельных при одно и дву
сторонней вывозке; б, г — лучеобразных при одно и двусторонней вывозке;
д — в случае расположения дна карьера ниже земной поверхности; е — при за
ложении карьера на косогорном участке; 1 и 2 — ярусы
дит к тому, что на одной части длины проходка может быть парал
лельной, а на другой — лучеобразной. В связи с увеличением по мере
разработки глубины выемки ширина проходок может меняться. Если
экскаватор разрабатывает первую основную проходку после того, как
разработана пионерная траншея и ее дно располагается ниже дна
траншеи, то сначала он расширяет пионерную траншею, копая один
из ее бортов, с постепенным выходом на расчетные отметки дна ос
новной траншеи.
147
На практике поступают следующим образом. Исходя из техни
ческих характеристик выбранных экскаватора и автосамосвала, стро
ят шаблон забоя экскаватора. Шаблон, предусматривающий разра
ботку грунта при наибольшем радиусе копания и погрузку его на наи
большей высоте разгрузки имеет максимально возможные при при
нятых средствах механизации размеры. Далее шаблон вырезают по
контуру и накладывают на поперечное сечение выемки, построен
ное в том же масштабе. После нанесения на поперечное сечение вы
емки пионерной траншеи совмещают уровень и ось расположения
транспортных средств на шаблоне с дном и осью пионерной тран
шеи и получают очертание первой проходки. Затем, расположив ав
томашину на дне первой проходки, получают очертание второй про
ходки. При проектировании третьей проходки предусматривают пол
ку неразрабатываемого грунта для движения автотранспорта.
Технологическая схема разработки выемки (карьера) экскаватором
«прямая лопата» при отсыпке грунта в насыпь. В состав технологичес
кого процесса разработки выемки экскаватором «прямая лопата»
и отсыпки насыпи автосамосвалами, (рис. 3.23), входят:
– разработка грунта в выемке (карьере) с погрузкой в автосамо
свалы;
– выгрузка грунта на насыпи;
– разравнивание грунта бульдозером;
– послойное уплотнение грунта грунтоуплотняющими машинами.
Послойная отсыпка, разравнивание и уплотнение грунта, а так
же движение автосамосвалов по спланированному и уплотненному
Рис. 3.23. Схема разработки выемки экскаватором «прямая лопата» и отсыпка
насыпи автосамосвалами
148
слою грунта осуществляется при кольцевой езде автосамосвалов или
с их разворотом на насыпи.
Сначала отсыпают одну половину ширины слоя насыпи, а дви
жение автосамосвалов происходит по другой. После отсыпки грунта
по всей длине слоя его разравнивают и уплотняют. При ширине слоя
не менее 11 м груженые автосамосвалы разворачиваются около мес
та выгрузки грунта. Отсыпку грунта ведут по всей ширине слоя. По
длине насыпь делят на две захватки:
– на одной ведут отсыпку грунта автосамосвалами и разравнива
ние его бульдозерами;
– на другой работает грунтоуплотняющая машина.
При отсыпке слоев, ширина которых меньше 11 м, организуют
кольцевую езду с устройством въездов и съездов на насыпь, либо ав
тосамосвалы разворачиваются на насыпи, где ее ширина достаточ
на, и подаются под разгрузку задним ходом. Ширина въездов на на
сыпь и съездов с нее должна быть не менее 4,7 м, а продольный
уклон въездов — не круче 0,1.
Способ проектирования проходок при разработке карьеров ана
логичен изложенному, только в этом случае проектировщик меньше
связан требуемыми очертаниями сооружения и основное внимание
уделяет обеспечению рациональных условий для погрузки грунта,
маневрирования и движения автотранспорта. Порядок разработки
карьеров определяется характером залегания массива. Если дно ка
рьера расположено ниже земной поверхности, как на рис. 3.22, д, то
стремятся расширять траншею боковыми проходками на одном ус
тупе, переходя в случае необходимости на второй, более глубокий.
Точно так же поступают, если карьер заложен на косогорном участ
ке (см. рис. 3.22, е), отрабатывая до максимально допустимой высо
ты верхний уступ 1, а затем — нижний 2 в основном боковыми про
ходками.
3.4.4. Производство работ экскаватором «обратная лопата».
Забои, проходки
Обратные лопаты и грейферы являются разновидностью рабочего
оборудования экскаваторов, технологические свойства которого су
щественно зависят от типа привода. В настоящее время экскавато
ры, оборудованные обратными лопатами с канатным приводом прак
тически не используются, поэтому рассматриваться далее не будут.
149
Экскаваторы с гидравлическим приводом применяют наиболее ши
роко. Их отличием является наличие стрелырукояти, каждому из
шарнирных сочленений которой соответствуют тяговые гидроцилин
дры, обладающие значительным запасом мощности. Возможность по
ворота ковша на рукояти и самой рукояти в плане относительно стре
лы (в некоторых моделях) обеспечивает удобство использования та
ких машин в стесненных условиях — у стен, фундаментов и т.п.
Гидравлический привод обеспечивает высокую точность движе
ний и повторяемость реакций машины на отклонения рычагов уп
равления. Это позволяет использовать гидравлические обратные ло
паты не только при устройстве выемок на полный профиль, но и при
зачистке и планировке откосов и площадок совместно с ликвидаци
ей недоборов грунта.
При разработке выемок небольшой глубины (до 5…6 м) эффек
тивна технологическая схема, при которой такую выемку разраба
тывают на полный профиль за
одну проходку (рис. 3.24). При
этом экскаватор движется по
фронту работ, оставляя за со
бой траншею, автомобилиса
мосвалы подъезжают на по
грузку не по разрыхленному
дну забоя, а по неразработан
ному грунту в естественном
сложении. Их подают под по
грузку с таким расчетом, что
Рис. 3.24. Работа экскаватора «обратная
лопата» при устройстве неглубоких вы бы обеспечить минимальные
углы поворота платформы эк
емок на полный профиль
скаватора. Это позволяет суще
ственно сократить время цикла и тем самым приблизить эффектив
ность работы обратной лопаты к прямой.
Технологическая схема разработки выемки экскаватором «обратная
лопата» с отсыпкой грунта в насыпь (рис. 3.25). В состав технологи
ческого процесса входят: разработка грунта в выемке экскаватором с
погрузкой в автосамосвалы; отсыпка грунта на насыпи; послойное
разравнивание грунта бульдозером; уплотнение грунта. Эту же тех
нологическую схему можно применять в выемках при разработке мер
злого и скального грунта после предварительного разрыхления.
150
Разработку грунта экскаватором «обратная лопата» ведут при сто
янке экскаватора наверху разрабатываемой площадки и организуют
двумя способами: 1) проходками с торцовым забоем, когда экскава
тор перемещается в пределах разрабатываемой им полосы; 2) про
ходками с боковым забоем, когда экскаватор перемещается за пре
делами разрабатываемой им полосы.
По сравнению с боковым забоем торцовый имеет преимущество,
так как за одну проходку позволяет разрабатывать грунт на полосе
шириной, почти равной удвоенному наибольшему радиусу резания,
а также вести разработку с небольшими средними углами поворота.
Погрузка грунта в автосамосвалы, устанавливаемые на дне забоя, дает
возможность сократить угол поворота до 10…15о и повысить произ
водительность экскаватора. Целесообразно разработку выемки экс
каватором вести челночным способом на всю ширину. Технология
отсыпки насыпи аналогична описанной в п. 3.4.3.
На рис. 3.25 и 3.26 приведены технологические схемы разработки
соответственно выемки с перемещением грунта в кавальер и отсып
ки насыпи с использованием экскаватора «обратная лопата».
Рис. 3.25. Схема разработки выемки экскаватором «обратная лопата» и отсып
ки насыпи автосамосвалами: 1 — экскаватор «обратная лопата»; 2 — автоса
мосвал; 3 — вешка; 4 — бульдозер; 5 — каток; δ — толщина отсыпаемого слоя
151
Рис. 3.26. Схема отсыпки насыпи «обратной лопатой» из резервов: 1, 2, 3 — по
следовательность уплотнения катком
К оборудованию экскаваторов, позволяющему осуществлять ко
пание ниже уровня стоянки, относятся также грейферы. Канатный
грейфер подвешивается на подъемном канате. Замыкание челюстей
осуществляется при наматывании тягового каната на барабан лебед
ки, а размыкание — под действием собственного веса механизма
грейфера. В силу того что канатный грейфер врезается в грунт под
действием собственного веса, он используется для разработки мяг
ких или сыпучих грунтов при рытье глубоких котлованов, дноуглу
152
Рис. 3.27. Гидравлический грейфер на железнодорожном ходу: а — общий вид;
б — ковш гидравлического грейфера
бительных работах, добыче строительных материалов (например,
гравия) изпод воды и на погрузочноразгрузочных работах с сыпу
чим материалом. Кроме того, канатные грейферы могут использо
ваться на обратной засыпке котлованов с фундаментами сложной
формы. Эффективность работы в этом случае обеспечивается за счет
того, что грейфер точнее, чем любое другое рабочее оборудование,
можно установить над местом разгрузки и обеспечить попадание
грунта в требуемое место.
Гидравлические грейферы, аналогичные приведенному на рис. 3.27,
врезаются в грунт под напором машины независимо от веса ковша,
поэтому могут применяться для копания вертикальных колодцев глу
биной до 8…10 м в плотных грунтах и стесненных условиях.
3.4.5. Производительность экскаватора.
Определение потребности в транспортных средствах.
Комплектующие машины
Эксплуатационная производительность экскаватора, м3/ч, опре
деляется по формуле
k
Qэ = 60qэ н kв ,
(3.27)
t ц kр
153
где qэ — геометрическая емкость ковша, м3;
tц — время цикла экскаватора, мин;
kр — коэффициент разрыхления грунта в ковше экскаватора, который имеет
следующие значения в зависимости от группы грунта: I — 1,1; II — 1,2; III — 1,25;
kн — коэффициент наполнения ковша экскаватора; обычно изменяется в
пределах от 0,8 до 1,5 в зависимости от вида и группы трудности разработки
грунта и рабочего оборудования экскаватора;
kв — коэффициент использования экскаватора по времени.
Умножая часовую производительность экскаватора на число ча
сов его работы в сутки, получаем суточную производительность Qэсут .
Время работы экскаватора в сутках на каждом производственном
участке составит
V
ti = i ,
(3.28)
Qэсут
где V — объем земляных работ (рабочая кубатура) на данном производствен
ном участке.
Полученные значения ti используют при проектировании и раз
работке графика производства работ.
Как видно, основным параметром при определении производи
тельности экскаватора является установление времени цикла экска
вации. Этот цикл состоит из следующих рабочих движений:
I — установка ковша в исходное положение;
II — срезание стружки грунта, в результате чего происходит за
полнение ковша; ковш выходит из забоя;
III — поворот платформы экскаватора на разгрузку;
IV — разгрузка ковша;
V — обратный поворот платформы экскаватора и установка ков
ша в исходное положение.
Время набора грунта зависит в основном от группы трудности раз
работки, поскольку мощность силового оборудования с увеличени
ем емкости ковша растет так, чтобы не происходило ухудшение ра
бочих характеристик. Угловые скорости вращения поворотной плат
формы для различных типов экскаваторов близки, а время разгруз
ки зависит от точности установки ковша и определяется
квалификацией машиниста. Поэтому в целом оно изменяется в не
больших пределах. Исходя из этих соображений, проф. С.П. Пер
шиным было предложено аппроксимировать время цикла экскава
тора степенной зависимостью, аргументом которой является число
154
ударов плотномера СоюздорНИИ, прямо определяющее группу труд
ности разработки. Эта степенная зависимость имеет вид
а
t ц = Аnуп
,
(3.29)
где nуп — число ударов плотномера;
A, а — параметры, значения которых приведены в табл. 3.13.
Таблица 3.13
Параметры А и а
Время цикла экскаватора определяет не только его производи
тельность, но и прямо влияет на число автосамосвалов, входящих в
землеройнотранспортный комплект. Эту величину в общем случае
получают из отношения Qэ/Qa, где Qa — производительность авто
мобиля, которая, в свою очередь, зависит от дальности возки.
155
Все автомобилисамосвалы, выпускаемые отечественной про
мышленностью, можно разделить на две группы:
– дорожные, предназначенные для работы в обычных условиях;
– внедорожные карьерные, предназначенные для работы в спе
циальных условиях. По уровню нагрузок и габаритам они непригод
ны для эксплуатации на обычных, а тем более временных грунтовых
дорогах, их грузоподъемность измеряется десятками тонн.
Наиболее широкое применение в железнодорожном строитель
стве находят автомобилисамосвалы. Их основными характеристи
ками являются грузоподъемность и мощность. Используются авто
мобили, выпускаемые автомобильными заводами Кременчугским
(КрАЗ), Московским (ЗИЛ), Нижнекамским (КамАЗ), Белорусским
(БелАЗ) и рядом фирм дальнего зарубежья («Магирус Дойтц», Гер
мания; «Татра» Чешская Республика; «Юклид», США; китайские
самосвалы САМС — аналог самосвалов Mitsubishi FUSO — грузоподъ
емностью 20 т, объемом кузова 15 м3 и др.
Большинство самосвалов имеют заднюю разгрузку, но выпуска
ются самосвалы с тремя откидными бортами (например, КамАЗ
55102, КамАЗ 45397, Татра148S3, ИФАW50L/K и др.). При нали
чии благоприятных дорожных условий грузоподъемность автосамо
свалов увеличивают за счет самосвального прицепа (ЗИЛММЗ
45021, ЗИЛММЗ45022, ЗИЛММЗ45023, КамАЗ55102, Магирус
232D19K и др.). В зависимости от планируемых к перевозке грузов
объем кузова самосвальных прицепов и полуприцепов варьируется
от 6,7 м3 до 75 м3. В этом случае основной автомобиль снабжают,
помимо буксирного устройства, выводами гидро, пневмо, элект
росистем для подключения соответствующих систем прицепа. Ос
новные характеристики ряда автосамосвалов приведены в табл. 3.14.
Таблица 3.14
Основные характеристики автосамосвалов
156
Окончание табл. 3.14
Для перемещения разработанного экскаваторами грунта к месту
производства земляных работ используют не только автомобилиса
мосвалы, но и автомобильные и тракторные поезда, железнодорож
ные поезда из вагоновдумпкаров, полувагонов или платформ, лен
точные конвейеры.
Железнодорожный транспорт (думпкары, полувагоны, платфор
мы) применяют на очень крупных карьерах и при наличии больших
сосредоточенных объемов земляных работ на строящейся железно
дорожной линии. Выпускаются думпкары грузоподъемностью
50—180 т: 4осные (60—80 т), 6осные (100—120 т), 8осные (140—180 т).
Конвейерный транспорт благодаря непрерывности работы позво
ляет существенно повысить использование экскаватора, может при
меняться при большой пересеченности рельефа. Но высокая сто
имость, зависимость работы конвейеров от климатических условий,
большие затраты времени на монтаж и демонтаж конвейерного обо
рудования при продвижении фронта забоя ограничивают примене
ние этого способа транспортировки грунта. Наибольшее примене
ние в железнодорожном строительстве, как уже отмечалось, имеют
автомобилисамосвалы.
Цикл автомобилясамосвала при работе с экскаватором состоит
из погрузки, движения к месту отвала или отсыпки, маневра в пунк
те отсыпки, обратного движения, маневра у экскаватора. Потреб
ное число транспортных единиц (автосамосвалов) определяется в
результате деления времени цикла автомобиля на время погрузки:
na =
t аг + t ап + t п + t р + t м
tп
,
(3.30)
где tаг — время движения груженого автосамосвала до разгрузки;
tап — время движения порожнего автосамосвала до погрузки;
157
tп — время погрузки транспортной единицы; оно представляет собой отно
шение вместимости кузова автомобилясамосвала к производительности экс
каватора:
t = k P / vQ ,
(3.31)
п
a a
э
где ka — коэффициент использования грузоподъемности автомобилясамо
свала;
v — плотность грунта, т/м3;
Pa — грузоподъемность автомобиля (см. табл. 3.24).
При минимальном числе автомобилей na = 2, обеспечивающем
непрерывную работу экскаватора, за время tп, пока на погрузке за
нят один автомобиль, второй должен успеть пройти расстояние Sа
со средней скоростью Vаг, разгрузиться, затратив на это время tр,
пройти обратно то же расстояние порожняком со средней скорос
тью Vап, стать под погрузку, затратив на это время tм. Следовательно,
tп = Sа/Vаг + Sа/Vап + tр + tм. Если в этом выражении правая часть
больше левой, то принимают 2tп, 3tп и т.д., пока не будет соблюдено
условие
S ⎛ V ⎞
(na − 1)t п ≥ S a (1 / V аг + 1 / V ап ) + t p + t м = a ⎜1 + аг ⎟ + t p + t м . (3.32)
V аг ⎜⎝ V ап ⎟⎠
Значения tр, tм в зависимости от грузоподъемности автосамосва
ла приведены в табл. 3.15.
Таблица 3.15
Расчетная продолжительность разгрузки, вспомогательных операций
и перерывов в течение рейса автомобилясамосвала, мин
Время на маневрирование включает установку автосамосвала под
погрузку и выгрузку, ожидание самосвала у экскаватора, пропуск
встречного самосвала на разъездах.
158
С учетом (3.31) потребное число автомобилей составит
S
na ≥ t п + a
V аг
Или, с учетом (3.32),
V
1 + аг
V
ап
+ t p + tм tп .
(3.33)
S V
na ≥ 1 + a 1 + аг + t p + t м vQэ / (60ka Pa ).
(3.34)
V аг V ап
При расчетах обычно получаются дробные значения na, которые
следует округлять в бîльшую сторону, что означает распределение
недогруза одной из машин по всем машинам комплекта и уменьше
ние значения ka (ka < 1). Это означает, что масса груза в каждом ав
томобиле в среднем меньше его грузоподъемности Pa. Приблизитель
но можно принимать ka = 0,9.
При определении скоростей движения автосамосвалов исходят из
опыта работы автомобильного транспорта на промышленных карьерах,
который свидетельствует, что скорости движения в груженом и порож
нем состояниях отличаются незначительно. В среднем можно считать,
что при движении по пересеченной местности Vап ≈ 1,2 Vаг. Это упро
щение позволяет остановиться на определении скорости движения ав
тосамосвала с грузом. Действительная скорость автомобиля непрерыв
но меняется. Ориентировочное решение в такой ситуации дает расчет
средней скорости по нескольким оценкам, которые можно считать по
стоянными. В частности, это минимальная скорость мнVаг, которая име
ет место на трудных участках (при выезде из карьера, въезде на насыпь
и т.д.), максимальная скорость мсVаг, зависящая от возможностей транс
портных средств и характера дороги, наиболее вероятная скорость нвVаг.
Для определения гармонической средней скорости можно записать
Sa
сг
Vаг
=
S a1
мн
Vаг
+
S a2
нв
Vаг
+
S a3
мс
Vаг
,
(3.35)
где Sa1, Sa2, Sa3 — протяженности участков дороги, движение по которым осу
ществляется с соответствующими скоростями.
Средние скорости, как правило, лежат в пределах от 10—15 км/ч
на трудных участках дороги до 25—30 км/ч при движении по хоро
шим притрассовым дорогам, где допускаются скорости до 40 км/ч.
159
В связи с тем что средняя дальность возки грунта различна для
каждого производственного участка, время движения автосамосва
ла в груженом и порожнем состояниях и, как следствие, время цик
ла автосамосвала будут изменяться. Поэтому потребное число авто
самосвалов необходимо определять для каждого участка, на кото
ром работает экскаватор в комплекте с автосамосвалами.
Таким образом, число автомобилейсамосвалов, обеспечивающих
непрерывную работу экскаватора, определяется достаточно просто,
но только в том случае, если предполагается постоянный ритм их
движения. Это означает, что автосамосвалы подходят к экскаватору
через равные промежутки времени, и к моменту очередной погруз
ки у экскаватора оказывается свободный автомобиль. К сожалению,
в действительности этот процесс намного сложнее, поскольку фак
тические скорости в каждый момент времени по случайным причи
нам претерпевают колебания, в результате чего автомобили движут
ся на разных расстояниях один от другого, подходя к экскаватору
через разные промежутки времени. Если эти промежутки оказыва
ются меньше времени погрузки tп, у экскаватора образуется очередь
свободных автомобилей, в противном случае будет простаивать экс
каватор в ожидании запаздывающих самосвалов. Кроме того, испы
тывают колебания время погрузки и пропускная способность экс
каватора. Такие системы исследуются методами математической те
ории массового обслуживания.
В экскаваторный комплект, кроме автосамосвалов, входят, как
правило, следующие комплектующие машины:
– бульдозер для разравнивания грунта;
– грунтоуплотняющая машина;
– автогрейдер для нарезки сливной призмы, планировки отко
сов и других работ;
– передвижная электростанция типа ЖЭС.
Комплектующие машины подбирают по выработке экскаватора
(обычно с некоторым запасом).
3.4.6. Производство работ скреперами
Скреперы — это самоходные или прицепные машины циклично
го действия, которые отличаются высокой производительностью и
мобильностью, простотой конструкции и обслуживания. Их широ
ко применяют на массовых земляных работах — при сооружении
160
земляных плотин, ограждающих и приканальных дамб, каналов,
площадочных выемок и насыпей при сооружении станционных пло
щадок, дорожных выемок, насыпей и т.п.
Скреперы требуют для разворота довольно широкой полосы, по
этому при строительстве железнодорожного земляного полотна для
них устраивают временные въезды или съезды. Это приводит к уве
личению дальности транспортирования грунтов с применением скре
перов и требует дополнительных работ по устройству, а затем удале
нию грунтовых присыпок, образующих въезды и съезды. Расстоя
ния между въездами в зависимости от высоты насыпи принимают
следующие.
Скреперы применяют при сооружении насыпей и выемок в не
скальных грунтах I и II групп трудности с перемещением грунта на
значительные расстояния. Максимальная дальность возки грунта
прицепными скреперами составляет 500 м, самоходными — 3000 м.
Расстояния транспортирования грунта в метрах прицепными скре
перами с гусеничными тракторами и полуприцепными с колесными
тягачами в зависимости от вместимости ковша, могут быть, в соот
ветствии с нормативной литературой, следующими:
Вместимость ковша, м3 ................ до 6
Расстояние транспор
тирования, м, скреперами:
прицепными .......................... 100—350
полуприцепными ............... 300—1500
до 8
8—10
10—15
150—350
400—2500
300—800
до 3000
500—1500
Скреперы наиболее целесообразны при выполнении следующих
видов работ:
– разработка выемок (карьеров) с продольным перемещением
грунта и укладкой в насыпь;
– поперечная разработка выемок с отсыпкой грунта в кавалье
ры; при поперечном перемещении грунта возрастает сопротивление
161
движению скреперов на подъемах, поэтому рабочие отметки насы
пей или выемок не должны превышать 5 м;
– отсыпка насыпей из резервов;
– вертикальная планировка станционных и других площадок.
Нецелесообразно применение скреперов в глинистых переувлаж
ненных грунтах, поскольку изза налипания на ковш глинистого
грунта резко снижается их производительность.
Рекомендуется выбирать скреперы при сооружении железнодо
рожного земляного полотна в зависимости от объемов работ на
объекте. В частности, при снятии поверхностного слоя грунта, раз
работке выемок и карьеров с перемещением грунта в насыпи на рас
стояние до 500 м и объеме работ на объекте 40, 40—80 и более
80 тыс. м3 целесообразно использовать прицепные скреперы с ков
шом вместимостью соответственно 7, 10 и 15 м3. При дальности воз
ки более 500 м на объектах с объемом работ до 40 тыс. м3 рекоменду
ется применять прицепные скреперы с ковшом вместимостью 15 м3,
на объектах с бîльшими объемами работ — полуприцепные скрепе
ры с емкостью ковша 10 м3. При отсыпке насыпей из резервов реко
мендуется использовать прицепные скреперы с ковшом 10 м3.
Для ускорения работы набор ковша скрепера следует производить
под уклон с крутизной 0,1…0,14. В малосвязных грунтах, которые
плохо заполняют ковш, применяют скреперы с активной загрузкой
ковша; допускается работать на подъемах до 3о. Для работы в сыпу
чих песках скреперы практически непригодны изза плохого напол
нения ковша.
Схемы резания грунта. При всех способах резания набор грунта
ведут на первой скорости. При копании грунта в забое увеличивает
ся сопротивление наполнению ковша, поэтому по мере наполнения
ковша его выглубляют. При этом толщина стружки в направлении
набора уменьшается, а путь набора увеличивается. В результате не
скольких заглублений и выглублений ковша дно забоя приобретает
гребенчатый профиль.
В крепких грунтах для облегчения наполнения ковша использу
ют ребристошахматный способ резания: между смежными скрепер
ными проходками оставляют ненарушенную полосу грунта, шири
на которой меньше ширины ножа. Скрепер срезает такие выступы
при последующих проходках во второй половине набора, что облег
чает наполнение ковша.
162
Длина пути, на котором происходит наполнение ковша, зависит
от толщины стружки:
S н = qc K н К пг / (Вст Н ст К р ),
(3.36)
где qc — вместимость ковша скрепера;
Кпг — коэффициент, учитывающий потери грунта при резании, Кпг =
= 1,2…1,5;
Вст, Нст — ширина и толщина стружки.
Ширину стружки обычно принимают равной ширине ковша:
Вст = (1,2...1,3)3 qc .
Толщина стружки H ст = 3 qc2 .
(3.37)
(3.38)
При подстановке этих выражений (3.36) оказывается, что длина
пути наполнения Sн определяется только характером грунта и разме
ром потерь грунта при резании. В легких грунтах она составляет 8 м,
увеличиваясь с ростом трудности разработки.
Важным условием разработки тяжелых грунтов является их пред
варительное рыхление, которое выполняют на фронте около 500 м.
Объем разрыхляемого грунта согласуют со сменной производитель
ностью группы скреперов, работающих в данном забое. Для пред
варительного рыхления используют навесные трехстоечные рых
лители на базе тракторов Т130, Т180 и др. Более мощные рыхли
тели способны разрыхлить многолетнемерзлые грунты, расширяя
тем самым область эффективного применения большегрузных скре
перов.
Длина пути, на котором происходит разгрузка скрепера, опреде
ляется также по формуле (3.36), но без учета потерь (Кпг = 1) и рых
ления грунта (Кр = 1). Движение скрепера между местами набора
грунта и разгрузки в одну сторону с грунтом, в другую — порожня
ком составляет основную часть рабочего цикла скрепера, для кото
рого выбирают кратчайший путь с наименьшим числом поворотов и
с благоприятным профилем. Существует много схем движения, ко
торые отличаются числом поворотов в цикле и другими показателя
ми, — эллиптическая, восьмерка, зигзаг, продольночелночная. Вы
бор схемы движения зависит от конкретных условий работы скрепе
ра на каждом производственном участке и связан с расположением
163
въездов и съездов. Въезды на насыпь высотой до 2 м рекомендует
ся устраивать под прямым углом к оси насыпи, а при большей высо
те — косыми. Проще всего возведение прямых въездов, но выступ
въезда, т.е. его часть, расположенная за пределами контура земляно
го полотна, быстро увеличивается с ростом высоты. Поэтому в стес
ненных условиях, например при отсыпке насыпи из резерва, пря
мой въезд невозможно разместить изза недостатка места. В таких
случаях устраивают сложные косые въезды.
При продольной возке грунта из выемки или карьера в насыпь
скреперы обычно движутся один за другим по кольцевой схеме: с
грузом по насыпи, затем после разгрузки — до ближайшего съезда и
обратно — за пределами насыпи. Ширину проезжей части при одно
стороннем движении принимают в зависимости от геометрической
емкости ковша: при qc ≤ 10 м3 — 4,5 м, при qc > 10 м3 — 5,5 м.
При поперечной возке применяют поперечночелночную схему,
которая позволяет экономить время на поворотах и повышает про
изводительность скрепера. Эта схема применима при условии, что
ширина выемки на уровне разработки больше суммы полной длины
скреперного агрегата и длины набора грунта, т.е. только при разра
ботке глубоких выемок.
Большое значение для выбора схемы движения имеет возможность
разворота скреперного агрегата на обратный ход на уровне разработ
ки. Ширина площадки разворота на 180о для ковшей вместимостью
qc ≤ 8 м3 составляет 14 м, qc = 8…10 м3 — 15 м, qc > 10 м3 — 21 м, радиус
разворота для прицепных скреперов составляет 15…20 м, самоход
ных — 12…15 м.
Технология возведения земляного полотна скреперами состоит из
разработки грунта в выемке или резерве, перемещения его в насыпь
или кавальер, послойного разравнивания и уплотнения в насыпи.
Схема возведения насыпи из резерва показана на рис. 3.28, а из вы
емки — на рис. 3.29. Отсыпку насыпи из резерва ведут способом коль
цевой возки. Но в связи с тем, что необходимо пройти расстояние
между въездом и съездом, пути скреперов вытягиваются в продоль
ном направлении и превышают поперечное расстояние между цен
трами масс насыпи и резерва. Вытянутую кольцевую траекторию
называют эллиптической. Это простая схема движения, которая по
зволяет организовать взаимодействие скреперов с другими комплек
тующими машинами.
164
Рис. 3.28. Схема возведения насыпи скреперами из резерва
Рис. 3.29. Схема разработки выемки скреперами с перемещением и укладкой
грунта в насыпь
165
После отсыпки слоя грунта его уплотняют пневмокатком, пред
варительно спланировав отсыпанный слой бульдозером. Поэтому в
скреперный комплект входят: скрепер с тягачом, бульдозер для раз
равнивания грунта, трактортолкач (при необходимости), прицеп
ной рыхлитель, пневмокаток массой 25—30 т с тягачом, передвиж
ная электростанция мощностью 5—7 кВт.
Мощность тракторатолкача должна в 1,5—2 раза превышать мощ
ность основного трактора. Скорости движения скрепера и толкача в
случае применения последнего в 1,5—2 раза также возрастают. Один
толкач может обслуживать несколько скреперов (обычно 2—3).
Наполнение ковша скрепера грунтом и его загрузка происходят
на прямолинейном участке движения скрепера. При наличии укло
на местности набор грунта ведут под уклон 3...7о.
Тяговый расчет. Работа скрепера возможна при выполнении ус
ловия, выраженного уравнением движения F < ∑W, где F — сила тяги
тягача или трактора; ∑W — полное сопротивление перемещению
скрепера, возникающее в конце наполнения ковша и равное следу
ющей сумме, кН:
W = Wгс + Wрг +Wнк +Wпв ,
(3.39)
где Wгс — сопротивление перемещению груженого скрепера;
Wрг — сопротивление резанию грунта;
Wнк — сопротивление наполнению ковша;
Wпв — сопротивление призмы волочения, образующейся перед заслонкой
скрепера.
Сопротивление перемещению груженого скрепера
W гс = (G c + G г )( f ± i ),
(3.40)
где Gc, Gг — вес скрепера и грунта в ковше скрепера, кН;
f — коэффициент сопротивления качению, равный 0,1 для уплотненных
грунтов и 0,2 — для рыхлых;
i — уклон поверхности пути (знак «+» соответствует движению на подъем,
знак «–» — под уклон).
Вес грунта в ковше скрепера
Gг =
qc ρ g k н
kp
,
(3.41)
где qc — геометрическая емкость ковша, м3;
ρ — плотность грунта в естественном залегании, т/м3 (ρ = 1,6…1,7 т/м3);
166
g — гравитационная постоянная (9,81 м/с2);
kн — коэффициент наполнения ковша грунтом (табл. 3.16).
kp — коэффициент разрыхления грунта в ковше скрепера:
Песок ................................................... 1…1,2
Супесь и суглинок ........................... 1,2…1,4
Сухая глина ...................................... 1,2…1,3
Таблица 3.16
Коэффициент наполнения ковша скрепера
Сопротивление грунта резанию равно
Wрг = kbh,
(3.42)
где k — удельное сопротивление резанию, кН/м2;
b, h — ширина резания и толщина срезаемой стружки, м.
Песок ...................................................... 6...7
Супесь, суглинок ................................. 9...11
Тяжелый суглинок, глина тощая ..... 16...17
Глина тяжелая .................................... 24...26
Сопротивление наполнению ковша Wнк включает сопротивление
от веса столба грунта, поступающего в ковш, и трения этого столба о
грунт, уже находящийся в ковше. Таким образом
W нк = bhH γ o + xbH 2 γ o ,
(3.43)
где γo — вес грунта, γo = ρg;
x — величина, зависящая от угла внутреннего трения грунта.
Сопротивление перемещению призмы волочения
W пв = ybH 2 γ o μ,
(3.44)
где Н — высота наполнения ковша:
Емкость ковша скрепера, м3 ...................................... 6
10
15
Высота наполнения ковша, м .................... 1,25...1,50
1,80...2,00
2,30
у — коэффициент объема призмы волочения перед заслонкой, равный
0,5…0,7 (наибольшее значение относится к несвязным грунтам);
μ — коэффициент трения грунта по грунту, равный 0,3…0,5 (для суглинков
и песков).
167
Значение касательной составляющей силы тяги, приложенной на
ободе ведущих колес или гусеницах тягача, составляет
2000N
(3.45)
F=
η,
V1
где N — мощность тягача, кВт; в табл. 3.17 приводятся значения мощностей
для некоторых марок скреперов;
V1 — скорость скрепера на первой передаче, км/ч, которая учитывает ско"
рости при наборе грунта Vн, перемещении с грузом Vг, движении при разгрузке
Vр, движении в порожнем состоянии к месту набора грунта Vп; их значения для
прицепных и самоходных скреперов приведены в табл. 3.18;
η — коэффициент полезного действия; в среднем составляет 0,85...0,95.
Таблица 3.17
Параметры скреперов
Таблица 3.18
Скорость работы скреперов, км/ч
Производительность скреперов, как и других машин цикличного
действия, определяется как частное от деления цикловой вместимо"
сти ковша на время цикла по формуле
3600qckн
Qc =
kв ,
(3.46)
t цсkp
где qc — геометрическая емкость ковша скрепера, м3;
kн — коэффициент наполнения ковша;
kp — коэффициент разрыхления грунта в ковше;
tцс — продолжительность цикла скрепера, с;
kв — коэффициент использования скрепера по времени.
168
Время цикла скрепера
t цс =
Sн
Vн
+
Sг
+
Vг
Sр
Vр
+
Sп
Vп
+ nt пов ,
(3.47)
где Sн, Sг, Sр, Sп — длины путей набора грунта, движения с грузом, разгрузки,
движения порожняком;
Vн, Vг, Vр, Vп — соответствующие скорости движения скрепера, м/с (см. табл.
3.18);
п — число поворотов за цикл;
ntпов — время, необходимое на поворот скрепера, переключение передач,
операции с заслонками и т.д.
Длина пути набора грунта (аналогично 3.36)
Sн =
qс k н k п
0,7bhkp
,
(3.48)
где kп — коэффициент, учитывающий потери грунта при образовании призмы
волочения (можно принимать kп = 1,2).
Длина пути разгрузки грунта определяется так же; при этом при
нимается во внимание, что kp = 1, kп = 1:
Sp =
qс kн
hpазг b
(3.49)
,
где hразг — толщина отсыпаемого слоя при разгрузке.
Проф. С.П. Першин предложил определять эту величину с уче
том эмпирической зависимости ширины стружки от вместимости
ковша по формуле
Sp =
0,08qc0,67
H ст
.
(3.50)
Длины путей движения скрепера с грузом и порожняком в (3.48)
определяются в соответствии со схемой движения скрепера и рас
стояниями между въездами.
Изменение этих длин подчиняется сложным зависимостям, вли
яние которых учитывают с помощью изменений коэффициента kв
использования скрепера по времени. С ростом этих длин значение
kв снижается, причиной чего является увеличение числа одновре
169
менно работающих в забое скреперов и появление взаимных помех.
Кроме того, по мере роста длин движения скрепера в груженом и
порожнем состояниях возрастает вероятность возникновения не
предвиденных факторов, потерь времени и грунта на улучшение пу
тей проезда, устройство въездов и съездов. Роль всех перечисленных
влияний постепенно ослабляется с ростом Sг, Sп, т.е. снижение kв
происходит с замедлением. Установлено, что для прицепных скре
перов, работающих при тяге гусеничными тракторами, имеет место
следующая зависимость:
kв = 1,0836е
−0,0015S c
.
Для более быстроходных полуприцепных скреперов с колесны
ми тракторами или одноосными тягачами значения kв при одинако
вых дальностях возки выше на 2…3 %.
При выполнении расчетов, как правило, принимают kв = 0,8…0,9.
При достижении Sг, Sп длин 800 м и более kв = 0,44…0,45.
Определив суточную производительность одного скрепера (при
двухсменной работе), находят время его работы на каждом произ
водственном участке:
V
ti = i ,
(3.51)
Q
сут
где Vi — объем земляных работ на iм участке, м3.
Если скрепер не справляется с выполнением установленных объе
мов работ в директивный или заданный срок (ti > Tдир), то определя
ют необходимое число скреперов для работы на данном участке по
формуле
Vi
.
N=
(3.52)
QсутТ дир
3.4.7. Производство работ бульдозерами
Бульдозеры (рис. 3.30) широко применяют при выполнении вспо
могательных работ: планировочных, устройстве русел искусственных
сооружений, постройке временных землевозных и притрассовых
автодорог, на вскрышных работах, в карьерах, при нарезке уступов,
при сооружении земляного полотна на косогорах.
170
Рис. 3.30. Общий вид бульдозера
На основных работах бульдозеры используют для сооружения
насыпей высотой до 1 м из боковых резервов и для разработки вы
емок с перемещением грунта в насыпь на расстояние не более 100 м.
Технологический процесс сооружения земляного полотна буль
дозерами включает разработку грунта в выемке или резерве и пере
мещение его в насыпь, послойное разравнивание и уплотнение грун
та на насыпи грунтоуплотняющими машинами.
Разработку выемки бульдозером ведут, начиная от откосов, слоя
ми толщиной 30...40 см по всей длине забоя и ширине выемки. Це
лесообразно вести такие работы траншейным способом. Для облег
чения режима резания грунта и улучшения его транспортирования
набор и перемещение грунта ведут под уклон. Наиболее производи
тельная работа бульдозеров достигается при уклонах 10…15о.
Для работы бульдозера устраивают въезды и съезды крутизной не
более 1:5 по всей длине фронта отсыпки. При одностороннем распо
ложении резерва дополнительный объем земляных работ, связанный
с устройством съездов, составляет 10—15 % объема грунта насыпи,
причем в дальнейшем он не используется. Это, а также потери грунта
при движении на подъем приводят к снижению производительности
бульдозеров до 25 % и, как следствие, к низкой эффективности их
использования, но они находят широкое применение, благодаря про
стоте выполнения работ.
Наиболее эффективны бульдозеры с гидравлическим управле
нием и сферическими отвалами, позволяющими повысить произ
водительность труда на 30—40 % вследствие сокращения потерь
грунта.
171
При сооружении земляного полотна на крутых косогорах буль
дозер проще других землеройнотранспортных машин позволяет
нарезать горизонтальные полки размером не менее 3…4 м. Затем
полку расширяют и углубляют послойно, а грунт отваливают в сто
рону при последовательных продольных проходках. В дальнейшем
через 100—150 м прорезают поперечные траншеи для перемещения
грунта в отвал поперечными проходками второго бульдозера.
Нарезку бульдозером уступов в основании насыпей, расположен
ных на крутых косогорах, начинают со стороны низкого откоса.
Ширина первой (нижней) полки должна быть не менее 4 м, затем
автомобилямисамосвалами послойно отсыпают грунт на полку, а
нарезку второй полки ведут с отсыпанного слоя. Далее вновь заво
зят грунт, заполняющий образовавшийся уступ, и т.д. Таким обра
зом нарезка уступов совмещается с отсыпкой нижней части насыпи.
Эксплуатационную производительность бульдозера определя
ют в общем случае так же, как и для других машин цикличного дейст
вия — как частное от деления цикловой вместимости ковша и вре
мени цикла:
3600qб kв
(3.53)
Qб =
,
t цб kр
где qб — геометрический объем грунта в призме, перемещаемой отвалом (объем
призмы волочения), м3; примерное значение этого объема можно считать рав
2
ным q = (0,7...0,8)b h , где bo — ширина отвала бульдозера, м; ho — высота
б
o o
отвала, м; коэффициент 0,7 соответствует сыпучим грунтам, а 0,8 — связным;
kв — коэффициент использования бульдозера по времени, принимаемый
0,75…0,80;
kр — коэффициент разрыхления грунта в призме волочения; можно при
нять его 1,1…1,3; при расчетах отношение kв /kр в среднем принимают 0,62…0,67;
tцб — время цикла бульдозера, с;
t
цб
=
S
V
н
н
+
S
V
г
г
+
S
V
п
+t ,
м
(3.54)
п
где Sн, Sг, Sп — соответственно длины путей наполнения ковша, перемещения
с грузом и возвращения бульдозера в забой порожняком;
Vн, Vг, Vп — скорости движения бульдозера при наполнении грунта (реза
нии), перемещении с грузом, обратном возвращении в забой;
tм — время маневров с отвалом и машиной (подъем отвала в транспортное
положение, переключение передач, повороты в конце рабочего хода, опуска
ние отвала в рабочее положение), обычно принимают tм = 1 мин.
172
Опытом установлено, что скорости Vн, Vг отличаются мало и мо
гут быть приняты равными скорости трактора на первой передаче.
Скорость Vп возвращения бульдозера в порожнем состоянии близка
к максимальной, реализуемой задним ходом. Считается, что Sн +
+ Sг = Sп = Sср — среднее расстояние между забоем и местом отвала.
На основании этого время цикла
t
цб
=
S
сг
ср
V
+t ,
м
б
где сгVб = 2VгVн/(Vг + Vн) — средняя скорость в оба конца.
С достаточной степенью точности можно принять следующие
усредненные скорости передвижения бульдозера, м/с: транспорт
ная — 2,0; при наборе и перемещении грунта — 1,5; при возвратном
движении задним ходом — 5,0; то же передним ходом — 6,0.
Основные технические характеристики бульдозеров приведены
в табл. 3.19.
Таблица 3.19
Техническая характеристика бульдозеров
В последнее время находят распространение бульдозеры на базе
мощных колесных тракторов, которые имеют более высокие скоро
сти движения, чем гусеничные. Это позволяет поднять производи
тельность бульдозера на 45—50 %.
173
3.4.8. Уплотнение грунтов в насыпях
Уплотнение грунтов в железнодорожных насыпях является важ
нейшим технологическим процессом, от качества которого зависят
долговечность и прочность земляного сооружения и, как следствие,
безопасность движения поездов.
Отсыпку грунта в тело насыпи ведут послойно, с тщательным
уплотнением каждого слоя.
Возведение насыпей без уплотнения допускается в следующих
случаях: при сооружении насыпи методом гидронамыва, на болотах
(ниже поверхности болота), в водоемах (подводная часть насыпи) и
при отсыпке земляного полотна из скальных слабовыветривающих
ся пород.
Степень уплотнения грунта в теле земляного сооружения опре
деляется коэффициентом уплотнения К:
ρ
К=
,
ρmax
где ρ — фактическая плотность сухого грунта в земляном полотне, г/см3;
ρmax — максимальная стандартная плотность сухого грунта, соответствую
щая оптимальной влажности Wо, г/см3.
Значение коэффициента К устанавливается СНиП. Для дорог I и
II категорий в верхней части насыпи К имеет значение 0,95…0,98.
Минимальное значение коэффициента уплотнения для железнодо
рожных насыпей не может быть ниже 0,92.
Если насыпи возводят из скальных и крупнообломочных пород
или коэффициент уплотнения К ≤ 0,95, то в проекте предусматрива
ют запас на осадку земляного полотна. В зависимости от вида грун
тов величина запаса колеблется от 0,5 до 3 % от проектной высоты
насыпи.
Уплотнение грунтов требует строгого выполнения технологичес
ких требований.
В процессе производства работ не допускается переувлажнение
или пересыхание уплотняемых грунтов. При интенсивных дождях
отсыпку насыпей из глинистых грунтов прекращают.
Переувлажненный в отдельных местах грунт до начала работ дол
жен быть просушен и уплотнен или удален.
В летнее время при высоких температурах воздуха разрыв во време
ни между отсыпкой и уплотнением грунта должен быть минимальным.
174
Малоувлажненные грунты увлажняют. Несвязанные и малосвя
занные грунты увлажняют в отсыпанном слое незадолго до уплотне
ния. Количество воды, потребное для увлажнения 1 м2 слоя, опре
деляют расчетом.
Связные грунты, в которых перераспределение влаги идет мед
ленно, целесообразно увлажнять на месте разработки (в карьере,
резерве) после разрыхления. Грунт уплотняют после того, как влаж
ность станет равномерной.
Перед началом работ в лабораторных условиях исследуют обра
зец уплотняемого грунта с целью определения практически макси
мальной плотности скелета грунта ρск.max и оптимальной влажности
Wo, при которой достигается максимальная плотность (метод стан
дартного уплотнения). Суть метода стандартного уплотнения сос
тоит в том, что помещенный в стальной цилиндр образец грунта
уплотняют с помощью падающего груза, начиная исследование грун
та с его воздушносухого состояния.
Опыты выполняют в следующем порядке. Образец грунта, взя
тый из тела земляного сооружения, сушат и измельчают. После это
го грунт увлажняют до требуемой влажности, перемешивают, закла
дывают в прибор для испытаний и уплотняют.
Следующий опыт начинают с размельчения уплотненного в пре
дыдущем опыте образца грунта и с увеличения его влажности на
2…3 %, и т.д.
По полученным данным строят кривую стандартного уплотнения
и по ней определяют максимальную плотность и соответствующую
ей оптимальную влажность.
В случае необходимости проводят пробное уплотнение грунтов.
Это рекомендуется делать перед началом основных работ по соору
жению земляного полотна. В зимних условиях пробное уплотнение
выполняют до начала смерзания грунтов.
Необходимость пробного уплотнения установлена регламентом
на производство земляных работ.
Результаты пробного уплотнения оформляют в виде графика, по
которому устанавливают наибольшую допустимую толщину уплот
няемого слоя, необходимое число проходов катка по одному следу
или рабочую скорость передвижения грунтоуплотняющих машин.
По результатам пробного уплотнения намечают технологию отсып
ки насыпи.
175
Выбор типа грунтоуплотняющей машины зависит от вида грун
тов, их влажности, толщины отсыпаемого слоя, а также температу
ры наружного воздуха.
При составлении проекта производства работ и определении по
требного числа грунтоуплотняющих машин их норму выработки при
нимают по производительности ведущих землеройных машин ком
плекта.
Если производительность землеройных машин комплекта значи
тельно меньше производительности грунтоуплотняющих машин,
последние рекомендуется использовать для уплотнения грунтов на
двух одновременно возводимых участках насыпи, расположенных
один от другого на расстоянии не более 3 км.
Уплотнение грунта катками ведут на захватках не менее 200 м, а
машинами ударного и виброударного действия на базе тракторов —
не менее 25 м.
Уплотнение грунта пневмокатками (рис. 3.31), решетчатыми кат
ками, виброкатками и трамбующими машинами во избежание «спол
зания» машины на откос начинают не ближе 1,5 м от бровки, с по
степенным приближением к откосу при каждом последующем про
ходе вплоть до 0,5 м от бровки.
В дальнейшем уплотнение грунта ведут от краев к середине на
сыпи.
Уплотнение грунта виброударными и ударными машинами с вы
носным рабочим органом можно вести от бровки к оси земляного
Рис. 3.31. Последовательность проходок грунтоуплотняющего самоходного
катка на пневмошинах
176
полотна (см. рис. 3.31), так как их крайний рабочий орган переме
щается по бровке, в то время как базовая машина — на безопасном
от откоса расстоянии.
Поворот грунтоуплотняющих машин в конце уплотняемого уча
стка происходит непосредственно на земляном полотне, если ши
рина его не меньше необходимых размеров с учетом зон безопасно
сти по 0,5 м от бровки откоса.
Если это требование не выполняется, то поворот уплотняющих
машин выполняют на специальных разъездах, нулевых местах или вне
пределов земляного полотна, с использованием въездов и съездов.
Каждый последующий проход грунтоуплотняющей машины по
одному и тому же следу осуществляют после того, как вся площадь
уплотняемого слоя перекрыта следами предыдущих проходов. При
этом смежные следы должны перекрываться на 0,1…0,2 м. Особое
внимание уделяют уплотнению грунта на участках въездов и конце
вых участках захваток.
Рекомендуются следующие области применения грунтоуплотня
ющих машин.
Катки на пневматических шинах с давлением на колесо 4…5 т
используют как универсальные средства уплотнения грунтов, на
ходящихся в талом состоянии. Давление на всех шинах колес катка
должно быть одинаковым и составлять: при уплотнении суглинков,
глин, крупнообломочных грунтов 6…8 атм: при уплотнении супе
сей — 3…4 атм: при уплотнении песков и переувлажненных грун
тов — 2…3 атм.
При уплотнении глинистых грунтов на начальном этапе целесо
образно давление в шинах поддерживать на уровне 2…3 атм с посте
пенным повышением давления до 6…8 атм.
Для уплотнения песчаных и переувлажненных глинистых грун
тов применяют катки, вес которых меньше конструктивного с бал
ластом на 40 %.
Прицепные решетчатые катки массой 25 т наиболее эффективны
при уплотнении крупнообломочных грунтов и легковыветривающих
ся размягчаемых скальных грунтов нарушенного сложения, а также
грунтов с включениями мерзлых комьев при производстве работ в
зимнее время.
В случае уплотнения решетчатым катком песчаных и супесчаных
грунтов его необходимо разгрузить до 20 т. Кроме того, рекоменду
177
ется дополнительно укатывать каждый слой пневмокатком облегчен
ного веса.
Катки вибрационного действия целесообразно использовать в
основном для уплотнения скальных, крупнообломочных грунтов,
песчаных и малосвязных глинистых грунтов нарушенного сложе
ния. При уплотнении песчаных и супесчаных грунтов удельные дав
ления должны составлять: для песков с оптимальной влажностью
60,0…100,0 мПа; для переувлажненных песков 30,0…40,0 мПа; для
супесей 200,0…300,0 мПа.
Грунтоуплотняющие машины виброударного действия рекомен
дуются для уплотнения всех видов грунтов нарушенного и ненару
шенного сложения (включая барханные и мелкозернистые пески)
независимо от длины фронта работ в летний и зимний периоды и
позволяют уплотнять каждый слой по всей его ширине.
При сооружении насыпей особое внимание уделяют уплотнению
грунтов в стесненных условиях, характеризуемых узким фронтом и
небольшими объемами работ, к которым относятся: засыпка водо
пропускных железобетонных, бетонных и гофрированных металли
ческих труб; возведение участков насыпей, примыкающих к устоям
мостов; засыпка временных въездов и съездов, устроенных в теле
земляного полотна; возведение насыпей небольшой высоты на бо
лотах; отсыпка конусов устоев и засыпка прогалов за подпорными
стенками.
Строительство водопропускных труб и отсыпка уплотненной
грунтовой призмы вокруг звеньев должны быть, как правило, закон
чены до начала возведения насыпей на полную высоту. Если это тре
бование не выполнено, то в насыпи оставляют прогал.
Ширину прогала по низу назначают из расчета обеспечения фрон
та работ для грунтоуплотняющих машин, но не менее 10 м.
Для устройства грунтовой призмы у металлических гофрирован
ных труб используют дренирующие грунты.
Засыпку трубы в пределах контуров грунтовой призмы выполня
ют наклонными в сторону от трубы слоями крутизной не более 1:5 и
толщиной 0,4…0,65 м.
В процессе сооружения призмы грунт послойно укладывают с
обеих сторон трубы и разравнивают. После уплотнения слоя с одной
стороны отсыпают следующий слой, а с другой стороны трубы грунт
уплотняют. В таком порядке ведут отсыпку и уплотнение всех слоев.
178
Превышение засыпки звеньев трубы с одной из сторон по отноше
нию к другой более чем на высоту одного слоя не допускается.
Уплотнение грунта непосредственно у железобетонной и бетон
ной трубы допускается только тогда, когда с противоположной сто
роны по всей ее длине уже отсыпан слой грунта этого же горизонта.
Приближение к телу железобетонной и бетонной трубы рабочих
органов машины виброударного действия допускается на расстоянии
10 см, пневмокатков — на 30 см, ручных электротрамбовок — на 5 см.
Для засыпки труб применяют только сухие, несмерзшиеся грун
ты. При этом не допускается попадание снега и льда в тело грунто
вой призмы. Коэффициент уплотнения грунта призмы должен быть
не менее 0,95.
В случае невозможности в зимних условиях обеспечить необхо
димое качество засыпки и уплотнения грунта вокруг труб эти рабо
ты переносят на теплый период года.
После отсыпки грунтовой призмы на полную высоту трубы до
этого же уровня возводят примыкающую насыпь.
Дальнейшее возведение над трубой насыпи ведут по обычным
технологическим схемам. При этом необходимо учитывать, что пе
реезд через трубу транспортных средств разрешается только тогда,
когда поверх нее отсыпан слой грунта толщиной не менее 1 м, а для
бульдозеров — не менее 0,5 м.
Грунт конусов и насыпей за устоями мостов, а также за подпор
ными стенками уплотняют виброударными машинами.
Для создания уплотненных откосов насыпей рекомендуются сле
дующие способы:
– уплотнение грунтов насыпей по всей ширине грунтоуплотняю
щими машинами, позволяющими уплотнять бровочную часть насыпи;
– временное уширение насыпи сверх проектного очертания на
величину не менее 0,5 м с каждой стороны с последующей срезкой
рыхлого грунта.
3.4.9. Отделка земляного полотна. Укрепление откосов
Под отделкой земляного полотна понимают:
– планировку основной площадки;
– нарезку сливной призмы;
– планировку откосов насыпей, выемок, резервов и кавальеров,
кюветов в выемках.
179
Планировочные работы имеют целью доведение всех грунтовых
поверхностей до проектных очертаний. Их планировка допускается
лишь путем срезки излишков грунта.
Планировку основной площадки земляного полотна насыпей с на
резкой сливной призмы выполняют до планировки откосов; в вы
емках сначала планируют откосы, а затем нарезают сливную призму
и кюветы. Устройство кюветов в выемках относится к основным ра
ботам, но по времени совпадает с планировочными работами и тех
нологически с ними увязано.
Планировать основную площадку рекомендуется на двух или трех
смежных захватках, где попеременно ведут грубую планировку, окон
чательную планировку и нарезку сливной призмы. Нормативная точ
ность планировки основной площадки составляет ±5 см. Это высо
кая точность, которую можно обеспечить только в том случае, если
до планировки верха земляного полотна и нарезки сливной призмы
выполнить грубую планировку основной площадки бульдозером или
скрепером так, чтобы отметки земляного полотна отклонялись от
проектных не более чем на 15…20 см. Эти меры позволят значитель
но уменьшить перерасход балласта, за счет которого в дальнейшем
компенсируют неточности планировки.
Технологический процесс отделочных работ на насыпи включает
планировку откосов и нарезку сливной призмы. Отделку насыпи на
чинают с нарезки сливной призмы. Для этого сначала выполняют
разбивку и закрепление на местности уровня верхней площадки слив
ной призмы с помощью кольев, устанавливаемых через 20 м на от
косах насыпи. После этого автогрейдером нарезают горизонтальную
площадку и боковые наклонные поверхности сливной призмы, за
глаживают их тыльной стороной отвала автогрейдера. Соответствие
очертания нарезанной сливной призмы проектному проверяют ни
велировкой. Для достижения нормативного качества планировки
приходится выполнять окончательные зачистки вручную. Для полу
чения ровной и плотной поверхности верха насыпи сливную призму
рекомендуется уплотнить виброкатком. Высокую степень точности
нарезки сливной призмы (до ±3 см) дает применение автогрейде
ров, оборудованных системой автоматического ведения отвала, ис
пользуя в качестве датчика копирный тросик или копирное колесо,
монтируемое на отвале.
180
Большие объемы планировки приходится выполнять при отдел
ке сооруженного земляного полотна на станциях. Для обеспечения
водостока земляному полотну площадки станции придают попереч
ный уклон в одну или обе стороны, обеспечивая односкатный или
двускатный поперечный профиль. В пределах одного ската распола
гают 4—6 путей, устраивая с низовой стороны водоотводные устрой
ства. На крупных станциях с большой шириной основной площад
ки поперечный профиль земляного полотна создают пилообраз
ным — с несколькими двускатными поверхностями. В понижениях
между скатами в этих случаях устраивают водоотводы в виде лотков
или дренажей, являющихся частью инженерных сетей станции.
Планировку откосов насыпи высотой до 2 м рекомендуется вы
полнять тяжелым автогрейдером или бульдозером, оборудованным
дополнительным отвалом — откосником. Сначала планируют верх
нюю часть откоса, для чего откосник устанавливают с наклоном
книзу, затем — нижнюю, устанавливая откосник под углом кверху
(рис. 3.32). Срезанный грунт распределяют с уклоном в сторону от
насыпи по берме.
Откосы насыпей высотой более 2 м планируют экскаваторами
планировщиками с телескопической стрелой. При этом планировка
возможна как с нижней, так и с верхней стоянок. Экскаватор отра
батывает часть откоса, перемещается примерно на 2 м и планирует
следующий участок откоса с перекрытием первого на 0,3…0,5 м.
Если насыпь при производстве основных работ отсыпана с уши
рением на 0,5 м и больше в каждую сторону (по условиям уплотне
ния грунтов), то вначале (после срезки уширенной части насыпи)
планируют откосы, а уже затем нарезают сливную призму.
Рис. 3.32. Планировка откосов бульдозером с дополнительным откосником (по
казан штриховкой): а — проход машины поверху; б — проход машины понизу
181
Отделочные работы в выемках из обычных талых и сухих грун
тов предусматривают срезку недобора грунта с откосов с последую
щей их планировкой. Обе операции выполняются экскаваторами
со специально оборудованными ковшами (драглайн с двухотваль
ным скребком, обратная лопата, планировочный ковш). Скребок
перемещается по откосу на канатах подвесной системы драглай
на и срезает излишний грунт. Гидравлические обратные лопаты ис
пользуют для планировки выемок в скальных и мерзлых грунтах.
Срезанный грунт убирают скреперами или бульдозерами. Слив
ную призму в выемках нарезают автогрейдером так же, как и в на
сыпях.
Завершающей работой цикла планировки является нарезка кю
ветов в выемках, которую начинают с низовой стороны и ведут за
одну проходку. Для этой цели применяют специализированные ма
шины непрерывного действия, а также экскаваторы с профилиро
вочным ковшом. На экскаваторахпланировщиках монтируют бо
ковую вставку стрелы, что позволяет вести копание со смещением
относительно оси кювета. Работы по нарезке кюветов аналогичны
работам по устройству других водоотводов, с той особенностью, что
в связи с необходимостью движения по спланированной основной
площадке, которая не должна быть повреждена, используют для вы
воза грунта легкие самосвалы.
Укрепление откосов. Целью укрепления откосов земляного полот
на является защита их от воздействия различных природных факто
ров (атмосферных осадков, замерзания и оттаивания, сильных вет
ров и др.) и механических повреждений. Водная эрозия может разру
шить грунт в откосах, что способствует нарушению проектного очер
тания земляного полотна и ведет к его деформациям и потере
устойчивости. Во избежание прогрессирования таких процессов при
бегают к укреплению откосов, которое сводится к устройству различ
ных покрытий. Это могут быть покрытия, сооружаемые механизи
рованными способами: железобетонные плиты, сборные бетонные
и асфальтобетонные плиты и т.п. Их укладывают на подготовленные
поверхности укрепляемых откосов кранами с транспортных средств.
Трудоемкость работ по подготовке поверхностей под укладку доста
точно высока, поскольку они слабо механизированы, но все же она
значительно ниже, чем при укреплении традиционными способами,
в том числе одерновкой, мощением и др.
182
В качестве основного способа защиты открытых грунтовых по
верхностей откосов насыпей и выемок от атмосферных воздействий
при укреплении откосов насыпей, выемок, водоотводных канав,
берм, а также рекультивации земель, нарушенных при строительстве,
служит создание дернового покрова посевом многолетних трав.
Чтобы ускорить образование дернины на откосах, их поверхность
покрывают слоем растительного грунта толщиной 10…15 см. Грунт
заготавливают до начала работ, используя растительный слой, сни
маемый с основания железнодорожного земляного полотна, либо
выполняя специальные заготовки. Его готовят бульдозером после
удаления дернового покрова, собирают в бурты и доставляют к мес
ту работ в автосамосвалах. Там грунт разгружают на откос и разрав
нивают бульдозером с откосником, драглайном с планировочной
рамой вместо ковша либо планировочным экскаватором с телеско
пической стрелой. После этого ведут высев многолетних трав откос
ными сеялками. Их навешивают на драглайн и при движении вниз
по откосу они разрыхляют растительный слой грунта, затем при дви
жении вверх по откосу семена высевают и прикатывают засеянную
площадь. Ширина обрабатываемой полосы откоса 1,7 м, после чего
экскаватор перемещается в продольном направлении. Таким обра
зом обрабатывают до 1100 м2 поверхности за смену при высоте отко
са до 8 м. Если высота более 8 м, то в комплект включают, кроме
драглайна, экскаваторпланировщик. Такой способ укрепления от
косов — посев трав по грунту — достаточно сложен, требует специ
альной технологии, привлечения большого числа машин, заблаго
временной заготовки соответствующего объема растительного грун
та. Поэтому более предпочтительным является укрепление земля
ного полотна гидропосевом многолетних трав с мульчированием, без
использования растительного грунта. При этом на откос гидравли
ческой струей наносят смесь из семян, минеральных удобрений,
воды, наполнителя или мульчи и пленкообразующих материалов, за
щищающих покрытие от смыва дождями и выветривания. В каче
стве мульчи используют резаную солому, опилки, в качестве плен
кообразующего — водные эмульсии латексов или битумов.
Гидросеялка для нанесения этой смеси на откосы представляет
собой автоцистерну с лопастной мешалкой, оборудованную насо
сом и гидрометателем, которым управляет оператор с площадки гид
росеялки. Посев ведут с верхней или нижней стоянки машины.
183
Размеры обрабатываемой площади определяются объемом цистер
ны, которую заправляют на базе, где заготавливают смесь. Произво
дительность гидросеялки зависит от числа заправок, а следователь
но, от расстояния до базы заправки и времени на саму заправку.
Рациональнее формировать специальный поезд, в состав кото
рого входят локомотив и платформы с гидросеялкой, запасом мате
риалов на смену, цистерна с водой, мотопомпа для заправки гидро
сеялки водой и пленкообразующей эмульсией. Рабочая скорость дви
жения поезда 5—7 км/ч. Посев ведут за дватри прохода по захватке.
Производительность укрепления откосов в смену при этом в 1,5 раза
больше производительности гидропосева при использовании авто
цистерн, причем с ростом высоты откоса она увеличивается.
Гидропосев трав с мульчированием рекомендуется для примене
ния повсеместно, за исключением районов Крайнего Севера и при
равненных к ним засушливых районов, а также северных районов ев
ропейской территории России. В тех случаях, когда укрепление зем
ляного полотна гидропосевом трав с мульчированием по климатичес
ким и грунтовым условиям неприменимо, гидропосев трав ведут по
предварительно нанесенной торфогрунтовой смеси или по слою рас
тительной земли при соблюдении экологической безопасности. Гид
ропосев по слою растительного грунта или торфа практикуют при
укреплении откосов земляного полотна, сооруженного из песчаных,
гравелистых грунтов, жирных глин, а также при гидронамыве.
Видовой состав семян, нормы и сроки высева приведены в спе
циальной литературе.
3.4.10. Возведение земляного полотна методами гидромеханизации
Гидромеханизация — это один из эффективных видов комплекс
ной механизации земляных работ, при котором весь комплекс зем
ляных работ (разработка, транспортировка и укладка грунта в зем
ляное сооружение) выполняют гидравлическим способом в едином
технологическом потоке.
При разработке грунта способом гидромеханизации образуется
гидросмесь (пульпа), которая способом гидротранспортирования
перемещается к месту укладки — в намываемое сооружение.
Гидромеханизацию применяют при намыве плотин, земляного
полотна автомобильных и железных дорог, площадок для размеще
ния железнодорожных станций, аэродромов и жилых микрорайонов
184
в городе; при планировке территорий, устройстве подводных тран
шей для прокладки трубопроводов; при добыче и переработке пес
чаногравийных материалов, добыче балласта и т.д.
Методами гидромеханизации в земляное полотно железных дорог России
уложены сотни миллионов кубометров грунта (БАМ, Хребтовая—УстьИлим
ская, Тюмень—Сургут—Нижневартовск и т.д.). На мостовом переходе через
р. Оку в г. Рязани намыто 780 тыс. м3 грунта.
Достоинством методов гидронамыва является высокий уровень
механизации технологического процесса, а намываемый в тело зем
ляного сооружения грунт не требует уплотнения.
Различают три метода гидромеханизированных работ: 1) земле
сосный, 2) гидромониторный и 3) комбинированный (разработка
грунта сухоройными машинами с гидротранспортировкой его к ме
сту укладки). Второй и третий методы применяют реже, наиболее
распространенный и эффективный — землесосный.
Земснаряд (землесосный снаряд) — плавающая несамоходная ма
шина, извлекающая грунт изпод воды и в виде водогрунтовой смеси
(пульпы) перекачивающая его к месту намыва земляного сооружения.
Водоизмещение землеснарядов колеблется от нескольких тонн до
нескольких тысяч тонн.
Земснаряд работает в обводненным карьере (река, озеро и т.п.).
Все современные землесосные снаряды (рис. 3.33, а) имеют сле
дующие основные узлы:
– грунтозаборный орган, предназначенный для непрерывного от
деления грунта от массива забоя и смешивания с водой;
– грунтовый насос, превращающий основную часть энергии, рас
ходуемой землесосным снарядом, в полезную работу по перемеще
нию грунта. Параметры грунтового насоса являются основными для
характеристики землесосного снаряда;
– всасывающий пульпопровод для соединения грунтозаборного
устройства с грунтовым насосом;
– напорный пульпопровод для соединения грунтового насоса с
береговыми пульпопроводами. Напорный пульпопровод состоит из
двух частей: внутриснарядной и гибкого плавучего пульпопровода;
– устройство для рабочих перемещений (свайный ход и лебедки,
обеспечивающие непрерывный контакт грунтозаборного устройства
с разрабатываемым грунтом);
– корпус землесосного снаряда, на котором монтируются все ус
тройства землесосного снаряда.
185
Рис. 3.33. Схема землесосного снаряда и папильонажного устройства: а — об
щий вид земснаряда; б — папильонажный механизм; 1 — фреза разрыхлителя;
2 — стрела подъема рамы разрыхлителя; 3 — электродвигатель с редуктором
вала разрыхлителя; 4 — грунтовый насос; 5 — электродвигатель грунтового на
соса; 6 — корпус земснаряда; 7 — напорный пульповод; 8 — папильонажная
свая; 9 — плавучий пульповод; 10 — понтон плавучего пульповода; 11 — всасы
вающий пульповод; 12 — рама разрыхлителя; 13 — вал разрыхлителя; 14 — свае
подъемная лебедка
Кроме основных узлов, на землесосных снарядах имеется еще це
лый ряд устройств вспомогательного назначения, в том числе уст
ройство для подъема и опускания грунтозаборного органа.
Существующие грунтозаборные устройства могут быть разбиты
на две основные группы: грунтозаборные устройства непосредствен
ного всасывания без разрыхления и грунтозаборные устройства, в
которых для повышения интенсивности грунтозабора применяют
рыхлящие устройства — механические или гидравлические. Боль
186
шинство земснарядов для рыхления грунтов оснащены вращающи
мися фрезерными рыхлителями.
Известно большое разнообразие фрез как по форме, так и по кон
структивным решениям. Общим для них является наличие ножа,
режущая кромка которого срезает грунтовую стружку. Подача струж
ки к отверстию всасывающей трубы обеспечивается соответствую
щим наклоном и формой ножа.
Процесс непрерывной разработки грунта обеспечивается согла
сованными поперечными и поступательными рабочими перемеще
ниями (папильонированием) земснаряда с помощью папильонаж
ных устройств и свайного аппарата, создающих постоянный контакт
грунтозаборного устройства с забоем.
В основном применяют две системы рабочих перемещений зем
снарядов в забое: канатную и свайноканатную.
Система и способы рабочих перемещений земснарядов опреде
ляются физикомеханическими свойствами разрабатываемых грун
тов, геологическими условиями их залегания и плотностью сложе
ния, характером и назначением выполняемых работ.
Канатную систему применяют в основном при разработке несвяз
ных слабоуплотненных грунтов (пески, илы, песчаногравийные)
или разработке грунта на больших глубинах, исключающих возмож
ность применения свай.
Свайноканатную систему рабочих перемещений земснаряда при
меняют преимущественно при разработке профильных выемок, а
также плотных и связных грунтов (глины, суглинки) с помощью ме
ханического рыхлителя.
На рис. 3.33, б показан свайный аппарат шагающего хода, пред
ставляющий собой две металлические трубчатые сваи, подвешенные
в направляющих, находящихся на корме земснаряда.
Папильонирование осуществляется поочередным поворотом зем
снаряда вокруг одной из прикольных свай с помощью двух носовых
папильонажных лебедок, что создает шагающий свайный ход.
При разработке плотных глин с применение свайноканатного
папильонирования применяют послойный способ резания, после
довательно отработывая фрезерным рыхлителем горизонтальные
слои по направления сверху вниз.
Грунтозаборное устройство земснарядов отличается от подобных
устройств землеройных машин тем, что они не только отделяют грунт
187
и передают его какимлибо механизмом для перемещения, но и сме
шивают грунт с водой для гидротранспортировки.
Основные технологические расчеты при применении земснаря
дов следующие:
– определение необходимой производительности земснаряда по
гидросмеси (пульпе);
– определение диаметра пульповода и предельной скорости, при
которой транспортируемый грунт не осаждается на дне пульповода;
– определение потерь напора при транспортировании пульпы по
трубам и предельной дальности ее транспортирования.
Необходимая производительность (или расход гидросмеси) Q2,
м3/ч, — это суммарный объем воды и грунта, проходящий через по
перечное сечение пульповода в единицу времени:
Q2 =
W (1 − m)q
,
nTK в
(3.57)
где q — удельный расход воды в м3 на разработку и транспортирование 1 м3
грунта;
m — средняя пористость грунта в долях единицы;
Кв — коэффициент использования землеснаряда по времени Кв = (0,6…0,7);
n — число часов работы в сутки;
T — заданный срок производства работ в рабочих сутках. Максимальный
срок производства работ равен рабочему сезону, который представляет собой
период от окончания ледохода и до начала ледостава, определяемый для задан
ного района проектирования по климатическому сравочнику;
W — объем грунта, подлежащего разработке и транспортированию, м3, при
определении которого необходимо учитывать помимо профильного объема:
– запас на самоуплотнение, равный 1,5 % профильного объема при намы
ве супесчаных грунтов и 0,75 % — при намыве песчаных грунтов;
– производственные потери (1...2 % от профильного объема);
– недоборы в забое, образующиеся при их разработке земснарядами и рав
ные 5...10 % профильного объема.
В соответствии с основными техническими характеристиками зем
лесосных снарядов по рассчитанному значению Q2, м3/ч, выбирают
тип землесосного снаряда. По производительности выбранного зем
лесосного снаряда уточняется фактический срок производства работ.
При определении диаметра пульповода выбирают стандартный ди
аметр, при котором движение гидросмеси происходит в режиме, близ
ком к критической скорости, которая соответствует началу выпадения
частиц из транспортируемой гидросмеси при уменьшении ее расхода.
188
Теоретически для конкретного случая подходящий диаметр (из
нескольких стандартных) может быть определен путем подбора при
одновременном решении двух уравнений (3.58) и (3.59).
Диаметр трубопровода
Dтр =
Q2
1
,
30 3,14V кр
(3.58)
где Vкр — критическая скорость движения гидросмеси.
Необходимая для поддержания частиц пульпы во взвешенном
состоянии критическая скорость потока
Vкр = Фε,
(3.59)
где Ф — скорость падения частиц в стоячей воде (гидравлическая крупность),
м/с, зависящая от размера частиц и температуры воды;
ε — коэффициент турбулентности, принимаемый от 12 до 20 (чем крупнее
частицы, тем больше ε).
На практике теоретический подбор подходящего диаметра тру
бопровода не ведут, так как землесосные снаряды переходят с объекта
на объект, и менять каждый раз диаметр трубопровода нецелесооб
разно. Каждый землесосный снаряд имеет в комплекте плавучий и
магистральный трубопроводы из труб определенного диаметра.
Применяемые стандартные диаметры труб плавучего, магистраль
ного и всасывающего трубопроводов колеблются в интервале
250…500 мм.
При выборе трассы магистрального трубопровода необходимо:
– избегать лишних поворотов в плане; повороты должны выпол
няться по плавным кривым;
– избегать резких переломов в профиле, трубопроводы следует
укладывать с некоторым подъемом в сторону нагнетания.
Суммарные потери напора по длине трассы пульповода склады
ваются из потерь напора на трение в отдельных участках, а также на
преодоление разности геодезических отметок:
Н = k hвс + hпл + hм + hp + hг ,
(3.60)
где k — коэффициент запаса; может быть принят равным 1;
hвс — потери напора во всасывающей линии, м;
hпл — потери напора в плавучем пульповоде, включая пульповод на земле
сосном снаряде, м;
189
hм — потери напора в магистральном пульповоде, м;
hр — потери напора в распределительном пульповоде, м;
hг — потери напора на преодоление геодезической разности отметок между
уровнем воды в реке или карьере и осью распределительного пульповода, на
ходящегося на гребне намываемого сооружения, м.
Потери напора в отдельных элементах рассчитываются по следу
ющим формулам:
потери напора во всасывающей линии
hпл = 0,06V вс
0,03l вс
Dвс
+ 0,73,
(3.61)
где Dвс, lвс — соответственно диаметр и длина всасывающего пульповода зем
лесосного снаряда, м;
Vвс — скорость движения гидросмеси во всасывающем пульповоде, м/с;
потери напора в плавучем пульповоде
hвс = I смl пл К1 + ξ
2
V кр
ρсм
2qρв
l пл ,
(3.62)
где lпл — фактическая длина плавучего пульповода, м;
К1 — коэффициент, учитывающий местные сопротивления в плавучем пуль
поводе; может быть принят равным 2;
ξ — суммарный коэффициент гидравлических сопротивлений в плавучем
пульповоде;
ρв — плотность воды, т/м3;
ρсм — плотность гидросмеси (равна примерно 1,35 т/м3);
Iсм — удельные потери напора на трение при движении гидросмеси (пуль
пы) в пульповоде,
I
см
= I + ∆I ,
в
(3.63)
где Iв — удельные потери напора на трение на 100 м водовода при движении
воды со скоростью Vкр;
∆I — дополнительные удельные потери напора на трение при движении гид
росмеси со скоростью Vкр; могут быть приняты ∆I = (0,15…0,30)Iв;
потери напора в магистральном пульповоде
hм = I смl м К 2 ,
(3.64)
где lм — длина магистрального пульповода (определяется местными условия
ми проектирования), м;
К2 — коэффициент, учитывающий местные сопротивления в магистраль
ном пульповоде; принимается 1,1…1,2;
190
потери напора в распределительном пульповоде, монтируемом на
быстроразъемных соединениях
hр = I смl р К 2 ,
(3.65)
где lр — длина распределительного пульповода, определямая местными усло
виями проектирования, м;
К2 — коэффициент, учитывающий местные сопротивления; принимается
1,1…1,2;
потери напора на преодоление разности геодезических отметок
ρ
hг = ±h0 см ,
(3.66)
ρв
где h0 — геодезическая разность отметок между уровнем воды в реке и осью
распределительного трубопровода, находящегося на гребне намываемого со
оружения.
Предельная расчетная дальность транспортирования гидросмеси
Lmax =
H зс − (hвс + hг )
1,1I см
,
(3.67)
где Нзс — напор, развиваемый выбранным землесосом, м.
Если напора одного земснаряда недостаточно для преодоления
всех возникающих потерь и подачи пульпы на требуемое расстоя
ние, то устанавливают станции перекачки, соединенные последова
тельно с земснарядом. Обычно для одного земснаряда устанавлива
ют не более двух станций перекачки.
Гидромонитор — механизм, предназначенный для превращения
статического напора подводимой к нему воды в скоростной напор
струи, истекающей из насадки. Конструкция гидромонитора пока
зана на рис. 3.34.
Воду от насосной станции подводят к нижнему колену 8, соеди
ненному через горизонтальный шарнир с верхним коленом 7 так,
что верхнее колено может поворачиваться относительно вертикаль
ной оси. В свою очередь верхнее колено соединяется с коническим
стволом 1 через оголовок 6, который позволяет поворачивать ствол
в вертикальной плоскости. Горизонтальный шарнир и оголовок обо
рудованы герметизирующими устройствами.
Проточная часть гидромонитора (нижнее и верхнее колена, ствол
и насадка) имеют конструкцию, позволяющую с небольшими гид
191
Рис. 3.34. Гидромонитор с дистанционным управлением ГДУ250: 1 — ствол
гидромонитора; 2 — насадка; 3 — передвижное устройство; 4 — гидроцилиндр
вертикального перемещения ствола; 5 — гидроцилиндр горизонтального пово
рота ствола; 6 — оголовок; 7 — верхнее колено; 8 — нижнее колено; 9 — подво
дящий трубопровод
равлическими потерями создать компактную струю воды (снижение
гидравлических потерь достигается правильным выбором геометри
ческих форм и тщательной обработкой проточной части гидромо
нитора). Каждый гидромонитор снабжен комплектом сменных на
садок разного диаметра.
Гидромонитором ГДУ250 управляют дистанционно с выносного
пульта при визуальном наблюдении за технологическим процессом.
Гидромониторы монтируют на тележках, салазках или рамах.
Расход воды гидромониторами — от 25 до 1000 л/с при напоре от
10 до 200 м водяного столба.
Так, например, для разработки мелкозернистых песков необ
ходимый напор составляет 30 м водяного столба, а для жирной гли
ны — 150 м. Соответственно расход воды на 1 м3 грунта 5 и 13 м3
соответственно.
В состав гидромониторных работ входят разработка грунта в забое,
его транспортировка, а также укладка гидросмеси на картах намыва.
Способ разработки зависит от характера грунта и определяется
проектом производства работ. Разработку грунта ведут либо с под
резкой уступа и последующим смывом обрушенного грунта, либо без
подрезки, только смывом грунта непосредственно с откоса.
Первый способ применяется при плотных грунтах, когда требу
ется создать вруб на такую глубину, при которой обрушивается вы
192
шележащий массив грунта. Рыхлые несвязные грунты разрабатыва
ются их смывом с откоса.
Грунт разрабатывают встречными или «косыми» забоями.
Встречный забой. Разработку грунтов в этом случае начинают с под
резки уступа. Поскольку это наименее производительная операция,
необходимо стремиться, чтобы высота вруба была возможно меньшей.
Глубина вруба зависит от характера грунта. Для использования наи
большей ударной силы струи ее направляют нормалью к груди забоя, а
гидромонитор располагают возможно ближе к нему. Расстояние от за
боя до гидромонитора должно составлять, по соображениям безопас
ности ведения работ, не менее 0,8 высоты уступа. Для глинистых, плот
ных, способных к разрушению глыбами грунтов это расстояние долж
но быть не менее 1,2 высоты уступа. С увеличением расстояния сни
жается эффективность воздействия струи. Это расстояние может быть
сокращено в случае гидромониторов с дистанционным управлением.
Предварительное рыхление тяжелых грунтов можно вести буль
дозерами или экскаваторами. Смыв обрушенного грунта начинают
с участка, ближайшего к пульпосточной канаве.
Рыхлые грунты можно разрабатывать «косым» забоем. В этом слу
чае струю воды направляют под углом к груди забоя, чем достигает
ся большой охват размываемой площади.
При встречном и «косом» забоях производительность больше, чем
при попутном, поскольку подмытый грунт обваливается под действи
ем собственного веса. Однако при транспортировании гидросмеси
на подошве забоя образуются значительные уклоны изза недобо
ров грунта, и необходимо затрачивать дополнительное время на под
гонку (бустировку) грунта гидромонитором.
Попутный забой. При разработке выемки или карьера попутным
забоем, т.е. сверху вниз, гидромонитор устанавливают на кровле за
боя. Расстояние от гидромонитора до бровки определяется из усло
вия наименьшего числа его передвижек. Разработку грунта начина
ют с устройства разрезной траншеи к зумпфу землесосной установ
ки, затем смывают грунт слева и справа от траншеи и направляют
его к зумпфу землесосной установки, расположенной на подошве
забоя. При попутном забое производительность гидромониторно
землесосного комплекта ниже, чем при встречном забое, зато воз
можна бустировка грунта гидромонитором при выполнении им ос
новной работы по смыву грунта.
193
В обычных условиях в забое устанавливают два гидромонитора:
один находится в работе, а второй в это время передвигают на новую
позицию.
Наращивание водовода и передвижку одного из гидромониторов
ведут без прекращения работы всего комплекса.
В состав оборудования для гидромониторных работ входят гид
ромониторы, насосные станции, обеспечивающие водой работу гид
ромониторов, и забойные землесосные установки напорного гидрав
лического транспорта пульпы.
Потребное число гидромониторов для разработки выемки, карь
ера или котлована составляет
m=
Wq
,
QK в nT
(3.68)
где W — объем разрабатываемого грунта, м3;
q — удельный расход воды, м3, необходимый для разработки и перемеще
ния 1 м3 грунта;
Q — водопроизводительность одного гидромонитора, м3/ч;
Кв — коэффициент использования гидромонитора по времени, может быть
принят 0,75;
n — число часов работы в сутках;
T — срок производства гидромониторных работ, рабочих суток.
Водопроизводительность Q зависит от напора H0, потребного для
разработки грунта, и диаметра насадки, которым необходимо за
даться.
Для грунтов песчаных, супесей и суглинков средней плотности
рекомендуемые диаметры насадок: 65, 75, 87,5, 90 и 100 мм.
Значение потребного напора H0 принимают в зависимости от вида
грунта и высоты забоя. Зная H0 и задаваясь значением диаметра на
садки, определяют водопроизводительность гидромонитора Q, а за
тем — число гидромониторов m.
Полный потребный напор Н, необходимый для выбора насоса
определяется из условия
Н = Н 0 + Н г + Н вс + Н пг + Н пс ,
(3.69)
где H0 — величина напора, потребного для разработки 1 м3 грунта;
Нг — разность геодезических отметок мест установки гидромонитора и на
соса, м;
Нвс — напор, затрачиваемый на преодоление сопротивление высоты вса
сывания, принимаемый от 2 до 3 м;
194
Нпг — потери напора в гидромониторе, определяемые по формуле
Н
пг
= Q 2K ,
(3.70)
где Q — расход воды гидромонитором, м3/с;
K — коэффициент потери напора, зависящий от типа гидромонитора и по
ложения его ствола. Например, коэффициент при горизонтальном положении
ствола К = 82;
Нпс — напор, затрачиваемый на компенсацию потерь напора воды в сети, м.
Зная полный потребный набор Н, выбирают тип центробежного
насоса.
Производительность земнасосов, обеспечивающих перемещение
гидромассы к месту ее укладки по напорному пульповоду, должна
быть не менее суммарной водопроизводительности работающих гид
ромониторов или может быть определена по формуле
Пз =
W (1 − m)q
,
K в nT
(3.71)
где Пз — производительность землесоса на пульпе;
m — пористость грунта.
Необходимый напор землесосной установки
H з = hг + hвс + hп ,
(3.72)
где hг — разность геодезических отметок мест установки землесоса и выпуска
пульпы, м;
hвс — напор, затрачиваемый на преодоление сопротивления высоты всасы
вания, м;
hп — напор, затрачиваемый на потери в пульповоде, м.
Потери напора в пульповоде
hп = 1,1i0 Kl м ,
(3.73)
где i0 — потери напора, в м, на 100 м трубопровода для случая движения чистой
воды;
K — коэффициент, учитывающий консистенцию пульпы;
lм — длина магистрального трубопровода, м.
Расчет диаметра пульповода ведется так же, как и в случае разра
ботки грунта плавучими земснарядами.
В настоящее время наиболее распространены следующие техно
логические схемы намыва насыпей железнодорожного земляного
полотна.
195
Продольно#встречный безэстакадный способ намыва с устройством
посередине карты намыва колодца со штольней для отвода отстояв
шейся воды в водоотводную канаву за пределами очертания возво
димой насыпи.
Этот способ предусматривает намыв насыпи попеременно с двух
ее торцов с наращиванием по ярусам стояков, подводящих пульпу.
Выполнив намыв на высоту обвалования яруса (2 м) на одной поло
вине карты, подачу пульпы переключают на другую половину кар
ты, а там, где до этого вели намыв, наращивают стояк и возводят
бульдозером обвалование на высоту следующего яруса.
Длина карт 250—500 м.
Схему можно применять при намыве насыпей любой высоты из пес
чаных или песчаногравелистых грунтов. Поскольку пульпу уклады
вают с уклоном по направлению к водоотводному колодцу, для намы
ва верха насыпи под проектную отметку на последнем ярусе необхо
димо прокладывать пульповоды звено за звеном, доводя их до отстой
ного прудка у колодца и выпуская пульпу из торцов этих звеньев. Для
этого на карте намыва должен быть крантрубоукладчик, а для монта
жа пульповода следует применять быстроразъемные соединения труб.
Двусторонний способ намыва с низких опор. По этой технологичес
кой схеме с двух сторон карты в направлении к водоотводному ко
лодцу, расположенному в середине ее, ведут наращивание пульпо
водов, из торцов которых вытекает пульпа.
Пульповоды укладывают в две нитки на низких опорах (высотой
1...2 м), представляющих собой две стойки с поперечиной.
Намыв ведут по ярусам, с наращиванием обвалования бульдозе
ром и установкой низких опор на каждом ярусе, монтажом и демон
тажом пульповодов также поярусно. Недостатком способа является
большой объем монтажных работ.
Длина карт намыва и область применения схемы аналогичны ра
нее приведенным.
При намыве насыпей грунтами, взятыми из притрассовых карье
ров, сложенных из мелкозернистых песков, необходимо обеспечить
удержание в теле насыпи до 20 % частиц мельче 0,1 мм. В этих усло
виях целесообразно применять технологические схемы намыва двух
колодцевую или безколодцевую с поперечным обвалованием.
Двухколодцевая схема (рис. 3.35) отличается от описанного про
дольновстречного способа намыва тем, что вместо одного колодца
196
Рис. 3.35. Карта намыва насыпи по двухколодцевой схеме: 1 — выпускная тру
ба; 2 — сбросной колодец; 3 — обвалование; 4 — магистральный пульповод;
5 — пульпа
посередине карты намыва устраивают два колодца и растекание
пульпы обеспечивают при попеременном закрытии колодцев и по
даче пульпы с торцов карты до более отдаленного колодца, благо
даря чему удлиняется путь движения пульпы, осаждаются более мел
кие фракции грунта и сокращается унос частиц грунта с осветлен
ной водой.
3.4.11. Взрывные работы при возведении земляного полотна.
Общие понятия. Расчет зарядов.
Методы производства взрывных работ
Общие понятия о взрывных работах. Взрывные работы при со
оружении железных дорог обычно выполняют при производстве зем
ляных работ в скальных, сезонно и многолетнемерзлых грунтах в
следующий случаях:
– разработка новых или уширение существующих скальных выемок;
– посадка насыпей на минеральное дно болот;
– корчевка пней и валка деревьев;
– образование котлованов под опоры контактной сети;
– защита искусственных сооружений во время ледохода;
– рыхление неразрыхленных массивов скального грунта, остав
шихся в пределах проектного очертания поперечного профиля по
лувыемок;
– рыхление нависших скальных козырьков за пределами проект
ного очертания и взрывание отдельных, угрожающих обвалом, кам
ней на всем протяжении скальных откосов.
Ограниченный объем учебника позволит рассмотреть только не
которые из перечисленных видов работ.
197
Некоторые термины и определения. Под взрывом взрывчатого ве
щества (ВВ) понимают чрезвычайно быстрое химическое превраще
ние вещества, сопровождающееся выделением энергии, образова
нием ударной волны и сжатых газов, способных производить меха
ническую работу.
Взрывчатые вещества — это химические соединения или меха
нические смеси, способные с большой скоростью под влиянием
внешнего воздействия изменять свое состояние, образуя сильно сжа
тые газообразные продукты и выделяя энергию. Продукты взрывча
того разложения, воздействуя на окружающую среду, возбуждают в
ней ударную волну или волну напряжений, и расширяясь, произво
дят работу по механическому перемещению материала. По физичес
кому состоянию различают следующие ВВ: газовые смеси; смеси
твердых или жидких веществ с газами; жидкие вещества; жидкие
смеси; смеси жидких и твердых веществ — динамиты; твердые со
единения или смеси (тринитротолуол и т.д.). Наибольшее распро
странение при строительных работах получили взрывчатые смеси из
твердых ВВ. Взрывчатые смеси имеют в своем составе вещества, бо
гатые кислородом, — аммиачную, натриевую, калиевую селитры,
жидкий кислород и т.д., а также горючие вещества — алюминий, маг
ний, серу, уголь, древесную муку.
Заряд — это заранее рассчитанное по массе и форме размещения
ВВ, уложенное в зарядную полость и снабженное инициатором взры
ва. Заряды бывают наружные и внутренние. Наружными (накладны
ми) называют такие заряды, которые размещаются на поверхности
разрушаемого объекта, внутренними — заряды, помещенные внутри
разрушаемого объекта.
Для размещения заряда ВВ во взрывной среде в ней создают
углубление, называемое взрывной выработкой: шпур, скважина, ко
тел, камера, рукав.
– Шпур — это цилиндрическое углубление диаметром до 75 мм,
глубиной (длиной) до 5 м.
– Скважина — такое же углубление, но большего диаметра при
глубине до 5 м или любого диаметра при глубине больше 5 м; в же
лезнодорожном строительстве при разработке выемок взрывным ме
тодом используются преимущественно скважины.
– Котловые шпуры и скважины имеют в своем основании уши
рение — котел.
198
Процесс образования шпуров и скважин называется бурением, а
соответствующие работы — буровыми.
Технологический комплекс взрывных работ с использованием ВВ
состоит из технологических процессов по:
– заряжению и забойке зарядных выработок;
– монтажу взрывных сетей;
– взрыванию.
Зарядные камеры образуются, как правило, бурением, поэтому
работы по бурению взрывных выработок и взрыванию в них зарядов
называют буровзрывными.
Взрывом называется быстрое, порядка десятков микросекунд, горе
ние с резким ростом температуры. Последнее приводит к тому, что про
дукты сгорания при взрыве резко расширяются, выполняя значитель
ную механическую работу. При распространении взрыва со скоростью,
меньшей скорости звука, говорят о взрывном горении. При этом удар
ная волна в ВВ не образуется. При возникновении в ВВ ударной вол
ны говорят о детонации; ее скорость может достигать 8000—9000 м/с.
Способы взрывания. В зависимости от способа передачи воздей
ствия на КД, на строительных объектах и в карьерах применяют три
основных способа взрывания:
– огневой,
– электрический,
– при помощи детонирующего шнура.
При первом способе огневой импульс передается на КД с помо
щью огнепроводного шнура (ОШ), при втором (электрическом)
электрическим импульсом подрывается электродетонатор, который
отличается от обычного КД запрессовкой в дульце мостика накали
вания с воспламенителем (рис. 3.36). Для обеспечения задержки под
рыва одной группы зарядов по отношению к другой в состав ЭД мо
жет входить замедлитель, обеспечивающий задержку его подрыва от
нескольких секунд до десятков миллисекунд.
Для одновременного подрыва группы зарядов их объединяют во
взрывную сеть. Это важно, например, при шпуровом способе, так как
при неодновременном подрыве часть зарядов может быть разруше
на взорвавшимися ранее. Электрический способ взрывания обеспе
чивает практически одновременную передачу взрывного импульса
по сети. При огневом способе взрывания взрывную сеть вяжут из
детонирующего шнура (ДШ).
199
Рис. 3.36. Параллельноступенчатое соединение детонирующего шнура: 1 — об
щая магистраль; 2 — заряды ВВ; 3 — отрезки детонирующего шнура
Огневое взрывание — достаточно простой способ, но его отрица
тельными сторонами являются повышенная опасность производства
работ и ограниченность числа взрываемых зарядов. Электрический
способ применяют при взрывании любого числа зарядов, он широ
ко распространен и относительно безопасен. К его недостаткам сле
дует отнести некоторую сложность устройства взрывной сети, необ
ходимость в источнике тока и возможность преждевременного взры
ва электродетонаторов под действием блуждающих токов.
Взрывание детонирующим шнуром применяют при всех методах
производства взрывных работ. ДШ имеет сердцевину из бризантно
го ВВ. При инициировании он способен детонировать с большой
скоростью и вызывать при этом детонацию зарядов ВВ или отрезков
другого ДШ, с которыми соприкасается.
Короткозамедленное взрывание при помощи ДШ и пиротехни
ческого реле осуществляется также с необходимым замедлением для
отдельных участков сети. Пиротехнические реле выпускают четы
рех ступеней замедления — 15, 20, 35 и 50 м/с.
Короткозамедленное взрывание имеет следующие преимущества:
снижение влияния сейсмического эффекта на сооружения, располо
женные в районе производства взрывных работ; улучшение дробле
ния взрываемой породы; уменьшение выхода негабарита и ширины
развала породы после взрыва в связи с тем, что работа взрыва проис
ходит при наличии дополнительных свободных поверхностей; возмож
ность увеличить расстояние между скважинами и тем самым повы
сить выход раздробленной породы на 1 м скважины на 20—30 % и
200
уменьшить расход ВВ; возможность управлять направлением развала
породы.
Действие взрыва. В зависимости от формы различают:
– сосредоточенный заряд, имеющий форму шара, куба или иную,
но с отношением высоты заряда l к его ширине (диаметру) d меньше 5;
– удлиненный заряд, имеющий отношение l:d > 5.
По структуре заряд может быть сплошным, если он расположен в
зарядной камере без промежутков, и рассредоточенным, если он раз
делен промежутками из какойлибо среды на части, взрываемые од
новременно. При взрыве сосредоточенного заряда в плотной и од
нородной среде неограниченной протяженности у поверхности за
рядной камеры возникают максимальные напряжения, уменьшаю
щиеся по мере удаления от нее.
Различают следующие сферы действия взрыва (рис. 3.37):
– сжатия (уплотнения) 1 или измельчения — пространство, в пре
делах которого среда измельчается (в скальных породах) и уплотня
ется (в пластичных породах), отжимаясь от поверхности заряда;
– разрушения или разрыхления 2, в пределах которой среда раз
дробляется на отдельные куски;
– колебания 3, в пределах которой среда испытывает только
упругие колебания.
Резких границ между этими сферами нет. Обычно первые две из
них называются сферой разрушения c радиусом r.
Заряд, взрыв которого не оказывает влияния на обнаженную по
верхность взрываемой среды, а образует только котел, называется
зарядом внутреннего действия. Если при взрыве радиус сферы раз
рушения значительно превышает расстояние от центра заряда до
Рис. 3.37. Эффект взрыва заряда: а — внутреннего действия; б — наружного
действия (рыхления); в — наружного действия (выброса)
201
обнаженной поверхности АБ, то будет иметь место разрушение сре
ды в пределах конусообразной воронки и ее вспучивание в сторону
этой поверхности. Такой заряд называют зарядом нормального рых
ления (дробления), его действие — наружным, а образуемый конус
(воронка) взрыва — воронкой рыхления.
Различают следующие геометрические элементы воронки взры
ва: радиус r воронки взрыва (рыхления или выброса) — радиус ок
ружности верхнего основания воронки; линию наименьшего сопро
тивления (ЛНС); W — кратчайшее расстояние от центра сосредото
ченного заряда до обнаженной поверхности; видимую глубину во
ронки взрыва Р — расстояние от поверхности породы, упавшей
обратно в воронку после взрыва, до обнаженной поверхности.
Если при наружном действии заряда радиус r значительно пре
вышает W, то происходит не только разрыхление, но и выброс части
породы в сторону обнаженной поверхности, образуемый при этом
конус (воронка) называется конусом, или воронкой выброса, а за
ряд — зарядом выброса.
Наружное действие заряда характеризуется величиной показате
ля n действия взрыва заряда:
n=
r
.
W
(3.75)
Применительно только к воронкам выброса показатель действия
взрыва заряда называют показателем выброса.
Заряды в зависимости от величины n разделяются на следую
щие виды: нормальный выброс (n = 7); усиленный выброс (n > 1);
уменьшенный выброс (n < 1). Выброс грунта наблюдается только
при значениях n > 0,6, а наибольший по весу заряд ВВ может обра
зовать воронку с показателем действия взрыва n = 3. Дальнейшее
увеличение веса заряда не оказывает существенного влияния на ве
личину n. Опыт показывает, что для зарядов рыхления можно при
нять n = 0,5.
Расчет зарядов. При расчете зарядов определяют их величину,
количество и порядок размещения. Полученные расчетные величи
ны заряда корректируют опытным путем на основе результатов проб
ных взрывов в конкретных условиях производства.
Расчет зарядов нормального выброса. В основе расчета сосредото
ченного заряда лежит положение о пропорциональности веса заря
202
да нормального выброса Q объему взорванной породы V при обра
зовании воронки взрыва:
Q = KV ,
(3.76)
где К — показатель удельного расхода ВВ, кг/м3, взрываемой породы.
При наличии одной свободной поверхности и нормальном вы
бросе воронка взрыва будет представлять конус, у которого W = r.
Тогда величина заряда нормального выброса, кг,
K πr 2W 3,14KW 3
(3.77)
≈
, или приближенно Q = KW 3 .
3
3
При определении веса заряда в формулу (3.77) вместо W подстав
ляют величину Wр расчетной линии сопротивления (РЛС), являю
щейся условным расчетным элементом. Методика выбора РЛС при
водится далее.
Формула (3.77) выведена при условии взрыва заряда в однород
ной среде. Если заряд размещается в массиве, сложенном из разных
пород, необходимо принимать средневзвешенное значение К.
Расчет зарядов усиленного или уменьшенного выброса. Вес заряда
усиленного или уменьшенного выброса определяется по формуле
М.М. Борескова:
Q=
Q = KW 3 (0,4 + 0,6n3 ).
(3.78)
В современной практике взрывного дела формула является ос
новной при расчете сосредоточенных зарядов усиленного выброса,
но при W > 25 м она дает заниженные результаты, так как неполнос
тью учитывает затраты энергии на подъем породы, зависящие от раз
меров воронки и высоты выброса.
При W > 25 м в (3.78) вводят поправку, с учетом которой она при
нимает вид
Q = KW 3 (0,4 + 0,6n3 )
W
.
25
(3.79)
Согласно опытным данным, наименьший расход ВВ на 1 м3 вы
брасываемой породы получается при значениях n, лежащих в интер
вале от 1,8 до 2,0.
Видимую глубину воронки Р при взрывах одиночных зарядов из
аммонитов в породах I—III групп (кроме песка) при любых значе
203
ниях n и в породах IV—XI групп при n < 2 определяют по прибли
женной эмпирической формуле
(3.80)
P = 0,33W (2n − 1),
при n ≥ 2 в породах IV—XI групп по формуле
P = W.
(3.81)
Выброшенная за пределы воронки порода образует навалы высо
той около (0,30…0,36)W. Наибольшая дальность разлета кусков скаль
ной породы при взрыве заряда из аммонита и n > 1 колеблется от 200
до 1700 м и ориентировочно подсчитывается по формуле
L = 20n2W .
(3.82)
Для аммонита формула для определения величины заряда рыхле
ния Q', кг, примет вид
Q ′ = 0,5KW 3 , или Q ′ = K ′W 3 ,
(3.83)
где K' = 0,5K.
Нормативные значения удельного расхода аммонита для различ
ных пород приведены в справочниках.
Расчет совместно действующих зарядов. Изложенное о взрыве за
рядов и их расчете относится к одиночным сосредоточенным зарядам.
В железнодорожном строительстве и на карьерах чаще всего взрывают
группу совместно действующих зарядов. Вес последних определяют по
тем же формулам, которые приняты для расчета одиночных зарядов, а
порядок их размещения выбирают по методике, изложенной далее.
Эффект взрыва зависит от правильности расположения и выбора
рациональных расстояний a между зарядами в ряду и от расстояний
b между рядами зарядов. При взрыве на выброс нормальное сближе
ние a зарядов будет иметь место при условии полного взаимного пе
рекрытия воронок выброса на величину радиуса воронки r.
Для зарядов выброса принимают
(3.84)
a = 0,5W (n + 1).
Расстояние между рядами зарядов b должно быть не больше ве
личины a, поэтому принимают b = 0,85a. Для зарядов рыхления рас
стояние а между сосредоточенными зарядами принимают в преде
лах (0,8…1,2)W и расстояние b = 0,85a. При двух, трех и многоряд
ном расположении внутренних зарядов последние в двух смежных
рядах размещают в шахматном порядке.
204
В табл. 3.20 приведен удельный расход взрывчатых веществ при
взрывах на выброс и нормальное рыхление в зависимости от вида
взрываемой породы.
Таблица 3.20
Удельный расход взрывчатого вещества
Взрывы при разработке новых или уширении под второй путь су
ществующих скальных выемок могут производиться на выброс или
на рыхление. Во втором случае, кроме производственного комплек
са, выполняющего буровзрывные работы, необходимо использовать
комплект машин для погрузки и транспортировки разрыхленной
горной породы, в связи с чем встает задача обеспечения согласован
ной работы буровзрывного и погрузочнотранспортного комплек
205
сов. Параметром, по которому осуществляется такое согласование,
предложено считать средний размер dср куска разрыхленной поро
ды, который зависит от удельного расхода взрывчатых веществ и
емкости ковша экскаватора:
dcp = 0,6 3 qэ ,
(3.72)
где qэ — емкость ковша экскаватора.
С другой стороны,
dcp = f (К ),
(3.73)
где K — удельный расход ВВ.
Таким образом, задаваясь удельным расходом ВВ, можно опреде
лить потребную емкость ковша экскаватора для исключения потерь
его производительности изза недостаточного заполнения ковша:
qэ = ( f (K ) / 0,6)3 .
(3.74)
Зависимость, выражающая функцию f (K ), приводится в специаль
ных руководствах и наставлениях по производству взрывных работ, а
также в работе, где подробно рассмотрены вопросы подбора комп
лектов машин для согласованного выполнения буровзрывных и по
грузочнотранспортных работ. Поэтому излагаемый далее материал
будет касаться только особенностей выполнения взрывных работ.
При разработке новых или уширении существующих скальных
выемок взрывные работы ведут в непосредственной близости от су
ществующего пути, линий связи и СЦБ, в стесненных условиях, на
узком фронте работ в течение выделенного для них «окна». Это тре
бует организации взрывов с минимальным разбросом скальной по
роды при максимально возможном ее дроблении. Продолжитель
ность «окна» определяется организационной схемой выполнения
работ по реконструкции участка линии в целом, но в любом случае
до завершения «окна» должна быть убрана вся порода, попавшая в
габарит приближения строений, и приведено в исправное состоя
ние верхнее строение существующего пути.
Для защиты существующего пути от повреждений при пологих
откосах (1:1,5) устраивают приемную площадку (рис. 3.38). Она слу
жит для приема взорванной породы без нарушения габарита при
ближения строений. Как видно из рисунка, приемная площадка об
разуется рыхлением горной породы методом шпуровых зарядов и
206
Рис. 3.38. Устройство каменной защитной призмы: 1 — существующий откос
выемки; 2 — защитная каменная призма; 3 — габарит приближения строений;
4 — шпуры; 5 — приемная площадка (размеры даны в мм)
уборкой продуктов рыхления, например, бульдозером. Крутизна по
лучающегося при этом откоса должна обеспечивать его устойчивость.
Для защиты существующего пути устраивают также защитную
каменную призму, укладывая бульдозером куски взорванной породы
вдоль защищаемого пути. Она препятствует попаданию на путь от
дельных кусков породы, предохраняя его тем самым от поврежде
ния и снижая потребную продолжительность «окна».
При разработке глубоких выемок с крутыми откосами применяют
сдвижку или перекладку действующего пути. Учитывая, что устрой
ство приемной площадки в этих условиях затруднено, а ее действие
недостаточно эффективно, такая мера в сочетании с устройством за
щитной каменной призмы позволяет увеличить объем взрываемой за
один раз породы, что сокращает потребность в «окнах» и улучшает
использование погрузочнотранспортного комплекта машин.
Для защиты рельсов и шпал применяют настил из старогодных шпал
или окантованных бревен. Обычно он возвышается на 50 мм над уров
нем головки рельсов. С внутренней стороны каждого рельса уклады
вают фасонный брус, между собой брусья сшивают скобами. В зави
симости от условий производства работ настил можно устраивать не
сплошным или защищать только околорельсовое пространство.
207
Защита линий СЦБ, связи и энергоснабжения обеспечивается их
переносом; предварительно должен быть создан достаточный запас
материалов для немедленной ликвидации случайных повреждений.
При взрыве должно быть достигнуто хорошее дробление породы
и минимальный разлет ее осколков. Этим требованиям удовлетворя
ет метод шпуровых зарядов, который, как правило, и применяют в этом
случае. Объем породы, который после взрыва попадет в выемку, за
висит от мощности взрываемого слоя h и ширины полки a. Поэтому
разработку выемки ведут одним или несколькими уступами.
При узких выемках глубиной 5...6 м, расположенных на пологих
косогорах, откос делят на уступы, высота которых зависит от разме
ра a приемной площадки и от наличия защитной призмы (рис. 3.39).
Высота верхних уступов обычно не превышает 2…4 м. Погрузку ведут
экскаватором либо с торца забоя, что сопряжено с необходимостью
устройства временной горной дороги для доставки экскаватора в за
бой и движения автосамосвалов, либо с накоплением породы в осно
вании выемки. Последний способ сопряжен с перерывами в работе
экскаватора на время сброса бульдозером в забой взорванной породы.
Рис. 3.39. Системы разработки скальной выемки при помощи взрыва: а — сис
тема невысоких продольных уступов разработки откоса скальной выемки под
II путь с накоплением породы в основании выемки; б — система невысоких
продольных уступов с погрузкой породы с торца забоя
208
При уширении под второй путь крутокосогорных скальных вы
емок глубиной 8…10 м и разработке подгорного откоса выемки це
лесообразно перемещать разрыхленную породу бульдозером в отвал
с низовой стороны косогора, если это допустимо по местным усло
виям (рис. 3.40).
Рис. 3.40. Схема разработки выемки системой понижения уступа
При глубине выемки 5…6 м и достаточной ширине приемной пло
щадки допускается разработка откоса одним уступом. Если высота
уступа порядка 6 м и уширение 2…3 м, взрывание допустимо произ
водить, сочетая методы шпуровых и рукавных зарядов (рис. 3.41).
После каждого взрыва проводят осмотр на наличие в бортах выемки
трещин или уступов, опасных с точки зрения обвалов. До открытия
движения поездов опасность обвала должна быть устранена.
Рис. 3.41. Применение метода шпуровых зарядов в сочетании с методом рукавов
209
При сооружении насыпей на болотах I типа (заполненных торфом
устойчивой консистенции) проводят частичное выторфовывание в
основании насыпи в зависимости от ее высоты:
Высота насыпи над поверхностью болота, м ........... 1,2...1,5
Глубина выторфовывания, м .............................................. 2,0
1,5...2
1,5
2...2,5
1,0
При этом ширину траншеи понизу принимают равной ширине
основной площадки, а поверху — ширине основания насыпи.
В случае лобовой отсыпки под углом к оси земляного полотна
устраивают поперечные траншеи для обеспечения полного выброса
торфа за пределы подошвы насыпи (рис. 3.42). При боковой отсып
ке параллельно временной дороге прорезают канаву на всю длину
выгрузки направленным в противоположную дороге сторону взры
вом. После ее засыпки проводят выторфовывание на следующем
участке, и так до тех пор, пока осевая насыпь не пересечет болото.
После этого дорогу переносят на осевую насыпь и дальнейшую от
сыпку ведут с нее.
Если насыпь высотой 3 м отсыпается боковой отсыпкой, сплави
ну можно не удалять. Для облегчения погружения насыпи в болото
сплавину прорезают двумя продольными прорезями шириной 1 м.
Каждая прорезь образуется одним рядом зарядов, заложенных в
шпуры.
Рис. 3.42. Схема образования поперечных траншей
210
При работе на болотах шпуры заряжают водоустойчивыми ВВ или
ВВ в патронах, покрытых гидроизоляцией.
Ранее уже упоминались такие методы взрывных работ, как шпу
ровой, рукавный и скважинный. Рассмотрим их подробнее.
Шпуровой метод. Шпуры бывают горизонтальными, вертикаль
ными и наклонными. Шпуры последних двух типов бывают нисхо
дящими и восходящими.
Сущность метода шпуровых зарядов состоит в использовании для
рыхления горных пород группы удлиненных зарядов ВВ, размещен
ных в шпурах. Метод используют при разработке и уширении под
второй путь скальных выемок и полувыемок глубиной до 5 м, зачист
ке выемок и полувыемок после взрывов на рыхление и выброс и пре
дотвращении обвалов, при устройстве канав, кюветов, ям для уста
новки столбов, рыхлении мерзлых грунтов, проходке шурфов, што
лен и зарядных камер для размещения крупных зарядов.
Достоинствами шпурового метода являются простота и малый вес
бурового оборудования, что позволяет быстро организовать работы
в труднодоступных местах, а также лучшее дробление породы за счет
более равномерного распределения ВВ по взрываемому массиву.
Недостаток метода — его значительная трудоемкость.
Расчет расположения шпуров (расстояние между шпурами в ряду
и между рядами), их глубины и веса заряда выполняется по специ
альным руководствам.
Шпуры и скважины в соседних рядах располагаются в шахмат
ном порядке.
Метод скважинных зарядов позволяет существенно снизить тру
доемкость проходки выработок для размещения зарядов ВВ, исполь
зуя тяжелое буровое оборудование. Наиболее распространенные бу
ровые станки позволяют бурить скважины диаметром 175...225 мм.
Метод вертикальных скважин применяют при высоте уступа 8...20 м
и угле откоса 70...75о. При более пологих углах откоса (до 60о) при
меняют метод наклонных скважин, что позволяет увеличить высоту
уступа, не снижая безопасность проведения работ, регулировать вы
соту и ширину развала горной породы, добиться более равномерно
го дробления горной массы, снизить образование трещин на откосе
уступа.
Главными недостатками этого метода являются трудность буре
ния наклонных скважин диаметром более 120 мм и снижение про
211
изводительности буровых станков в крепких породах. Потеря про
изводительности может быть столь велика, что исключает примене
ние наклонных скважин. Схема шпурового и скважинного зарядов
была представлена на рис. 3.41. Однорядное расположение скважин
зарядов приведено на рис. 3.43.
Рис. 3.43. Однорядное расположение скважин: l — глубина скважины; H — вы
сота уступа; h — величина перебура
Метод рукавов. В отличие от шпурового и скважинного методов,
предусматривающих применение распределенного по длине заряда,
метод рукавов, или малых камерных зарядов, состоит в том, что со
средоточенный заряд размещают в рукаве, т.е. горизонтальной или
слегка наклонной выработке длиной до 5 м и сечением, не превос
ходящим квадрат со стороной 20…50 см. Его применяют при зачист
ке откосов выемок и полувыемок, а также при уширении выемок под
второй путь. Метод обеспечивает высоту разрабатываемого
уступа до 4…7 м.
При производстве взрывных работ в строительстве используют
аммиачноселитренные ВВ и нитропроизводные углеводородов аро
матического ряда. Главным предъявляемым к ним требованием, на
ряду с достаточной дробящей способностью, является малая чувстви
тельность к внешним воздействиям, что позволяет обеспечить безо
пасность при производстве массовых взрывов.
3.4.12. Возведение земляного полотна в сложных климатических
и инженерногеологических условиях
К сложным условиям относятся такие, которые не позволяют ис
пользовать типовые проекты сооружения земляного полотна. В слож
ных климатических и инженерногеологических условиях земляное
212
полотно сооружают по индивидуальным проектам, которые разра
батывают для каждого объекта и обосновывают соответствующими
инженерными расчетами и экспериментами. При необходимости
дополнительно выполняют гидрогеологические, инженерносейсмо
логические и другие виды изысканий, а также натурные определе
ния деформативных свойств грунтов основания.
Основной задачей при проектировании таких сооружений явля
ется обеспечение заданного уровня надежности земляного полотна
по прочности, устойчивости и стабильности с учетом опыта эксплу
атации дорог в аналогичных условиях и вибродинамического воз
действия движущихся поездов при минимальных приведенных за
тратах, максимальном сохранении ценных земель и наименьшем
ущербе природной среде.
К числу сложных условий относится сооружение земляного по
лотна:
– в зимнее время;
– в районах вечной мерзлоты;
– на болотах и слабых основаниях;
– на марях;
– на крутых и неустойчивых косогорах;
– в условиях подтопления;
– в горных и сейсмических условиях;
– в засоленных грунтах, лессах, районах подвижных песков;
– в стесненных условиях и т.д.
Рассмотрим некоторые из них.
Возведение земляного полотна в зимнее время. В современных гра
ницах Россия является самой северной страной мира, географичес
кий центр которой находится всего в 2200 км от полюса холода Се
верного полушария Земли. Из 17,1 млн км2 территории страны
10,7 млн км2 расположены в полярной и субполярной географичес
ких зонах криолитозоны, характеризуемых резко континентальным
климатом с продолжительной морозной зимой и коротким жарким
летом, распространением вечной мерзлоты, переувлажненностью и
заболоченностью территорий, неблагоприятным сочетанием инже
нерногеологических условий, усугубляемых бездорожьем. В то же
время именно в криолитозоне сосредоточены основные разведан
ные и прогнозные стратегические запасы минеральносырьевых и
энергетических ресурсов страны, освоение которых требует наличия
213
развитой транспортной инфраструктуры. Бездорожье является при
чиной высокой себестоимости добычи и транспортировки природ
ных ресурсов, высокой трудоемкости и стоимости строительства, со
циальной и экологической напряженности в этих районах.
Именно поэтому в принятой перспективной топологии развития
сети железных дорог РФ до 2030 г. предусматриваются большие объе
мы строительства железных дорог в северных регионах. Это выдви
гает на первый план проблему круглогодичного строительства дорог
в указанных регионах с поэтапным усилением по мере роста объе
мов перевозок. Существенным фактором при ее решении является
технический уровень применяемых организационнотехнологичес
ких решений, и прежде всего, конструкций и технологий сооруже
ния земляного полотна как наиболее ресурсоемкой части железно
дорожного пути.
В 60—70е гг. XX в. в зимнее время выполняли не более 25—35 %
годовых объемов работ. Позднее во ВНИИ транспортного строитель
ства были разработаны и апробированы на железнодорожных лини
ях Ягельная—Ямбург и Обская—Бованенково организационнотех
нологические схемы круглогодичного строительства земляного по
лотна с перераспределением технологических операций по сезонам
года. Эти схемы позволили увеличить долю объемов земляных ра
бот, выполняемых в зимнее время, до 60—70 %. При этом для возве
дения насыпи используют мерзлые песчаные грунты, в том числе с
глинистыми прослойками.
В зимнее время возможно движение транспорта по марям и бо
лотам, а также использование в качестве дорог льда замерзших рек.
Зимой, как правило, не происходит вторичное смерзание разрых
ленного перед разработкой грунта, не заплывают пробуренные сква
жины и траншеи. При отсыпке насыпей в зимнее время легче сохра
нить торфяномоховой покров, а также естественный уровень низ
котемпературной вечной мерзлоты в основаниях насыпей. Зимой не
оплывают грунты на откосах выемок, разрабатываемых в вечной
мерзлоте.
В связи с изложенным зимой целесообразно выполнять:
– возведение насыпей из песчаных, гравийногалечных и пред
варительно разрыхленных скальных грунтов на основаниях, проч
ность которых изменяется незначительно в результате их промерза
ния и оттаивания;
214
– разработку выемок глубиной более 3 м в глинистых грунтах, с
перемещением грунта в кавальер или насыпь;
– возведение насыпей на болотах, марях, на участках подземных
льдов, льдонасыщенных суглинков и пылеватых песков, в особен
ности на участках с низкотемпературной вечной мерзлотой;
– устройство штолен и глубоких дренажных прорезей;
– укрепление откосов насыпей регуляционных сооружений и ру
сел рек каменной обсыпкой, бетонными плитами.
Определять участки земляного полотна, возводимого в зимнее
время, необходимо на стадии разработки проектной документации.
Успешное выполнение работ в зимнее время существенно зависит
от своевременного и грамотного проведения подготовительных ра
бот. В частности, до наступления морозов необходимо подготовить
к зимней эксплуатации машины и другую технику, восстановить и
закрепить трассу, подготовить временные автодороги, провести утеп
лительные мероприятия в карьерах и резервах.
В зимний период не рекомендуется производить:
– работы, связанные с большим объемом рыхления мерзлого грунта;
– разработку выемок глубиной до 3 м в нескальных грунтах;
– возведение насыпей из резервов;
– планировку земляного полотна из глинистых грунтов.
Кроме того, в зимнее время нельзя допускать движение транс
порта по участкам, намеченным к разработке.
Разработку мерзлых грунтов ведут с предварительным рыхлени
ем взрывным способом или экскаваторами с ковшами активного
действия. Для рыхления механическим способом в экскаваторный
комплект включают рыхлитель на базе трактора с бульдозерным обо
рудованием. Разрыхленный грунт убирают отвалом рыхлителя или
бульдозера в кавальер или отвал. Во избежание повторного смерза
ния разработку разрыхленного грунта ведут сразу вслед за рыхлени
ем, как правило, лобовым забоем.
В целях повышения эффективности разработки выемок и карье
ров проводят утеплительные мероприятия, к числу которых отно
сятся снегозадержание, засоление, покрытие теплоизоляционными
материалами, например пенопластом. В районах Сибири и Севера
толщина слоя пенопласта составляет для глинистых грунтов 25 см,
для песчаных — 30 см. Задержание и накопление снега для предо
хранения грунтов от промерзания обеспечивается установкой сне
215
гозадерживающих щитов, которые рекомендуется применять в рай
онах, где возможно накопление снега толщиной не менее 1 м. Пре
дохранение грунтов от промерзания организуется до наступления пе
риода устойчивых отрицательных температур.
Перед отсыпкой насыпи очищают от снега и льда ее основание, а
в процессе производства работ не допускают попадание снега и льда
в тело насыпи. Слои грунта отсыпают с такой интенсивностью, что
бы температура грунта (исключая мерзлые комья) в момент уплот
нения грунтоуплотняющими машинами была выше нуля.
Мерзлый грунт в конструкциях земляного полотна традиционно
рассматривается как потенциальная угроза потери устойчивости и
повышенной деформативности. В действовавших до 1984 г. нормах
содержание мерзлого грунта, укладываемого в насыпь, было огра
ничено по объему (не более 30 % общего объема насыпи) и по разме
ру комьев (не более 0,2 м или не более 2/3 толщины уплотняемого
слоя). На практике соблюдение этих норм резко ограничивало воз
можность строительства в Сибири земляного полотна из местных
грунтов в зимнее время. После 1984 г. область допустимого приме
нения местных мерзлых и переувлажненных (льдонасыщенных)
грунтов была существенно расширена за счет применения полимер
ных геотекстильных, пенопластовых и армодренажных материалов
и новых эффективных методов регулирования воднотеплового ре
жима грунтовых массивов земляного полотна.
Мерзлый грунт размещают равномерно и укладывают на рассто
янии более 1 м от поверхности откосов, не допуская его укладку в
виде отдельных гнезд. Верхнюю часть насыпи и слой над водопро
пускными трубами высотой не менее 1 м отсыпают талым глинис
тым или дренирующим грунтом. Насыпи за задними гранями мос
товых устоев и конуса отсыпают талым дренирующим грунтом.
Насыпи на поймах рек в пределах затопления, а также регуляци
онные земляные сооружения возводят только из скальных и круп
нообломочных грунтов, а также песков крупных и средней крупно
сти. На затопляемых поймах насыпи возводят до начала половодья
на высоту не менее 0,5 м выше отметки ожидаемого горизонта высо
ких вод (с учетом высоты волны) с укреплением откосов.
Высота насыпей, отсыпаемых из глинистых грунтов в зимнее вре
мя в зависимости от среднегодовой температуры воздуха и климати
ческих условий приведена в табл. 3.20.
216
Таблица 3.20
Максимальная высота насыпей, возводимых из глинистых грунтов
в зимнее время
Для разработки грунтов в зимнее время применяют экскаваторы
с ковшом вместимостью не менее 1 м3, мощные скреперы. Экскава
торы, оборудованные прямой лопатой с емкостью ковша 1…1,6 м3,
могут разрушать корку мерзлого грунта толщиной до 0,4 м без пред
варительного рыхления, драглайны — до 0,15 м. Скреперы в состоя
нии преодолеть мерзлую корку толщиной до 0,05 м в связных грун
тах, в сухих и песчаногравийных — до 0,3 м.
Работу землеройных машин зимой организуют круглосуточно и
узким фронтом, чтобы избежать промораживания грунта во время
перерывов работы. При этом соблюдают следующие условия: не рас
крывают покрытые снегом или утеплителем площадки разработки
до начала работ на них; ведут работы без длительных перерывов; грунт
разрабатывают сразу вслед за рыхлением; открытые части забоев,
подлежащие разработке при последующих проходках, защищают от
промерзания. В случае вынужденных перерывов в работе вследствие
метеорологических условий тщательно утепляют забой.
Планировку основной площадки земляного полотна ведут сразу
вслед за отсыпкой. Основную площадку насыпи из глинистых грун
тов планируют после их оттаивания и предварительного уплотнения
грунтоуплотняющими машинами.
Для насыпей, возводимых на полную высоту из глинистых грун
тов при отрицательной температуре, принимают запас на осадку в
размере до 5 % от высоты насыпи в районах с суровым и холодным
климатом и до 3 % — в районах с умеренным климатом.
Отсыпку слоев насыпи организуют одновременно на двух захват
ках: на одной разгружают грунт из автосамосвалов, на другой раз
равнивают его бульдозером и уплотняют грунтоуплотняющей маши
ной. При ширине слоя насыпи более 10 м его отсыпают в несколько
217
приемов полосами шириной 6…10 м. На участках мокрых и сырых
оснований нижнюю часть насыпи на высоту не менее 0,5 м отсыпа
ют до начала устойчивых заморозков. При наличии в основании на
сыпи пней нижний слой отсыпают до выпадения снега, иначе будет
затруднено его удаление.
Уплотнение грунтов в зимнее время ведут тяжелыми трамбующи
ми или вибротрамбующими машинами, а также решетчатыми кат
ками.
Отделку и сдачу земляного полотна под укладку пути организу
ют, как правило, летом. В случае экономической целесообразности
это возможно и зимой; при этом основную площадку земляного по
лотна планируют немедленно вслед за отсыпкой верхней части на
сыпи или разработкой нижнего слоя выемки на коротких захватках
длиной 20…50 м в зависимости от температуры воздуха, а все досып
ки выполняют талым грунтом с тщательным его уплотнением слоя
ми толщиной 25…30 см. Планировку откосов насыпей и выемок, а
также их укрепление посевом многолетних трав выполняют в весен
нелетний период.
Опыт строительства железнодорожных линий на пве Ямал пока
зал, что применение двухэтапных организационнотехнологических
схем, в которых нижний ярус насыпи отсыпают зимой из твердо
мерзлого грунта, а верхний ярус насыпи толщиной от 1,5 до 2,5 м —
из заготовленного летом сухомерзлого грунта в следующий зимний
сезон, не позволяет обеспечить высокие темпы возведения и требу
емое качество земляного полотна. Установлено, что неравномерные
деформации нестабилизированных насыпей продолжаются в тече
ние 3...5 лет. Такая технология приводит к большим объемам ком
пенсационновосстановительных работ, к существенному перерас
ходу балласта при неизбежных частых подъемках и выправках пути
и к постоянным ограничениям скоростей движения поездов, что сни
жает эффективность перевозок в периоды рабочего движения и вре
менной эксплуатации.
С целью преодоления перечисленных затруднений проф. А.А. Цер
нант предложил технологии сооружения земляного полотна, позво
ляющие ускорить процесс его стабилизации. Они отличаются соста
вом, последовательностью и режимами выполнения операций. В со
ответствии с этими технологиями операции разработки, перевозки
и укладки всего профильного объема твердомерзлого песчаного грун
218
та в резервы, примыкающие к насыпи, и в нижнюю часть насыпи
ниже расчетного положения верхней границы мерзлоты выполняют
только в зимнее время. Операции же послойной срезки оттаиваю
щего грунта и формирования из него верхней части насыпей выше
расчетного положения верхней границы мерзлоты выполняют толь
ко летом (рис. 3.44, 3.45).
Рис. 3.44. Двухэтапная схема сооружения земляного полотна из мерзлых пес
ков: I — контур грунтового массива, отсыпаемого зимой; II — контур проект
ной конструкции земляного полотна, формируемый летом
Рис. 3.45. Двухэтапная схема сооружения земляного полотна из твердомерзлых
(I) и сухомерзлых (II) песчаных грунтов: ярус I отсыпают зимой; ярус II — сле
дующей зимой
Методом послойной солнечной оттайки за один летний сезон раз
рабатывают грунтовый массив толщиной от 3,5 до 8 м в зависимости
от толщины и периодичности срезки оттаявшего слоя и от суммар
ной влажности мерзлого грунта.
Применение организационнотехнологических схем с перерас
пределением основных операций по сезонам года позволяет в 1,5 ра
за повысить темпы сооружения земляного полотна и получать каче
ственное земляное полотно в условиях криолитозоны, одновременно
уменьшая экологически вредные воздействия на окружающую при
родную среду вследствие исключения буровзрывных и транспортных
работ в тундре весной в период схода снегового покрова и летом.
Возможно выполнение работ по сооружению насыпей в зимнее
время способами гидромеханизации, описанными в п. 3.4.10 учеб
ника. Наиболее благоприятные условия для возведения земляного
219
полотна гидронамывом имеют место при разработке песчаных грун
тов без включений глинистого грунта.
Разработаны и применены на строительстве железных дорог Си
бири новые технологии и средства гидромеханизации для добы
чи дренирующих грунтов с больших глубин изпод засоленных и мер
злых вскрышных пород, с подачей гидросмеси на расстояния до
20 км. Освоены технологии намыва мелких песков в профильные на
сыпи. Применение новых технологий и оборудования гидромехани
зации для комплексной механизации работ при отрицательной тем
пературе воздуха позволило впервые в мире преодолеть сезонность
земляных работ в условиях сурового климата и организовать на се
вере Сибири круглогодичную работу плавучих земснарядов в тече
ние нескольких лет без перерыва.
Возведение насыпей на болотах. При возведении насыпей на боло
тах много внимания требует устройство водоотвода и надежных пу
тей проезда для транспорта и строительных машин. Характер этих
работ зависит от типа, глубины болота и времени года. Болота в за
висимости от консистенции торфа делят на три основных типа:
I — заполненные торфом и другими болотными отложениями
устойчивой консистенции с достаточной несущей способностью;
II — заполненные торфом неустойчивой консистенции, способ
ным выдавливаться под действием внешней нагрузки;
III — заполненные илом и водой с торфяной коркой — сплави
ной — или без нее.
На болотах I типа в случае возможности прокладывают притрас
совую землевозную дорогу с кольцевыми заездами с нее автомоби
лейсамосвалов. На болотах II типа для устройства дорог приходит
ся проводить заблаговременное осушение торфяников или вести
работы только в зимнее время, когда неустойчивые болотные грун
ты проморожены.
Процесс возведения насыпи на болотах включает следующие
подпроцессы:
– осушение болота (если это предусмотрено проектом);
– подготовка основания;
– отсыпка нижней части насыпи, находящейся ниже уровня бо
лота;
– отсыпка верхней части.
220
Подготовка основания при недостаточной несущей способности
торфяной залежи состоит в том, что насыпь стремятся «посадить» на
минеральное дно или ускорить деформации торфа в основании. Для
этого устраивают траншеи, из которых торф частично или полнос
тью удаляют (выторфовывают), разрыхляют растительнокорневой
покров болот, устраивают канавыторфоприемники, которые облег
чают выжимание торфа в стороны под весом сооружаемой насыпи.
Для ускорения осадки удаляют из торфяной залежи воду, для чего
устраивают водоотводные канавы в виде продольных и поперечных
прорезей, заполняемых дренирующим грунтом, и вертикальных дрен.
На болотах I типа при высоте насыпи до 3 м предусматривают пол
ное или частичное удаление торфа из основания с заменой его ми
неральным грунтом. При этом на болотах глубиной до 2 м торф уда
ляют полностью. Частично удаляют торф на болотах глубиной более
2 м. Глубину траншеи назначают так, чтобы сумма величин высоты
насыпи над поверхностью болота и глубины траншеи была:
не менее 3,5 м — для дорог I и II категорий;
не менее 3 м — для дорог III категории.
Отношение общей высоты насыпи, включающей высоту h части,
расположенной ниже поверхности болота, и величину расчетной
осадки S к толщине hт уплотняемого слоя торфа в основании насы
пи должно быть не менее 2:1:
(H + h + S): hт ≥ 2:1.
(3.85)
Крутизну откосов траншеи выторфовывания назначают от 1:0 до
1 : 0,5 в зависимости от принятого способа производства работ и типа
землеройной машины. Например, при использовании бульдозера с
перемещением торфа вдоль траншеи она составляет 1:0,5, а при ис
пользовании драглайна — 1:0.
Насыпи высотой более 3 м на болотах I типа (рис. 3.46) устраива
ют без выторфовывания, с использованием торфа в качестве есте
ственного основания земляного полотна.
Разработку траншей ведут экскаваторамидраглайнами в болот
ном исполнении на уширенноудлиненном ходу с ковшами вмести
мостью 0,65…0,8 м3. При этом в случае однородности залежи исполь
зуют ковши со сплошной режущей кромкой, при наличии в залежи
неразложившихся корней деревьев и кустарников используют ков
221
Рис. 3.46. Поперечные профили насыпей высотой более 3 м на болотах I типа:
а — из дренирующих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, легких и круп
ных супесей; 1 — продольный прорез на глубину растительнокорневого по
крова, но не менее 1 м (размеры даны в м)
ши с зубьями. Торф разгружают в отвалы и разравнивают бульдозе
рами. В случае использования машин на обычном ходу для умень
шения деформаций под них подкладывают переносные щиты. Ос
вободившиеся щиты переносят на новое место с помощью самого
экскаватора.
На болотах II типа независимо от высоты насыпи предусматри
вают полное удаление торфа устойчивой консистенции и посадку
насыпи на минеральное дно болота (рис. 3.47). На расстоянии не
менее 2 м от подошвы откоса насыпи с обеих сторон устраивают ка
навыторфоприемники, ширину которых назначают не менее 2 м, а
глубину — равной толщине растительнокорневого покрова, но не
менее 1 м. Выторфовывание выполняют в основном в зимнее время.
Летом также возможно выполнение работ на неглубоких болотах в
случае сооружения достаточно высоких насыпей, ширина которых
над уровнем болота достаточна для прохода землеройной техники
по отсыпаемой части насыпи. Торф грузят на автомобилисамосва
лы, доставляющие дренирующий грунт в насыпь, и вывозят в отва
лы. Однако при этом способе теряется часть привозного грунта, ко
торый попадает в ковш драглайна вместе с торфом.
222
Рис. 3.47. Поперечные профили насыпей на болотах II типа: а — из дренирую
щих грунтов; б — из мелких и пылеватых песков, легких и крупных супесей:
1 — торфоприемники; 2 — линия для определения ширины траншеи выторфо
вывания (размеры даны в м)
Продольные дренажные прорези глубиной до 4 м устраивают в ос
новании на болотах I типа вместо выторфовывания, размещая их
вдоль насыпи; такие прорези разрабатывают драглайнами, обратны
ми лопатами или многоковшовыми экскаваторами, с последующей
засыпкой дренирующим грунтом (песком).
Вертикальные песчаные дрены предусматривают на болотах I и
II типов с залеганием в основании насыпи слабых грунтов, сильно
сжимаемых переувлажненных торфов, глин и илов мощностью бо
лее 5 м. Такие дрены представляют собой скважины, пробуривае
мые в основании насыпи до минерального дна и заполняемые пес
ком. Для устройства вертикальных дрен используют специальное
буровое и копровое оборудование. В пробуренные скважины опус
кают с копра обсадную трубу, заполняют ее песком, а затем подни
мают лебедкой копра.
Для заполнения прорезей и скважин используют песок с коэф
фициентом фильтрации не менее 7 м/сут, содержащий не более
3 % пылеватых и глинистых частиц, или песчаногравийные смеси с
размерами частиц в поперечнике не более 0,06 м. Дренажные проре
зи и песчаные дрены ускоряют осадку грунтов основания, повыша
ют их устойчивость и снижают величину упругих осадок.
223
Объем земляных работ при возведении насыпей как без вытор
фовывания, так и с выторфовыванием определяют с учетом осадки
насыпи вследствие сжатия торфа в ее основании. Подготовку осно
вания под насыпь увязывают с ее отсыпкой: разрыв по времени между
этими видами работ должен быть минимальным.
На болотах III типа в качестве основания используют минераль
ное дно с предварительным удалением (рис. 3.48) или без удаления
торфяной корки. В последнем случае высота насыпи с учетом ее под
земной части должна быть не менее 3 м. Подземную часть насыпи
возводят из дренирующих грунтов со следующей крутизной отко
сов: из песка мелкого и пылеватого — 1:4, крупного и среднего —
1:2; из гравия, гальки, щебня, камня слабовыветривающихся по
род — 1:1,5. На участках со слабыми основаниями в целях обеспече
ния устойчивости насыпей и уменьшения осадок в проектах иногда
предусматривают использование нетканого синтетического мате
риала — геотекстиля. Это позволяет сократить расход дренирующе
го грунта. Укладка геотекстиля включает раскатывание рулонов на
подготовленную поверхность с перекрытием швов на 20 см и зак
репление полотен скобками. Засыпку грунтом слоя геотекстиля ве
дут «с головы».
Рис. 3.48. Поперечный профиль насыпи на болотах III типа
(размеры даны в м)
На болотах I и II типов насыпи отсыпают преимущественно из
дренирующих грунтов сразу на всю ширину и высоту «с головы», с
подъездом автомобилей по отсыпанному грунту, с обязательным по
слойным уплотнением надземной части. При отсутствии дренирую
щих грунтов допускается возводить насыпи из пылеватых песков и
легких супесей.
224
На болотах III типа эти виды грунтов и глинистые грунты разре
шается укладывать только в верхнюю надземную часть насыпи при
условии, что нижняя ее часть будет отсыпана из дренирующих грун
тов и возвышение бровки нижней части над поверхностью болота
или над уровнем поверхностной воды будет не менее 0,5 м. Насыпь
из пылеватого песка и легкой супеси, сооружаемая в пределах осу
шенных или осушаемых болот, должна возвышаться на 2 м и более
над уровнем воды в болоте или водоотводных канавах.
Для отсыпки используют главным образом автосамосвалы. При
дальности возки дренирующего грунта свыше 10 км его доставляют
поездной возкой. При дальности возки до 3 км насыпи можно воз
водить самоходными скреперами. Целесообразно использовать ма
шины повышенной проходимости, в частности экскаваторы, буль
дозеры и гусеничные тягачи на уширенноудлиненном гусеничном
ходу. Возведение насыпей автосамосвалами и поездной возкой осу
ществляют круглый год. Наиболее эффективны эти способы зимой,
особенно на обводненных болотах.
Сооружение земляного полотна на вечномерзлых грунтах. При со
оружении земляного полотна на вечномерзлых грунтах (ВМГ) су
щественно меняются тепловые характеристики природных масси
вов грунта, от которых зависит процесс стабилизации земляного
полотна. Это объясняется тем, что земляное полотно железных до
рог и ВМГ основания образуют единую систему, которая декомпо
зируется на две подсистемы — конструкция земляного полотна и мерз
лотногрунтовые условия. Элементы подсистем, их характеристики
и взаимоотношения приведены на рис. 3.49. Эта сформированная
человеком система носит вероятностный характер, так как извест
но, что количественные характеристики элементов подсистем непо
стоянны в пространстве и времени. В результате система будет нахо
диться либо в равновесии (до тех пор, пока изменяемые количествен
ные характеристики ее элементов не превысят некоторые предель
ные значения), либо может быть выведена из него под воздействием
естественных внешних или дополнительных искусственных факто
ров (рис. 3.50). Отношение системы к внешним воздействиям при
ведено на рис. 3.51, возможные проектные решения, обеспечиваю
щие эксплуатационную надежность железных дорог, строящихся в
криолитозоне, — в табл. 3.21.
225
Рис. 3.49. Взаимодействие земляного полотна и вечномерзлых грунтов
226
Рис. 3.50. Воздействие внешних факторов на систему «Земляное полотно—ВГМ»
227
Рис. 3.51. Отношение системы «Земляное полотно—ВМГ» к внешним воз
действиям
Таблица 3.21
Проектные решения в зависимости от значений классификационных
характеристик системы «Земляное полотно—ВМГ»
228
Окончание табл. 3.21
При строительстве железных дорог на пве Ямал система «Земля
ное полотно—ВМГ» является преимущественно нестабильной и
очень подвижной, с изменяющимися мерзлотногрунтовыми усло
виями грунтов в пределах строящейся железной дороги. К таким из
менениям приводят меняющиеся режимы снегопереноса и снего
накопления, стока поверхностных и грунтовых вод, разрушение ра
стительного и почвенного покровов. В результате возможны как по
вышение, так и понижение среднегодовой температуры и глубины
залегания поверхности толщи ВМГ под насыпями по сравнению с
их значениями в естественных условиях.
В этих условиях применение традиционных двухэтапных техноло
гических схем строительства, в которых нижний ярус насыпи отсыпа
ют зимой из твердомерзлого грунта, а в следующий зимний сезон верх
ний ярус толщиной от 1,5 до 2,5 м отсыпают из заготовленного летом
сухомерзлого грунта, приводит к неравномерным деформациям неста
билизированных насыпей, которые продолжаются в течение 3—5 лет.
Это влечет за собой существенный перерасход балласта при неизбеж
ных частых подъемках, которые ведут к расстройствам пути в плане и
профиле, отрыву шпал и расстройству их эпюры, требуют неодно
229
кратных выправок пути, а также постоянных ограничений скоростей
движения поездов. Это снижает эффективность перевозок в периоды
рабочего движения и временной эксплуатации. Поэтому необходимо
проведение противодеформационных мероприятий с целью обеспе
чения устойчивости и стабильной работы земляного полотна в усло
виях эксплуатации за счет сокращения периода интенсивных дефор
маций и, как следствие, — повышения эксплуатационной надежности
железнодорожного пути в целом. Их разделяют на конструктивные и
организационнотехнические. К конструктивным относят:
– увеличение ширины основной площадки земляного полотна,
которое определяется в зависимости от расчетной величины осадки
грунтов основания;
– создание запаса по высоте насыпей;
– устройство берм;
– замена слабого грунта основания дренирующим материалом;
– применение специальных конструкций насыпей.
Организационнотехнические мероприятия определяют способы
и время производства работ с обеспечением круглогодичности стро
ительства.
Впервые российские инженеры столкнулись с проблемой сооружения и экс
плуатации земляного полотна на вечномерзлых грунтах при строительстве Забай
кальского и Дальневосточного участков Транссибирской магистрали (1902—
1907 гг.). Мировой опыт строительства в таких условиях отсутствовал, рациональ
ные конструкции и способы производства работ устанавливались постепенно с
большим трудом. В 30х гг. ХХ в. в связи с началом строительства вторых путей на
Транссибе и ряда других железнодорожных линий началось целенаправленное изу
чение проблемы, результатом которого в 1938 г. явилась разработка под руковод
ством А.В. Ливеровского «Временных технических условий на изыскания, про
ектирование и сооружение железных дорог в условиях вечной мерзлоты».
Мерзлый грунт в конструкциях земляного полотна имеет неста
бильные, зависящие от природноклиматических условий механи
ческие и теплофизические свойства, что обусловливает проблемы
при его использовании в качестве строительного материала при воз
ведении земляного полотна железных дорог.
Формы залегания вечномерзлых грунтов. Грунты называются веч
номерзлыми (многолетнемерзлыми), если они имеют отрицатель
ную или нулевую температуру, содержат в своем составе лед и нахо
дятся в мерзлом состоянии в продолжение многих лет (существенно
более срока службы зданий и сооружений). ВМГ — 4компонентная
230
система взаимосвязанных между собой частиц (минеральных, льда,
незамерзшей воды и газообразных).
Встречаются многообразные формы залегания ВМГ. По площади
ВМГ могут иметь сплошное, прерывистое или островное распростра
нение; среди ВМГ встречаются острова талых грунтов — талики, кото
рые обычно располагаются возле южной границы распространения
ВМГ, где последние имеют температуру, близкую к 0 оС. Талики также
располагаются под водоемами (озерами и реками), в местах выходов
подземных вод и на морских берегах, где грунты и грунтовые воды за
солены и температура их замерзания понижена. Образование таликов
иногда связано с деятельностью человека. Например, при строитель
стве зданий и сооружений нарушается температурный режим ВМГ.
По глубине ВМГ могут залегать непрерывно или переслаиваться
талыми. Слоистое распространение ВМГ встречается в районах, где
температура на глубине нулевых амплитуд ее колебаний близка к
0 оС или где грунтовые воды связаны с поверхностными. Верхняя
граница (или поверхность ВМГ) определяется границей максималь
ного сезонного оттаивания (промерзания) грунтов.
При полном замерзании деятельного слоя в течение холодного
сезона мерзлота является сливающейся. Если же между сезонно про
мерзшим слоем и верхней границей ВМГ сохраняется талый про
слоек, то мерзлота является несливающейся.
ВМГ по состоянию (на основании различной сжимаемости под
нагрузкой) подразделяются на твердомерзлые, пластичномерзлые,
сыпучемерзлые.
Твердомерзлые (низкотемпературные) — это прочно сцементи
рованные льдом грунты, характеризуемые хрупким разрушением
и практически несжимаемостью под нагрузками от сооружения
(коэффициент их сжимаемости не превышает 0,05 см2/кг). К твер
домерзлым относятся песчаные и глинистые грунты, если их тем
пература, оС, ниже: 0,0 — для крупнообломочных; –0,3 — для пес
ков крупных и средней крупности; –0,3 — для песков пылеватых;
–0,6 — для супесей; –1,0 — для суглинков и –1,5 — для глины. Твер
домерзлые грунты практически несжимаемы при нагрузках, мень
ших 5—10 кгс/см2.
Пластичномерзлые (высокотемпературные) — это сцементирован
ные льдом грунты, обладающие вязкими свойствами вследствие со
держания в них значительного количества незамерзшей воды, харак
231
теризуемые способностью сжиматься под нагрузками от сооружения
(коэффициент сжимаемости 102...103 см2/кг); к пластичномерзлым
относятся песчаные и глинистые грунты со степенью заполнения пор
льдом и незамерзшей водой G ≥ 0,8, если их температура находится в
пределах от 0 оС до значений для твердомерзлых грунтов. При G < 0,8,
а также для засоленных грунтов состояние грунтов определяется спе
циальными исследованиями.
Сыпучемерзлые — это не сцементированные льдом вследствие ма
лой влажности (Wc ≤ 0,05) песчаные и крупнообломочные грунты,
которые обладают такими же свойствами сжимаемости, как и не
мерзлые грунты аналогичных состава, влажности и объемного веса.
По льдистости мерзлые грунты делятся на слабольдистые (льда
менее 25 %), льдистые (льда от 25 до 40 %) и сильнольдистые (содер
жание льда более 40 %).
Понятие о сезонном оттаивании и температура вечномерзлых грун&
тов. Поверхностный слой грунта в районах распространения ВМГ,
подвергаемый сезонному оттаиванию или промерзанию, называет
ся деятельным слоем. Толщина его определяется:
– при оттаивании летом и промерзании зимой, но без слияния с
толщей ВМГ — глубиной зимнего промерзания;
– при оттаивании летом и промерзании зимой до полного слия
ния с толщей вечномерзлого грунта — глубиной летнего оттаивания.
Слои грунтов, замерзшие зимой и не оттаивающие в течение не
скольких лет, называются перелетками.
Мощность деятельного слоя зависит от интенсивности и продол
жительности прогревания поверхности (в основном — от широты ме
стности) и меняется от 0,2...0,3 м (в высоких широтах) до 3...4 м (на
широте 55...60о). В одной и той же местности она неодинакова в раз
личные годы и зависит от изменений теплоприхода в толще грунтов,
вызванных интенсивностью солнечной радиации, изменениями тем
пературы воздуха, скорости, направления и повторяемости ветра.
На глубину деятельного слоя оказывают влияние многие факто
ры: экспозиция и крутизна склона, наличие растительности и ее ха
рактер, затененность местности, состав и степень влажности грун
тов, мощность снежного покрова, гидрологический режим и пр.
На южных склонах сезонное оттаивание больше, на северных
меньше. Снегоотложения мощностью до 1,5 м мало влияют на изме
нение глубины сезонного оттаивания грунтов, поскольку таяние снега
232
в этом случае заканчивается еще в период отрицательных среднесу
точных температур воздуха. При мощности снегоотложений более
1,5 м величина сезонного оттаивания грунта уменьшается. Под рас
тительным покровом протаивание всегда меньше, чем на свободных
от растительности площадках. Влияет и характер растительности.
Глубина сезоннооттаивающего слоя неодинакова в грунтах раз
личного состава и влажности. Наибольшей величиной протаивания
характеризуются скальные щебенистые грунты, наименьшей — гли
нистые. Сильновлажные, насыщенные льдом грунты протаивают на
меньшую глубину, чем маловлажные, поскольку они обладают по
вышенной теплоемкостью и требуют большего количества тепла для
плавления льда. На величину протаивания влияет также цвет поверх
ности, с которым связана степень поглощения солнечных лучей.
Выбор принципа строительства. Целевым назначением земляного
полотна как инженерной конструкции, является обеспечение посто
янного во времени проектного пространственного положения же
лезнодорожного пути. В условиях глубокого сезонного промерзания
и распространения многолетне и вечномерзлых горных пород важ
нейшими параметрами состояния грунтового массива являются
влажность и фазовое состояние поровой воды в грунтовом массиве.
Поэтому основным принципом сооружения земляного полотна на
ВМГ должен являться принцип управления положением верхней
границы мерзлоты в грунтовом массиве в целом, включая его отсы
паемую и природную части. Такое прогнозируемое направление раз
вития тепловых процессов в грунтах является необходимым, а для
кондиционных грунтов — достаточным условием обеспечения проч
ности и устойчивости земляного полотна. Оно выступает основой
при выборе принципа строительства, который устанавливают с уче
том совместной работы возводимого сооружения и основания.
Различают два принципа строительства:
I — грунты основания используют в мерзлом состоянии в тече
ние всего периода строительства и эксплуатации сооружения;
II — грунты основания используют с оттаиванием до, в процессе
или после строительства.
Принцип I (прогнозируемое сохранение или новообразование веч
ной мерзлоты) предполагает следующий комплекс решений:
– использование конструкции земляного полотна с элементами,
понижающими температуру грунта;
233
– искусственное охлаждение грунтов;
– организация водоотвода до и в процессе строительства;
– сохранение мохорастительных покровов.
Этот принцип рекомендуется использовать, когда глинистые ВМГ
основания находятся в твердомерзлом состоянии, имеют суммарную
влажность Wc ≥ 0,7 от влажности на границе текучести, а их осадки в
случае оттаивания могут достигать нескольких десятков сантимет
ров и привести к недопустимым деформациям сооружения.
Принцип II (прогнозируемая полная или частичная деградация
мерзлоты) предполагает ускорение оттаивания, которое достигается
за счет следующих мероприятий:
– предпостроечное оттаивание;
– срезка и удаление льдонасыщенных и теплоизолирующих по
кровных отложений;
– производство работ в летнее время.
Этот принцип следует использовать при наличии легкоосушаемых
грунтов, неглубоком залегании скальных пород, несплошном распро
странении ВМГ, а также при пластичномерзлых или твердомерзлых
сильнофильтрующих в талом состоянии грунтах, если осадки вечно
мерзлого слоя в пределах расчетной глубины протаивания не превы
сят допустимых значений. Он может быть применен также, если не
целесообразно сохранять мерзлое состояние грунтов по технологи
ческим, конструктивным или экономическим соображениям.
В соответствии с требованиями ВСН 61—89 принцип строитель
ства, выбранный для одной стройплощадки, необходимо сохранять
для всех сооружений, возводимых на ней. На практике даже в пре
делах одного поперечного сечения грунтового массива земляного по
лотна могут происходить деградация и аградация (новообразование)
мерзлоты.
Общая классификация методов управления тепловыми режимами
в грунтовых массивах впервые разработана В.А. Кудрявцевым и
Э.Д. Ершовым в 1968 г., в работах А.А. Цернанта в 1984—1998 гг. эта
классификация приобрела технологический характер. В ней все изве
стные и вновь создаваемые методы разделены на 4 группы, наимено
вания которых приняты в соответствии с аналогами из теории авто
матического регулирования и теории управления. В частности, это:
– тепловые экраны;
– тепловые амортизаторы;
234
– тепловые диоды;
– тепловые трансформаторы.
Первая группа включает четыре типа, а следующие группы — по
три типа методов и устройств, позволяющих сохранить либо уско
рить деградацию вечной мерзлоты. Результат классификации при
веден в табл. 3.22.
Таблица 3.22
Классификация методов управления тепловым режимом
в грунтовых массивах
235
Окончание табл. 3.22
Тепловые экраны I типа (ТЭ1) выполняют в виде инвентарных одно
или многослойных навесов, размещаемых над наклонными и горизон
тальными поверхностями грунтовых массивов, или нанесением на
поверхность светоотражающего покрытия; широко используются в
настоящее время при строительстве железных дорог на севере Китая.
236
Тепловые экраны II типа (ТЭ2) — это различные пленочные или
пенопластовые покрытия. Их выполняют в виде замкнутых полос
тей, образующихся между прозрачной пленкой и грунтом и запол
няемых любым газом.
Тепловые экраны III типа (ТЭ3) представляют собой различные
препятствия, регулирующие скорость ветра в приземном слое и, сле
довательно, теплоотдачу от поверхности в атмосферу.
Тепловые экраны IV типа (ТЭ4) — растительный покров, а также
покрытия из полотнищ нетканых синтетических материалов (гео
текстилей), отражающих часть солнечной радиации и не препятству
ющих испарению влаги.
Тепловыми амортизаторами называются системы или устройства,
позволяющие регулировать процесс теплопередачи в слое грунтово
го массива.
Тепловые амортизаторы I типа (ТА1) — любое температурное со
противление на поверхности грунта или в деятельном слое, изменя
ющее величину коэффициента теплопередачи. В качестве ТА1 ис
пользуют пенопласты, торф, снег и др. теплоизоляционные матери
алы. Наиболее эффективны прессованные пенопласты с замкнуты
ми порами (отечественные — ПС4, ПС5, ППЭ, импортные —
«Styrofoam»).
Тепловые амортизаторы II типа (ТА2) — прослойки или блоки
материала с большой теплоемкостью. Их размещение в грунтовом
массиве увеличивает инерционность процесса изменения темпера
туры.
Тепловые амортизаторы III типа (ТА3) — это различные замкну
тые емкости или полосы, наполненные жидкостью.
Тепловые диоды — это прослойки или покрытия в грунтовом мас
сиве, которые в ходе годовых теплооборотов оказывают избиратель
ное влияние на величину теплового потока в грунте.
Тепловые диоды I типа (ТД1) — это любые прослойки, призмы
или другие конструктивные элементы грунтового массива, выпол
ненные из влагоемких природных материалов, например из торфа,
глины, суглинка, гигроскопичных искусственных материалов (не
тканый иглопробивной геотекстиль; песок, обработанный полиак
риламидом) и др.
Тепловые диоды II типа (ТД2) выполняются в виде полостей или
сообщающихся каналов, по которым под действием силы тяжести
237
может циркулировать теплоноситель (воздух, керосин и т.д.). Наи
более эффективны ТД2 при охлаждении грунтового массива, менее
эффективны — при нагревании. Конструктивно ТД2 могут быть вы
полнены в виде крупнопористых скальных призм и обсыпок или
емкостей, заполненных незамерзающей жидкостью и крупнообло
мочным грунтом. Наиболее известной разновидностью тепловых
диодов II типа являются керосиновые тепловые трубы (сваи)
С.И. Гапеева. Каменная наброска с диаметром пор 0,02…0,05 м в
3—5 раз менее эффективна. Повышению эффективности работы
ТД2 способствует устройство вытяжных труб или призм из скаль
ного грунта в верхней части насыпи, устройство навесов, защищаю
щих от забивки пор скальной наброски и выполняющих роль тепло
вого экрана I типа.
Тепловые диоды III типа (ТД3) — это сложные инженерные уст
ройства с замкнутыми полостями, заполненными хладагентами с низ
кой температурой испарения (фреон, пропан, аммиак). К ним отно
сятся широко известные термосифоны (тепловые трубы), термосваи,
термостабилизаторы, которые отличаются между собой формой ис
парительных и конденсационных камер и теплообменных контуров.
Все перечисленные устройства (тепловые экраны, тепловые амор
тизаторы, тепловые диоды) действуют в результате утилизации есте
ственных источников энергии. В отличие от них, устройства для ре
гулирования тепловых потоков в грунтовых массивах, работа кото
рых основана на использовании дополнительной механической,
электрической, химической или тепловой энергии, по классифика
ции А.А. Цернанта называются тепловыми трансформаторами. По
принципу работы различают термомеханические, термохимические
и электромагнитные системы.
Тепловые трансформаторы I типа (ТТ1) — это одноконтурные
теплообменники, основанные на принудительной вентиляции воз
духа в полостях или каналах грунтового массива. Такие сезоннодей
ствующие устройства используют для охлаждения грунтов основа
ний зданий. В случае необходимости оттаивания мерзлых грунтов
карьеров и безналедного пропуска водотоков через искусственные
сооружения в таких устройствах (ТТ1) в качестве теплоносителя ис
пользуют воду. Роль теплоносителя в них могут также выполнять рас
солы, антифризы, керосин.
238
Тепловые трансформаторы II типа (ТТ2) — это устройства, пред
ставляющие собой комбинацию ТТ1 (первичный контур, в кото
ром происходит регулирование тепловых потоков) и вторичного кон
тура — теплообменника, который служит для охлаждения грунтово
го массива путем отводом тепла. В первичном контуре в таких уст
ройствах используются турбохолодильные установки (ТХУ) как
экологически более безопасные. ТХУ представляют собой малога
баритные установки массой до 50 кг, работающие от источника сжа
того воздуха. Атмосферный воздух, очищенный от влаги и механи
ческих примесей, охлаждается в ТХУ до –40...–100 оС и подается в
каналы, поры или полости охлаждаемого грунтового массива. ТХУ
позволяют создавать системы, обеспечивающие безопасную эксп
луатацию мерзлых грунтовых сооружений и оснований в режиме
периодической «подкачки холода».
Тепловые трансформаторы III типа (ТТ3) — это системы и уст
ройства, основанные на отводе из грунтового массива тепла введе
нием в его поры, полости или каналы сжиженного газа или твердой
углекислоты. Здесь используются методы азотного замораживания
горных пород и любые другие методы, в которых поглощается тепло
вая энергия грунтового массива. ТТ3, подобно турбохолодильным
установкам, позволяют, кроме того, оперативно осуществлять низ
котемпературное замораживание грунтовых массивов. Трудности в
применении ТТ3 связаны с необходимостью тщательно соблюдать
правила техники безопасности при работе с жидким азотом.
В чистом виде любое из перечисленных устройств или методов
(только тепловой экран, тепловой амортизатор или тепловой диод)
практически не встречаются. Действие устройств для регулирования
теплового режима грунтовых массивов проявляется комплексно.
Практическое и методическое значение описанной классификации
состоит в том, что при выборе и проектировании методов регулирова
ния теплового режима грунтовых массивов можно рассмотреть все воз
можные и выбрать целесообразный в конкретных условиях. Исполь
зование этой классификации позволяет свести изобретение новых кон
струкций земляного полотна и грунтовых оснований с разными эле
ментами и устройствами для регулирования теплового режима к
инженерному конструированию. Некоторые конструктивнотехноло
гические схемы в рамках этой классификации приведены на рис. 3.52.
239
Рис. 3.52. Некоторые конструктивнотехнологические схемы сооружения зем
ляного полотна в криолитозоне: 1 — насыпь с тепловыми диодами I типа (тор
фяные призмы переменной толщины); 2 — насыпь с ТД2 (откосные призмы
из крупнопористой скальной обсыпки); 3 — насыпь с регулированием уровня
ВМГ за счет использования ТЭ, ТД и ТА
Строительство по принципу I должно вестись при всемерном со
хранении природных условий и температур ВМГ. Для этого движе
ние транспорта разрешается только по промерзшему слою толщи
ной 0,3...0,5 м. Землевозные дороги строят, начиная от карьера, зи
мой по настилу из хвороста, засыпанного слоем грунта толщиной
0,5...0,6 м. Лес, кустарник вырубают зимой только в контурах земля
ного сооружения. Корчевка пней не допускается. Мохораститель
ный покров под сооружением и на расстоянии 100 м в обе стороны
от оси трассы тщательно сохраняют, так же как и на примыкании
тела плотин к берегам и у уреза водохранилища на участках погре
бенных льдов и льдонасыщенных грунтов.
В течение зимы после каждого снегопада или метели снег, являю
щийся естественным отеплителем, с площадки убирают. В конце
зимы перед началом таяния проводят снегозадержание или снего
накопление. Задел по расчистке просеки не допускается. На расчи
щенном участке до наступления положительных температур воздуха
240
должна быть отсыпана насыпь на всю ее проектную высоту или толь
ко нижний слой толщиной не менее 1,2...1,5 м с последующим за
вершением отсыпки летом, но до протаивания нижнего слоя.
Нижние слои насыпи высотой до 0,5 м отсыпают по методу «от
себя», а последующие — продольной возкой. Верхние слои зим
ней отсыпки возводят из обломочного грунта с размерами камней
до 0,2 м для обеспечения высоких скоростей движения по ним вес
ной. Исходя из этих условий подбирают темпы выполнения работ в
потоке и необходимые комплекты машин.
Фильтрующие грунты — сухие гравийногалечные и дресвяно
щебенистые, сохраняющие сыпучее состояние и при отрицатель
ных температурах, разрабатывают и укладывают круглый год. Мел
козернистые и глинистые грунты, сцементированные льдом, можно
укладывать в насыпь в количестве от 20 до 50 %.
При необходимости возведения зимой насыпей из мелкозернис
тых грунтов талый грунт заготавливают и сгребают в бурты летом.
Бурты располагают вблизи бровки карты укладки на дренирующей
подушке толщиной 0,3...0,5 м. От переувлажнения грунт покрывают
пленкой и в конце теплого периода — слоем пенопласта или иных
теплозащитных материалов. Меры по обогреву и оттаиванию грун
тов в буртах определяются наличием на месте энергоресурсов. Можно
использовать солнечную радиацию под пленочным покрытием и
другие меры, не увеличивающие влажность грунта.
Откосы насыпей планируют по мере роста их высоты при движе
нии машин только поверху.
На зимний период относят работы по замене грунта и удалению
слабых (после оттаивания) грунтов основания насыпей, а также разра
ботку выемок, котлованов и траншей в грунтах III и IV категорий про
садочности с предварительным рыхлением. Низкотемпературные мерз
лые грунты (с температурой ниже –1 оС) целесообразно рыхлить буро
или щелевзрывным способами, высокотемпературные (с температу
рой выше –1 оС) — навесными одностоечными рыхлителями мощно
стью 220 кВт и более. Разрыв между рыхлением грунтов и разработкой
не должен превышать однойдвух смен работы ведущей машины.
Оставлять на лето открытыми котлованы и траншеи запрещается.
Водоотводные канавы нарезают преимущественно в осеннезим
ний период с обсыпкой дна и откосов в супесчаных и торфянных
грунтах гравийногалечной смесью слоем не менее 0,1 м.
241
Строительство по принципу II должно вестись при возможно боль
шем осушении и прогреве грунтов. Для этого зимой за год до основ
ных работ рубят лес и корчуют пни, принимают меры к снегозадер
жанию в начале зимы и убирают снежный покров при первых отте
пелях в основании насыпей, резервах, карьерах и выемках. Мохора
стительный слой убирают сразу по мере его оттаивания.
На сырых участках при влажности грунтов (1,4…1,8)Wопт подго
товительные работы ведут за год до начала основных; при влажнос
ти менее 1,4Wопт подготовительные работы можно выполнять в год
производства основных работ.
Для ускорения осушения грунтов весной нарезают водоотводные
канавы, в том числе вдоль резервов глубиной 0,3...0,4 м, с последую
щим углублением до проектных размеров по мере оттаивания. При
большой обводненности грунтов в районах, где испарение на 100 мм
и более превышает годовое количество осадков, водоотводные кана
вы целесообразно устраивать в начале зимы, когда промерзший на
0,10...0,15 м грунт легко можно взломать землеройными машинами.
При сооружении земляного полотна объем перемещаемых грун
товых массивов составляет от нескольких десятков тысяч до несколь
ких кубометров на 1 км2 территории. В результате на этих террито
риях существенно меняются тепловые характеристики природных
массивов грунта. К изменению их мерзлотногрунтовых условий в
пределах строящейся железной дороги приводит изменение режи
мов снегопереноса и снегонакопления, режимов поверхностного
стока и грунтовых вод, разрушение растительного и почвенного по
кровов. Для принятия и реализации эффективных решений при про
ектировании, строительстве и эксплуатации пути необходимо уме
ние управлять этими изменениями, являющимися результатом вза
имодействия сооружаемой и природной частей грунтового массива
земляного полотна. Такими изменениями в сооружаемой части зем
ляного полотна являются осадки, просадки, пучины, сплывы, сдви
ги, оползни, размывы, трещины, обрушения и т.п., а в природной ча#
сти грунтового массива земляного полотна — осадки, термокарсто
вые просадки и провалы, размывы, пучины, наледи, солифлюкци
онное течение, оползни и т.п.
Подземные льды залегают в виде линз или тел различной формы,
достигая по площади нескольких десятков или сотен квадратных
метров.
242
Термокарстовые образования — это провальные формы рельефа,
которые возникают при оттаивании подземных льдов или сильно
льдистых грунтов, а также при нарушениях природных условий в ходе
строительства. Чаще всего они встречаются по долинам рек.
Солифлюкция — это медленное течение (оплывание) переувлажнен
ных грунтов по склону под действием силы тяжести в процессе сезон
ного оттаивания. В период дождей скорость течения грунта возраста
ет от нескольких десятков сантиметров до десятка метров в сезон.
Марями называют болота, сложенные торфом. Ежегодно оттаи
вающий и замерзающий деятельный слой в пределах марей состав
ляет от 0,5 до 1 м. Ниже этой глубины располагается вечномерзлый
торф. Мари распространены на водоразделах, пологих склонах, тер
расах и поймах рек. Глубина термокарстовых озер достигает несколь
ких метров.
Наиболее опасными являются деформации сооружаемой части
земляного полотна, возникающие при использовании местных пы
леватых, переувлажненных и мерзлых мелкодисперсных грунтов.
Именно поэтому в нормах, действовавших до 1984 г., основным ус
ловием обеспечения удовлетворительного качества земляного полот
на при сооружении железнодорожного пути на вечномерзлых грун
тах было применение непучинистых, прочных скальных, дрениру
ющих и маловлажных талых глинистых грунтов и ограничение или
запрет на применение переувлажненных и мерзлых мелкодисперс
ных пылеватых грунтов для сооружаемой части земляного полотна,
а также применение мер по стабилизации природной части земля
ного полотна.
Исследования А.А. Цернанта показали, что в условиях Севера и
Сибири процессы стабилизации земляного полотна, отсыпанного по
этим нормам на оттаивающих ВМГ оснований, продолжаются деся
тилетиями, велик процент участков больного земляного полотна. Это
требует постоянных расходов на их лечение, которые на ряде желез
нодорожных линий превышают строительную стоимость.
Улучшение состояния земляного полотна достигается при выпол
нении противодеформационных мероприятий, к числу которых мож
но отнести ограничение минимальной высота насыпей (не менее
1,5 м) на мерзлых основаниях, запасы по ширине и высоте основной
площадки насыпей с целью компенсации осадок оттаивающих осно
ваний досыпкой балласта, а также водоотвод, защитные бермы и т.д.
243
На строительстве железнодорожных линий Сургут—Уренгой, Коротчаево—
Надым, Ягельная—Ямбург основное внимание было сосредоточено на пробле
мах, связанных с насыпной (сооружаемой) частью грунтового массива земляного
полотна. При полном отсутствии скальных и гравийногалечниковых грунтов,
дефиците талых песчаных и кондиционных глинистых грунтов на этих новострой
ках пришлось сооружать земляное полотно из местных песчаных и глинистых
грунтов, в том числе мерзлых. Первый опыт применения твердомерзлых пылева
тых песков для отсыпки насыпи без специальных противодеформационных ме
роприятий оказался неудачным. Насыпь высотой 1,5...3,0 м на протяжении более
2 км при оттаивании и под воздействием дождей превратилась в пульпу и растек
лась по тундре. Позднее были применены технические решения, предусматрива
ющие отсыпку мерзлых пылеватых песков в обоймы из геотекстиля (рис. 3.53).
Рис. 3.53. Насыпь с прослойками глинистого грунта в обоймах из геотекстиля
для регулирования ВГМ
Устойчивость насыпи обеспечивается ее высотой, при которой
верхняя граница вечномерзлой толщи грунтов сохраняется на опре
деленном уровне и осадка земляного полотна в оттаявшее основа
ние не будет превосходить допустимую величину S. Последняя на
значается в зависимости от вида и класса (категории) дороги. Высо
та насыпи, при которой осадка от оттаивания грунтов основания не
будет превосходить допустимую величину, называется оптимальной
высотой насыпи Hопт. Высота насыпи не должна быть меньше Hопт.
Если по условиям продольного профиля нельзя иметь насыпь высо
той Hопт или более, то заменяют грунт в основании насыпи. Такая
же замена производится и на нулевых местах. Глубина замены и вы
сота надземной части в сумме должны составлять Hопт.
При сооружении выемок в ВМГ различают два вида деформации:
сползание или обрушение откосов выемки при их оттаивании и осад
ку верхней площадки земляного полотна (дна выемки). Для исклю
чения сползания откосов их сооружают пологими или покрывают
слоем теплоизоляции. Устойчивость дорожной одежды в выемке
обеспечивают одним из двух способов: выемку разделывают под на
сыпь (рис. 3.54, а) или на дне выемки заменяют грунт (рис. 3.54, б).
244
Рис. 3.54. Способы регулирования верхней границы вечной мерзлоты на дне
выемки: а — разделка выемки под насыпь; б — замена грунта на дне выемки
Оптимальная высота насыпи
H опт = Н н −
Н нS 1
− 1 − S ,
Hт δ
(3.86)
где Нн — глубина сезонного оттаивания конструкции насыпи, м (в конструк
цию насыпи включается, кроме тела насыпи, балластный слой);
Нт — глубина сезонного оттаивания грунтов основания насыпи (до соору
жения насыпи), определяемая по картам изолиний оттаивания грунтов, м;
δ — относительное сжатие грунтов основания при оттаивании под нагруз
кой (величина безразмерная, определяемая по графикам);
S — расчетная осадка насыпи, м; для магистральных железных дорог она
составляет 8…10 см, для подъездных и станционных путей — 12…14 см.
Для грунтов основания IV категории просадочности осадка на
сыпей не допускается и оптимальная высота насыпи принимается
равной Нн.
Расчет оттаивания насыпей и их оснований, состоящих из не
скольких разнородных слоев (грунт тела насыпи, балластный слой),
ведется по методу эквивалентных слоев. При двух слоях
Нн
+ 1 − т2 ,
Нн
т1
(3.87)
Нн
Нн
т3
+ h1 1 −
+ h 1 − т3 ,
Нн 2 Нн
т1
т2
(3.88)
Н тн
н
= Н т2
при трех слоях
Н тн
н
= Н т3
где h1, h2 — толщины первого (верхнего) и второго слоев, м;
245
Н н , Н н , Н н — нормативные глубины сезонного протаивания в случаях
т1
т2
т3
однородного сложения площадки грунтами соответственно первого, второго и
третьего слоев.
При определении глубины оттаивания каждого слоя для балласт
ного слоя железных дорог вводят коэффициенты:
– kп, учитывающий интенсивность оттаивания дорожных стро
ительных материалов и меняющийся в диапазоне от 1,00 для песка
до 1,37 для цементобетона;
– kw, учитывающий влажность грунтов насыпи.
Во ВНИИ транспортного строительства предложен принцип про
ектирования насыпей с «оптимальными конструкциями грунтовых
профилей» взамен известного принципа проектирования насыпей
«оптимальной высоты». На его основе разработан ряд конструкций
земляного полотна с тепловыми диодами типа ТД1 из глинистого
грунта. Прослойки глинистого грунта размещают в пределах дея
тельного слоя (над границей сезонного промерзанияоттаивания) в
обоймах из геотекстиля или между слоями дренирующего грунта
(рис. 3.55, а, б). Предложенные конструкции реализованы на ряде
объектов на севере Тюменской области. В результате их обследова
ния установлено, что наилучший эффект от применения геотек
стильных армодренажных прослоек и обойм достигается при сле
дующей толщине, м, грунтовых слоев.
Песок крупный и средней крупности ....
Песок мелкий, одноразмерный ..............
Супесь легкая, песок пылеватый ............
Суглинок тяжелый, глина ......................
1,5…2,5
1,0…1,5
0,7…1,0
0,4…0,7
Рис. 3.55. Насыпи с оптимальной конструкцией грунтового профиля: а — с по
логими (1:3—1:5) откосами; б — с плавной снегозаносимой геометрией попе
речного профиля
246
Для подтопляемых насыпей принимают меньшую из приведен
ных величин. В теле таких насыпей после оттаивания под нагрузкой
переход прослоек глинистого грунта из текучепластичного и мягко
пластичного в тугопластичное и полутвердое состояния завершает
ся в течение одногодвух летних сезонов.
Прослойки геотекстиля размещают с уклоном от оси к откосам
под углом 10...15о. Края полотнищ геотекстиля выводят на откосы и
пригружают дренирующим грунтом или торфом. На всех объектах
земляного полотна на БАМе и в арктической тундре применение
таких конструкций насыпей способствовало выравниванию уровня
верхней границы мерзлоты и соответственно повышению устойчи
вости земляного полотна на подземных льдах, над термокарстовы
ми таликами, в конусах мостовых устоев.
Современные технологии возведения насыпей на многолетнемерз
лых основаниях (на примере экспериментального участка раз. Хралов—
ст. Сохонто железнодорожной линии Обская—Бованенково)*
Уникальные по сложности условия пва Ямал делают неприем
лемым применение типовых проектных решений по сооружению
земляного полотна. C учетом этого признано целесообразным воз
вести участок раз. Хралов—ст. Сохонто в статусе опытноэкспери
ментального строительства. Это позволяет опробовать и оператив
но корректировать проектные решения и инновационные разработ
ки, реализация которых обеспечивает контроль за технологической
и экологической безопасностью строящихся объектов и их эксплуа
тационную надежность.
В рамках такого подхода конструкция земляного полотна на экс
периментальном участке железной дороги Обская—Бованенково,
предложенная проектным институтом ОАО «Ленгипротранс» и ин
жиниринговым центром «Ямал», предусматривает размещение в теле
насыпи обойм и полуобойм из геотекстиля, в которые заворачивает
ся твердомерзлый грунт, и защиту от протаивания основания с по
мощью плоских и объемных георешеток из пенополистирола «Пе
ноплекс45».
Для сооружения земляного полотна в таких условиях ЦНИИС и
Ленгипротранс разработали способ возведения нижней части насы
*
При написании раздела использованы материалы к.т.н. А.М. Черкасова.
247
пи из мелких пылеватых песков. В соответствии с ним сухомерзлые
пески, имеющие естественную влажность до 6 %, применяют для
отсыпки насыпей без ограничений. Их уплотнение виброкатками
обеспечивает проектную плотность.
Твердомерзлые грунты, имеющие влажность до 25 %, применяют
для отсыпки нижних слоев насыпи с использованием двухэтапной
технологии. Зимой отсыпают бунты и нижние слои насыпи до 2 м.
Летом проводят гидротермическую мелиорацию грунтов в бунтах,
перемещение их послойно в верхнюю часть насыпей, уплотнение,
планирование и укрепительные работы. При этом число технологи
ческих переделов возрастает по сравнению с обычными условиями
в 5 раз. Если твердомерзлые песчаные грунты содержат большое ко
личество пылеватых частиц (до 60—70 %), то насыпи сооружают в
обоймах и полуобоймах из геотекстиля.
Верхнюю часть насыпи во всех конструкциях земляного полотна
на высоту 0,8 м отсыпают из сухомерзлого песчаного грунта, покры
того слоем (толщиной 0,3 м) песчаногравийной смеси или скаль
ным грунтом. Скальный грунт из карьера для отсыпки насыпей и
укрепительных работ доставляют поездной возкой по технологичес
кому железнодорожному пути до ближайшего раздельного пункта с
выгрузкой на одну сторону в перегрузочные «блуждающие» карье
ры. В перегрузочных карьерах грунт окучивают бульдозером и гру
зят на автосамосвалы экскаваторами с ковшом емкостью 1,6...2,0 м3
с дальнейшей транспортировкой к месту работ (при этом необходи
мо учитывать потери грунта в размере 2 %).
Среднюю часть высоких (высотой более 4,5 м) насыпей отсыпа
ют местными песчаными грунтами, предварительно подготовленны
ми и просушенными в бунтах до проектной влажности.
Для укрепления откосов насыпей и основной площадки земля
ного полотна используют скальный грунт. Толщина слоя скальной
отсыпки принимается равной тройному размеру камня. Крупность
камня в скальной отсыпке может изменяться от 0,10 до 0,20 м.
Для минимизации нарушения прилегающей к земляному полот
ну полосы отвода в качестве одного из вариантов применяют двух
этапную технологию: на первом этапе — возведение насыпи пони
женного профиля для проезда автомобилей и строительной техни
ки, развертывания первоочередных работ на объектах с сосредото
ченными объемами; на втором — отсыпка насыпи на полный
248
профиль при круглогодичном проезде строительной техники и ав
томобилей вдоль трассы по уширенной берме.
Вместе с тем двухэтапная организация работ связана с длительны
ми сроками производства и нарушением полосы отвода под бермы.
С целью обеспечения круглогодичности производства работ с
минимальными нарушениями полосы отвода МИИТом разработан
Технологический регламент на строительство экспериментального
участка раз. Хралов—ст. Сохонто железнодорожной линии Обская—
Бованенково (рис. 3.56).
В качестве основного организационного фактора, объединяющего
конструктивнотехнологические решения на отдельных участках, в
Рис. 3.56. Схема размещения блуждающих карьеровнакопителей на экспе
риментальном ж.д. участке Хралов—Сохонто: 1 — землевозные подъезды;
2 — карьеры грунта; 3 — ось трассы; 4 — блуждающие карьеры; 5 — сухомерз
лый грунт; 6 — твердомерзлый грунт; 7 — направление движения автосамосва
лов; 8 — фронт отсыпки
Регламенте предложено устройство технологической автодороги в
теле насыпи, обеспечивающей постоянный внутрипостроечный
транспорт с целью доставки строительных материалов и конструк
ций (рис. 3.57). Регламент передан ОАО «Ямалтрансстрой» в виде
рекомендаций для экспериментального строительства.
Предложенная в Регламенте новая технология включает следую
щие процессы. В период отрицательных температур выполняют от
249
250
Рис. 3.57. Схема устройства земляного полотна с технологической автодорогой, расположенной по оси пути
сыпку землевозных подъездов 1 от карьеров 2 к трассе 3 с устрой
ством блуждающих карьеров 4 вдоль всего годового фронта соору
жения земляного полотна железной дороги. По землевозным подъез
дам доставляют грунт и возводят внутри тела будущей железнодо
рожной насыпи ТАД, обеспечивающую одно или двухсторонний
автопроезд. Для предотвращения деформаций при оттаивании грунта
в насыпи ТАД устраивают геотекстильные обоймы, в основание ук
ладывают пенополистирол, основную площадку укрепляют георе
шеткой и скальным грунтом (расчетная высота конструкции не дол
жна допускать сезонное оттаивание основания). ТАД должна быть
завершена до начала летнего периода на всем фронте отсыпки. Кон
струкция ТАД проверяется теплотехническим расчетом.
В таком исполнении ТАД, вопервых, приобретает конструктив
ную функцию — становится ядром жесткости будущей постоянной
насыпи железной дороги, а вовторых, — организационную функ
цию, так как обеспечивает внутрипостроечный транспорт для всех
подрядных организаций на трассе и расстановку строительной тех
ники на рабочих участках к началу теплого периода.
В период положительных температур завершают отсыпку насы
пи до проектного очертания с использованием уже существующего
к этому времени сплошного технологического автопроезда, укреп
ление откосов и основной площадки земляного полотна.
Отсыпку земляного полотна технологической автодороги начина
ют в зимнее время в двух рабочих зонах по всей ширине насыпи, в том
числе выполняют: укладку пенополистирола, устройство защитного
слоя, геообоймы и слоя укрепления скальным грунтом с георешеткой.
После устройства ТАД грунт из двух соседних блуждающих карь
еров перемещается в насыпь, где выполняют все предусмотренные
проектом технологические переделы по устройству геообойм, гео
решетки и основной площадки из скального грунта. Для маневров
техники на насыпи ТАД устраивают уширения или разворотные пло
щадки, которые объединяются грунтовыми перемычками. В резуль
тате в период отрицательных температур образуется автопроезд вы
сотой от 1,0 до 1,5 м по всему фронту работ. Наличие сплошного ав
топроезда позволяет в теплое время года вести отсыпку насыпи же
лезнодорожного пути и обеспечивать круглогодичность производства
работ без нарушения полосы отвода под технологическую дорогу.
Состав технологических процессов по устройству ТАД:
– расчистка основания;
251
– устройство выравнивающего слоя высотой 0,05 м (в уплотнен
ном состоянии) из сухомерзлого песка;
– раскладка пенополистирольных плит со скреплением край
них плит металлическими стержнями (схема раскладки показана на
рис. 3.58);
– устройство защитного слоя 0,30 м из сухомерзлого песка;
– раскатка рулонов геотекстиля и их закрепление;
– засыпка полотен геотекстиля слоем твердомерзлого грунта вы
сотой 0,35 м;
– формирование геообойм заворачиванием полотнищ геотекс
тиля;
– устройство защитного слоя из сухомерзлого песка высотой
0,05 м (в уплотненном состоянии) над уложенным геотекстилем;
– устройство верхнего слоя высотой 0,15 м (в уплотненном со
стоянии) из скального грунта.
На рис. 3.59 приведен календарный график устройства ТАД на
одной захватке. По окончании возведения ТАД на одной захватке
рабочий цикл (шаги 1—9) повторяется на следующих 200 м трассы
по всей длине участка.
Предложенная технология нуждается в экспериментальной про
верке.
Рис. 3.58. Устройство теплоизолирующего слоя из пенополистирола в основа
нии земляного полотна
252
Рис. 3.59 (начало). Календарный график устройства технологической авто
дороги на одной захватке (200 м) на участке ПК 4050+50—ПК 4052+50
253
Рис. 3.59 (окончание). Календарный график устройства технологической авто
дороги на одной захватке (200 м) на участке ПК 4050+50—ПК 4052+50
Одним из вариантов охлаждающей конструкции земляного по
лотна, позволяющей сохранить основание в мерзлом состоянии, яв
ляется использование набросок из скального грунта.
Наброски на откосах насыпей и берм охлаждающей конструкции
выполняются только из скального грунта, имеют толщину слоя не
менее 3кратной величины среднего размера камней, но не менее
1,0 м. При высоте насыпи hн < 6 м они должны устраиваться по всей
высоте откоса, при hн = 6...9 м — на высоту 6,0 м, а при hн > 9 м — на
2/3 высоты откоса.
Наброски толщиной менее 2 м должны отделяться от естествен
ных неустойчивых грунтов изолирующим слоем из геотекстиля. Тол
щина наброски должна быть не менее 1 м на грунтах III категории,
2 м — на грунтах IV категории просадочности.
Толщину наброски можно уменьшить укладкой под нее слоя теп
лоизоляции (пенополистирола). При этом укладка геотекстиля по
поверхности откоса не обязательна, откос должен быть не круче 1:2,
а толщина наброски — не менее 1,0...1,2 м. Работы по устройству
такой наброски можно вести в любое время года, перерыв между ви
дами работ должен быть минимальным, в теплый период года — не
более суток. При необходимости теплоизоляцию укладывают на вы
равнивающий слой из песка или гравия.
Доставку камня к месту работ выполняют автотранспортом или
поездной возкой (думпкарами) в период временной эксплуатации.
Возведение насыпей на марях и ВМГ. Насыпи в районах распрост
ранения вечной мерзлоты проектируют и сооружают с учетом свойств
грунтов деятельного слоя и вечномерзлых грунтов, залегающих в
254
основании, а также наличия мерзлотных процессов — бугров пуче
ния, термокарста, наледей, солифлюкции, подземных льдов.
Необходимы специальные мероприятия, обеспечивающие сохра
нение несущей способности земляного полотна при возникновении
подобных процессов. Степень изученности этих проблем позволяет
сформулировать некоторые рекомендации. К их числу относятся сле
дующие. В пределах участков с прочным основанием насыпи соору
жают как в обычных условиях, независимо от глубины, характера за
легания и температуры ВМГ. На недостаточно прочном и слабом ос
нованиях, в том числе на марях и участках с наличием подземных
льдов, для уменьшения величины осадок предусматривают соответ
ствующие конструкции и высоты насыпей, инженерную подготов
ку оснований и организацию работ, при которой не нарушается мо
хорастительный покров.
На марях наибольшие просадки возникают в местах скопления
поверхностной воды, особенно с нагорной стороны у подошвы на
сыпи; застой воды приводит к оттаиванию ВМГ и проседанию при
легающей к насыпи местности, в том числе основания насыпи.
В результате такого термокарстового процесса через 5—10 лет могут
образовываться водоемы глубиной до 2 м.
Насыпи из дренирующих грунтов на марях и заболоченных учас
тках III категории просадочности сооружают применительно к по
перечному профилю, представленному на рис. 3.60, а, при IV кате
гории просадочности — применительно к профилю на рис. 3.60, б.
На слабом и просадочном основаниях высоту насыпи назначают
с учетом требований по предохранению ее от морозного пучения и
подтопления. На участках с подземными льдами насыпи сооружают
по индивидуальному проекту.
При возведении насыпей необходимо учитывать осадку основа
ния, возникающую в результате уплотнения (сжатия) грунта деятель
ного слоя, осредненная величина которой в суглинках мягкопластич
ных составляет 20...30 см, в суглинках текучепластичных — 50...55 см,
в супесях слабовлажных и влажных — 10...15 см, в супесях сильно
влажных и водонасыщенных — 30...35 см, в торфах — 50 % толщины
деятельного слоя. На стадии рабочего проектирования осадку опре
деляют в зависимости от мощности деятельного слоя и величины от
носительной осадки.
255
Рис. 3.60. Поперечный профиль насыпи на мари: а, б — из дренирующих и скаль
ных грунтов на участках соответственно III и IV категорий просадочности ос
нования; hд — толщина деятельного слоя; S — полная расчетная величина осадки
основания; Bу — ширина насыпи с учетом запаса в связи с осадкой основания в
процессе эксплуатации дороги; H1 — рабочая высота насыпи с учетом запаса
на осадку основания; 1 — ВГМ до возведения насыпи; 2 — мохоторфяный слой;
3 — дренирующий грунт; 4 — водоотводная канава; 5 — берма
На участках с высокотемпературными ВМГ в проекте дополни
тельно предусматривают запас по высоте и ширине насыпи на
уплотнение протаивающего ВМГ основания. Условно принимают,
что 50 % общей величины осадки происходит во время строитель
ства и 50 % — в период эксплуатации.
При определении объема насыпи, в основании которой залегают
высокотемпературные ВМГ, необходимо учитывать объем для ком
пенсации ее осадки вследствие деформации грунтов деятельного
слоя, оттаивания ВМГ основания как при возведении насыпи, так и
в процессе временной эксплуатации дороги, а также объем грунта
для уширения насыпи.
На участках с низкотемпературными ВМГ в основании насыпи
высотой более 1,5...2 м при отсыпке ее в зимнее время сохраняется
естественный уровень вечной мерзлоты, поэтому запас на осадку
насыпи изза протаивания вечной мерзлоты не предусматривают.
Под насыпями высотой менее 1,5...2 м, возводимыми в любое время
256
года, а также под насыпями высотой более 5 м, возводимыми в лет
нее время из всех грунтов, кроме камня, понижается поверхность
ВМГ. Под высокими насыпями из камня уровень вечной мерзлоты
поднимается.
Выторфовывание в пределах марей не предусматривают. Умень
шение величины осадок и их неравномерности по протяженности
могут быть достигнуты за счет надежного отвода поверхностной воды
от земляного полотна, предотвращения ее скопления в пониженных
местах около насыпи, сохранения в ненарушенном состоянии рас
тительномохового покрова в основании и вблизи насыпи.
Если на термокарстовых участках из пониженных мест невозмож
но удалить воду, то их засыпают местным грунтом по мере отсыпки
нижнего слоя насыпи. Грунт, доставленный автосамосвалами по от
сыпаемому первому слою насыпи, выгружают около пониженного
места, надвигают бульдозером и уплотняют грунтоуплотняющей
машиной. Верх засыпки около насыпи оформляют в виде бермы
высотой над поверхностью мари 0,2...0,3 м с поперечным уклоном
0,02...0,04 в сторону от насыпи.
В зоне высокотемпературной вечной мерзлоты на участках насы
пей высотой до 1 м, а также на нулевых местах, в основании которых
залегают переувлажненные глинистые грунты, предусматривают
вырезку этих грунтов на глубину, определяемую расчетами при раз
работке рабочих чертежей. Дну траншеи придают продольный
уклон не менее 0,005. В талом состоянии грунт вырезают бульдозе
рами; мерзлые грунты предварительно разрыхляют навесными рых
лителями на бульдозерах мощностью 300 л.с. и более или взрывным
способом. Разрыхленный грунт перемещают бульдозерами в отвал
или в валы, из которых его погружают одноковшовым экскаватором
или погрузчиком в автосамосвалы и увозят за пределы насыпи. Тех
нология рыхления мерзлых грунтов рыхлителями такая же, как и при
разработке выемок. Вслед за вырезкой глинистого грунта засыпают
траншею предусмотренным в проекте грунтом.
Для возведения насыпей на участках вечной мерзлоты с прочным
основанием могут применяться все виды землеройных и землерой
нотранспортных средств, а также автомобильный и железнодорож
ный транспорт, как и в обычных условиях.
На недостаточно прочном и слабом основаниях с высокотемпе
ратурной вечной мерзлотой, включая мари (III и IV категорий про
257
садочности), для возведения насыпей в летнее время применяют ав
тосамосвалы грузоподъемностью до 12 т. При значительных дально
стях возки и объемах работ целесообразно использовать железнодо
рожный подвижной состав в комплекте с автосамосвалами. Само
ходные скреперы (с ковшом емкостью 10...15 м3) могут быть исполь
зованы в благоприятных для разработки грунтах. Насыпи на таких
участках целесообразно отсыпать после промерзания верхней части
деятельного слоя. Причем нижний слой насыпи как в зимнее, так и
в летнее время необходимо отсыпать «с головы» без заезда автоса
мосвалов, самоходных скреперов и других машин на естественную
поверхность основания насыпи. Для этого выгруженный автосамо
свалами грунт надвигают вперед бульдозером. Автосамосвалы разво
рачиваются под разгрузку на ранее спланированном грунте около ме
ста выгрузки. Толщину первого (защитного) слоя насыпи, допускаю
щего движение по нему автосамосвалов, принимают в зависимости
от состояния основания насыпи, грузоподъемности автосамосвалов
и устанавливают в процессе отсыпки грунта в начале слоя.
Технология отсыпки насыпей на ВМГ, особенно на марях с высо
котемпературной вечной мерзлотой, где учитывают понижение уров
ня вечной мерзлоты, с применением автосамосвалов, скреперов и
железнодорожного подвижного состава аналогична технологии воз
ведения насыпей на болотах. Для ускорения осадки в отдельных слу
чаях так же, как и на болотах, можно временно пригружать насыпь
грунтом с последующей его срезкой. На марях с низкотемператур
ной вечной мерзлотой на участках подземных льдов, льдонасыщен
ных суглинков и пылеватых песков, на которых насыпи возводят с
сохранением естественного уровня вечной мерзлоты в основании,
как в подготовительный период, так и в процессе отсыпки насыпей
следует принимать меры к максимальному сохранению естествен
ных условий полосы отвода:
– не нарушать мохорастительный покров в основании насыпей
и в полосе отвода;
– вырубку деревьев и кустарника вести в минимально необходи
мом количестве и только после промерзания почвы на глубину не
менее 50 см;
– не допускать осушения заболоченной местности и устройства
продольных и поперечных прорезей в основании и у подошвы отко
са насыпи;
258
– систематически удалять снег со всей площади основания на
сыпи, что способствует увеличению глубины промерзания грунта ос
нования;
– выделять участки в защитную охранную зону шириной не ме
нее 100 м в каждую сторону от оси земляного полотна;
– не допускать в этой зоне закладки карьеров и резервов, а также
движения любого вида транспорта вне дорог;
– ограждать растительность защитных зон от лесных пожаров,
устраивая вдоль их границ противопожарные просеки с грунтовыми
полосами.
Насыпь из дренирующих грунтов с сохранением уровня вечной мерз#
лоты в основании возводят после промерзания деятельного слоя; до
наступления положительных температур ее отсыпают на высоту не
менее 1,2...1,5 м. Первый слой насыпи отсыпают без заезда машин
на естественную поверхность основания.
Устранение осадок основания насыпей может быть достигнуто
поднятием верхнего горизонта вечной мерзлоты до уровня подошвы
насыпи. Для этого насыпь отсыпают из несцементированных обло
мочных грунтов или с обсыпкой откосов слоем камня толщиной
1...1,5 м. Такие конструкции наиболее целесообразно предусмат
ривать при возведении насыпей высотой более 5 м на участках ВМГ
с большим содержанием льда или в местах залегания подземного
льда, особенно на подходах к мостам. Исследованиями установле
но, что среднегодовая температура ВМГ в основании таких насыпей
на 2,5...4 оС ниже температуры ВМГ в естественном залегании.
Горизонт вечной мерзлоты в основании невысоких насыпей из не
сцементированных обломочных грунтов можно поднять укладкой
теплоизоляционной прослойки различной толщины из уплотненно
го мха и торфа, шлака и других материалов, обладающих небольшим
коэффициентом теплопроводности и достаточной прочностью. От
сыпают насыпи с поднятием горизонта вечной мерзлоты и уклады
вают теплоизоляционную прослойку в зимнее время. Обсыпку сло
ем камня откосы ведут по мере возведения насыпи. После отсыпки
насыпи на высоту 2...3 м завозят автосамосвалами камень и выгру
жают его у откоса насыпи, а затем бульдозером сдвигают на откос.
Выравнивают слой камня на откосе экскаваторомпланировщиком,
размещаемым на насыпи. При пологих откосах (под углом не более
30о) надвигать камень на откос, а также разравнивать его по всей длине
259
откоса можно бульдозером. Теплоизоляционную прослойку уклады
вают по мере возведения первого слоя насыпи. Предварительно за
возят автосамосвалами изоляционный материал и выгружают его пе
ред отсыпаемой насыпью, затем бульдозером перемещают вперед на
расстояние до 50 м, распределяя его равномерно по всей ширине ос
нования насыпи. После этого отсыпают слой грунта насыпи без заез
да автосамосвалов на изоляционный слой и т.д.
Для сохранения низкотемпературной вечной мерзлоты или подня
тия ее уровня необходимо укладывать грунты, предусмотренные в
проектном поперечном профиле, а также возводить насыпи в уста
новленный период времени. Несоблюдение этих условий приведет
к нарушению предусмотренного теплового режима, протаиванию
вечной мерзлоты и осадкам насыпей. При возведении насыпей пос
ле промерзания деятельного слоя грузоподъемность автосамосвалов
не ограничивают.
Разработка выемок в вечномерзлых грунтах. В зоне вечной мерз
лоты выемки, как правило, застраивают в скальных, песчаногра
вийных и других грунтах, не проседающих после оттаивания. В льдо
насыщенных просадочных грунтах выемки устраивают в исключи
тельных случаях по индивидуальному проекту.
ВМГ разрабатывают как в зимнее, так и в летнее время, переме
щая его, в зависимости от степени пригодности и времени года, в
насыпь или отвал. Технология разработки выемок в скальных грун
тах в зоне вечной мерзлоты не имеет существенных отличий от обыч
ных условий. Спецификой является, например, то, что в трещино
ватых грунтах в летнее время при рыхлении скалы буровзрывным
способом вода, попадающая из деятельного слоя в скважины, замер
зает там, препятствуя их зарядке. В связи с этим не следует допус
кать разрывы времени между бурением и зарядкой скважин.
В зимнее время ВМГ разрабатывают с использованием техноло
гических приемов, применяемых на разработке сезонномерзлого
грунта. При этом следует иметь в виду, что ВМГ имеют различные
температуру и зависящую от этого прочность. Низкотемпературные
грунты рыхлят буровзрывным способом, высокотемпературные и,
следовательно, более пластичные грунты целесообразнее рыхлить
тракторными рыхлителями.
В летнее время разработка ВМГ имеет некоторые трудности. Глав
ной из них является обводнение тающего льдонасыщенного грунта
260
с переходом его в текучепластичное состояние. При разработке вы
емки экскаватором прямая лопата нижний слой льдонасыщенного
грунта оставляют в естественном состоянии с последующей его по
слойной разработкой бульдозером по мере оттаивания. Это меро
приятие позволяет автосамосвалам, транспортирующим грунт, пе
ремещаться по прочному мерзлому основанию. Разжиженный отта
ивающий грунт перемещают бульдозером за пределы выемки.
При рыхлении ВМГ взрыванием в летнее время при больших раз
рывах между рыхлением и разработкой грунта происходит его по
вторное смерзание, поэтому продолжительность разрыва не должна
превышать более 1—2 смен.
В летнее время возможна разработка ВМГ с использованием ра
диационного оттаивания (солнечным теплом) послойно или в мас
сиве. При послойном радиационном оттаивании связных и слабо
дренирующих грунтов, когда оттаявший грунт снимают каждую сме
ну, скорость продвижения фронта положительных температур,
идущего от дневной поверхности, составляет 20...30 см/сут. Если от
таявший грунт снимают послойно, то скорость продвижения поло
жительных температур в подготовленном массиве еще ниже (поряд
ка 10 см). При наличии мохоторфяного покрова глубина протаива
ния вообще не превышает 0,5...1 м. Способ радиационного оттаива
ния грунта находит применение на добычных разработках, имеющих
большую площадь. Разработка выемок с использованием радиаци
онного оттаивания возможна лишь в гравийных грунтах, где скорость
продвижений положительных температур при послойной разработ
ке достигает 40...50 см/сут.
В зоне вечной мерзлоты широко используют гравийногалечный
грунт речных отложений, который разрабатывают на островах, отме
лях и речных косах. В летнее время в первую очередь используют грунт,
залегающий ниже горизонта воды, для работы в зимнее время остав
ляют возвышенные места или формируют специальные отвалы. Фор
мирование отвалов ведут с таким расчетом, чтобы вода, содержащая
ся в грунте, успела отфильтроваться к моменту наступления отрица
тельных температур, обеспечив тем самым незначительное смерзание
грунта в зимнее время. На разработке речных отложений используют
гидравлические экскаваторы, оборудованные обратной лопатой.
Эффективна послойная разработка выемок в летнее и зимнее вре
мя комплектом машин, включающим погрузчики и тракторные рых
261
лители мощностью 300 л.с. и более, оборудованные бульдозерными
отвалами. В этом случае применяют одностоечные рыхлители, ко
торые продольными или перекрестными проходками подготавлива
ют грунт к разработке и сдвигают в бунты высотой 2...3 м, а из них
погрузчиками его грузят в автосамосвалы и транспортируют в на
сыпь или отвал. Для повышения производительности рыхлителей и
бульдозеров рыхление и разработку грунта ведут захватками длиной
40...60 м, начиная со стороны выемки, имеющей меньшие отметки
основной площадки. В летнее время на каждом уступе разрабатыва
емой выемки устраивают канавы для отвода воды из оттаивающего
грунта, а дну забоя придают уклон в обе стороны от оси к канавам.
Выемку разбивают на две захватки вдоль оси, попеременно чередуя
работу на них: на одной захватке рыхлят грунт и сдвигают его в бунт,
на другой разрабатывают грунт погрузчиком. После разработки бунта
дно забоя на его месте планируют и удлиняют водоотводную канаву.
3.4.13. Защита земляного полотна от теплового воздействия,
осадков и солнечной радиации. Конструкции защитных сооружений
откосов земляного полотна
Солнце& и осадкозащитные навесы. Для защиты земляного полот
на, возводимого на вечномерзлых грунтах, до сих пор нет эффектив
ных конструктивных решений, способных предотвратить негатив
ные последствия воздействия солнечной радиации, осадков и снеж
ного покрова на его прочность и устойчивость.
С этих позиций представляет интерес опыт железнодорожного строитель
ства в КНР.
В Китае в 2005 г. в сложнейших горногеологических условиях построена со
временная магистраль длиной 1142 км — ЦинхайТибетская железная дорога.
Бîльшая часть трассы (80 %) проходит по территории с абсолютными от
метками выше 4000 м, около 50 % — по вечномерзлым грунтам со среднего
довой температурой от –0,5 до –3,5 оС и толщиной от 5...25 до 60...130 м и
больше.
На ЦинхайТибетской железной дороге установлено 5 млн термосифонов.
Однако уже выявлены деформации земляного полотна как на проходящем
вблизи шоссе, так и непосредственно на железной дороге.
В 1998 г. китайские ученые выполнили математическое моделирование тем
пературного режима накрытой навесом железнодорожной выемки в многолет
немерзлых грунтах Тибета и получили следующие результаты: через 20 лет под
выемкой с навесом температура грунтов на глубине 6...9 м достигает –8 оС, тогда
как без навеса формируется талик толщиной около 9 м.
262
В 2000 г. на экспериментальном полигоне была начата опытноэксперимен
тальная проверка конструкции железнодорожной выемки с солнце и осадко
защитным навесом.
Четыре года наблюдений за работой трех моделей защитного навеса над основ
ной площадкой и откосами выемки подтвердили эффективность навеса для сохра
нения грунтов основания земляного полотна в многолетнемерзлом состоянии.
В 2002 г. в Китае было выполнено физическое моделирование сохранения
ВМГ основания, после чего был сделан вывод о высокой эффективности наве
са даже в условиях возможного потепления климата (повышения среднегодо
вой температуры воздуха на 0,5 оС).
В 2005 г. защитный навес из панелейсэндвичей был сооружен на откосах
насыпи и над основной площадкой непосредственно на ЦинхайТибетской
железной дороге.
По мнению китайских специалистов, защитные навесы на откосах желез
нодорожной насыпи, исходя из натурных наблюдений, могут понижать темпе
ратуру грунтов на 3...5 оС и соответственно обеспечивать стабильность земля
ного полотна на сильнольдистых ВМГ.
Успешная реализация в КНР идеи о применении защитных наве
сов для предотвращения деградации вечной мерзлоты в основании
железнодорожного земляного полотна создает предпосылки для ее
использования в России, в частности на «ледовом комплексе» участ
ка железной дороги Томмот—Якутск.
Защита основания насыпи профилированным настилом. Техничес
кие предложения по ликвидации деградации грунтов основания зем
ляного полотна в зоне вечной мерзлоты и защиты откосов земляно
го полотна не отличаются большим разнообразием.
Практически во всех конструкциях защитных сооружений ис
пользуют стальной профилированный настил, что обусловлено сле
дующими его качествами:
– технологичность установки — небольшая масса монтажного
элемента, позволяющая вести монтаж вручную;
– долговечность за счет оцинкованной поверхности;
– жесткость монтажных элементов за счет ребер жесткости.
Известен опыт КНР по использованию профилированного листа
для защиты откосов насыпи.
Следует отметить, что аналогичные предложения по конструкции
защитных устройств откосов земляного полотна, возводимого на
ВМГ, разрабатывались и в России.
В конструкции земляного полотна, как уже отмечалось в преды
дущем тексте, в основании насыпи используют георешетки.
263
Каменная наброска. В целях защиты откосов насыпи от внешних
воздействий для запроектированных насыпей «ледового комплекса»
применяют скальные грунты. При этом предпочтение отдают глы
бовым разновидностям крупнообломочных грунтов с содержанием
не менее 75 % по массе частиц фракции 20...50 см. Скальный грунт
должен быть из невыветрелых или слабовыветрелых, неразмягчае
мых пород морозостойкостью не хуже F5. Насыпи из таких грунтов
обычно «самоохлаждающиеся» и не требуют специальных меропри
ятий по дополнительному охлаждению грунтов тела насыпи и осно
вания. Из глыбовых грунтов сортировкой изготавливают материал
для фракционного камня, используемого в охлаждающих бермах при
необходимости сохранения мерзлоты в основании. При этом круп
ные фракции 20...50 см должны составлять не менее 90 % по массе
при среднем размере камня 40 см.
Противодеформационные мероприятия направлены на исключе
ние факторов, оказывающих основное воздействие на сверхнорма
тивное растепление грунтов, в том числе фильтрацию воды через
насыпь (≈ 50 %), солнечную радиацию (≈ 30 %), осадки (≈ 20 %), а
также распределение временной поездной нагрузки на основание.
Откосы обсыпают слоем камня по мере возведения насыпи. После
отсыпки насыпи на высоту 2...3 м завозят автосамосвалами камень и
выгружают его около откоса насыпи, а затем бульдозером сдвигают
на откос. Выравнивают слой камня на откосе экскаваторомплани
ровщиком, размещаемым на насыпи.
Многолетние исследования Тындинской мерзлотной станции
ЦНИИСа позволили прийти к заключению, что откосы насыпей,
отсыпанные дренирующими грунтами и покрытые скальными об
ломками фракций 100...150 мм, толщиной слоя 0,6...1,0 м значитель
но понижают температуру грунта в теле и основании насыпи вслед
ствие конвективного теплопереноса в крупнопористом слое отсып
ки. Тем самым повышается устойчивость сооружения, особенно на
просадочных и льдистых грунтах (рис. 3.61). При такой конструк
ции насыпи не требуется устройство берм, может быть уменьшена
ширина земляного полотна при сокращении осадки в послепостро
ечный период.
Защитные галереи от воздействия на земляное полотно осадков,
снежного покрова и солнечной радиации. В районах распространения
вечной мерзлоты земляное полотно проектируют с учетом свойств
264
265
Рис. 3.61. Защита основания насыпи и ее откосов каменной наброской: 1 — «Пеноплекс45» (двойной слой);
2 — плоская георешетка; 3 — охлаждающая каменная наброска; 4, 6 — гидроизоляционное покрытие; 5 — дрени
рующий грунт (размеры даны в м)
ВМГ при их оттаивании в основании земляного полотна, в откосах
выемок и водоотводных канав, а также наличия мерзлотных процес
сов (бугров пучения, наледей, подземного льда, термокарста). Про
гнозируемое направление тепловых процессов в грунтах служит ос
новой при выборе принципа строительства, который устанавливают
с учетом совместной работы возводимого сооружения и основания.
Следует отметить, что универсального способа обеспечения ста
бильности основания земляного полотна, возводимого на вечномер
злых грунтах, и его откосов в настоящее время нет. По мнению ряда
специалистов, одним из эффективных способов комплексной защи
ты основания железнодорожного земляного полотна и его откосов
является устройство галерей и других аналогичных устройств, напри
мер полусферических конструкций ангарного типа, охватывающих
основную площадку и откосы земляного сооружения.
Далее (рис. 3.62) приводится вариант конструкции защитной га
лереи, разработанный в МИИТе для участка «ледового комплекса»
железнодорожной линии Томмот—Якутск.
Сооружение защитной галереи ведется в соответствии с ППР при
отрицательных температурах наружного воздуха. В ППР предусмот
Рис. 3.62. Защитная галерея (поперечное сечение)
(размеры даны в мм)
266
рено использование соответствующего технологического оборудо
вания, максимально обеспечивающего сохранность откосов земля
ного полотна и территории участка земли, примыкающего к бровке
выемки и подошве насыпи.
Охлаждение грунтов термостабилизаторами. Для сохранения грун
тов в мерзлом состоянии целесообразно в соответствующих услови
ях использование для охлаждения грунтов основания парожидкост
ных сезонных охлаждающих установок (СОУ) — термостабилизато
ров, в сочетании с теплоизолятором «Пеноплекс».
Термостабилизаторы выпускаются разных типов и конструк
ций — вертикальные (например, ТМД5) и горизонтальные (слабо
наклонные).
Технологические параметры вертикальных стальных парожид
костных термостабилизаторов: общая длина — 6,2 м, заглубленная
часть — 5 м, заглубление в грунты основания — 4 м.
Технология монтажа термостабилизатора ТМД#5. Термостабили
заторы ТМД5 устанавливают в грунт в предварительно пробуренные
скважины. Испарители термостабилизаторов погружают (устанавли
вают) в грунт безударным способом и прочно в нем закрепляют.
Скважины под термостабилизаторы пробуривают строго верти
кально до проектной отметки, причем диаметр скважин должен пре
вышать диаметр термостабилизатора на 40...100 мм.
При бурении скважины в обводненных грунтах ее глубина долж
на быть ниже проектной отметки на 2...3 м.
Не допускается нагрев термостабилизатора выше +60 оС.
Термостабилизаторы типа ТМД5 устанавливают в скважины
строго вертикально. Отклонение от вертикали допускается на вели
чину не более его диаметра. При этом должно отсутствовать воздуш
ное пространство в кольцевом зазоре между корпусом испарителя и
стенкой скважины.
Пространство между термостабилизатором и стенками скважи
ны заполняют грунтовым раствором.
В качестве заполнителя кольцевого зазора применяют также ма
териалы с теплофизическими характеристиками, близкими к харак
теристикам окружающего массива грунта.
Горизонтальные термостабилизаторы требуют более тщательной
подготовки основания, более аккуратного обращения в процессе
монтажа.
267
Горизонтальный термостабилизатор устанавливают в заранее вы
рытую траншею до возведения дорожного полотна.
Траншею роют на необходимую глубину поперек устраиваемого
дорожного полотна. Дно траншеи имеет уклон 2о по нисходящей с
места расположения конденсатора ТН (рис. 3.63).
Рис. 3.63. Схема расположения термостабилизатора ТН в траншее после его
установки: 1 — конденсатор ТН; 2 — испаритель ТН; 3 — дневная поверхность
грунта; 4 — дно траншеи; 5 — торцевые стенки траншеи; Lтр — длина траншеи;
h — глубина погружения испарителя ТН в месте расположения конденсатора
Глубина разрабатываемой траншеи зависит от глубины укладки
испарителя ТН в грунт, которая, в свою очередь, определяется вы
бранной конструкцией дороги и теплотехническим расчетом.
В процессе монтажа термостабилизатора глубина погружения
испарителя в грунт от дневной поверхности для последующей от
сыпки и утрамбовки насыпи должна быть не менее 0,50 м.
Глубина погружения конденсатора в откос насыпи должна быть
не менее 0,20 м.
Общая глубина погружения испарителя в грунт определяется теп
лотехническими расчетами.
Угол наклона испарителя к горизонту должен быть примерно 2о.
3.4.14. Сооружение земляного полотна второго пути
Общие положения. Прочность и устойчивость земляного полотна,
отсыпаемого под второй путь, так же как и при строительстве новых
однопутных линий, определяется выбором грунтов, их взаимным рас
положением в теле земляного полотна и качеством уплотнения. Кро
ме того, они зависят от качества грунтов первого пути.
268
При проектировании земляного полотна второго пути из недре
нирующих грунтов предусматривают меры, исключающие односто
роннее пучение пристраиваемого пути и обеспечивающие надежный
отвод поверхностных вод с существующего земляного полотна от
сыпкой верхнего слоя земляного полотна второго пути дренирую
щими грунтами.
Толщина дренирующего слоя под балластной призмой принима
ется не менее толщины защитного слоя, назначаемого в соответствии
с СТН Ц0195 «Железные дороги колеи 1520 мм».
На насыпях, сложенных глинистыми грунтами, в случае исполь
зования в присыпаемой части крупнообломочных грунтов и песков,
назначают меры по предотвращению промерзания глинистых грун
тов существующей насыпи под проектируемым вторым путем.
Обязательным условием сооружения земляного полотна второго
пути является обеспечение бесперебойного и безопасного движения
поездов по первому пути.
Основные положения сооружения второго пути железнодорож
ного земляного полотна изложены в Пособии по технологии соору
жения железнодорожного земляного полотна, некоторые положения
которого приводятся далее.
При сооружении земляного полотна второго пути учитывают:
– бесперебойность пропуска поездов по действующему пути;
– стесненность условий производства работ;
– необходимость обеспечения безопасности движения поездов по
действующему пути, машин и механизмов, занятых на земляных ра
ботах;
– сохранность существующих сооружений и инженерных ком
муникаций;
– охрану труда работающих на сооружении земляного полотна вто
рых путей в соответствии с требованиями нормативных документов.
При разработке ППР учитывают изменение сменной производи
тельности комплектов машин в связи с периодическими перерыва
ми их работы, вызываемыми движением поездов по действующему
пути, а также повышенной осторожностью при работе на электри
фицированных линиях.
Число транспортных, планировочных, уплотняющих и других
машин в комплекте устанавливают без учета снижения сменной про
изводительности ведущей машины.
269
Насыпи под второй путь сооружают из грунтов, однородных с
грунтами существующей насыпи или обладающих лучшими дрени
рующими свойствами.
Учитывая, что на откосах существующей насыпи в период ее экс
плуатации, как правило, образуются балластные шлейфы, а неодно
кратные, капитальные ремонты существующего пути приводят к об
разованию мощного слоя дренирующего грунта под шпалой, во всех
случаях верхнюю часть насыпи отсыпают дренирующим грунтом с
фильтрационными свойствами, лучшими, чем у грунтов существу
ющей насыпи. Мощность этого слоя определяют с учетом возмож
ной частичной срезки балластного шлейфа.
Перед началом работ:
– детально обследуют существующее земляное полотна для уче
та его «больных» мест, установленных в период эксплуатации;
– обследуют (замеряют толщину) балластного слоя для выявле
ния очертания ядра насыпи или выемки;
– определяют наличие и размеры балластных шлейфов в насы
пях, просадок, выплесков и балластных корыт, чтобы новое земля
ное полотно запроектировать с учетом состояния существующего и,
при необходимости, его лечения.
До начала основных работ по сооружению земляного полотна вы
полняют все подготовительные работы, а также предусмотренные
проектом сооружения второго пути: перенос линий и устройств свя
зи и СЦБ, опор контактной сети, линий и устройств электроснабже
ния, коммуникаций различного назначения, зданий и сооружений.
При уширении существующего земляного полотна за счет при
сыпки особое внимание обращают на уплотнение стыка старой и
новой насыпи с обязательной проверкой уплотнения по этому сты
ку и откосной части.
Сооружение земляного полотна парками машин механизирован
ных колонн существенно зависит от его конструкции и наличия ком
муникаций.
Земляное полотно устраивают, как правило, с одной стороны су
ществующего пути, поэтому технологические схемы производства
работ выбирают с учетом устройства односторонних резервов при
поперечной возке грунта и односторонней кольцевой схемы движе
ния транспортных средств при продольной его возке. Это приводит
к сужению области применения комплектов машин.
270
Основные технологические схемы сооружения земляного полотна:
– возведение насыпей скреперами или автомобилямисамосва
лами с однополосным и двухполосным движением машин;
– поездная возка грунта и устройство насыпей экскаваторомпла
нировщиком;
– комбинированная возка грунта с использованием думпкарных
вертушек, блуждающих карьеров и экскаваторных комплектов;
– поездная возка грунта.
При определении ширины двухпутного земляного полотна повер
ху после присыпки второго пути расстояние от оси вновь укладыва
емого второго пути до бровки земляного полотна принимают не
меньшим половины ширины земляного полотна магистральных од
нопутных линий I и II категории — 3,8 м для глинистых и 3,3 м для
скальных дренирующих грунтов.
Продольный профиль дополнительного главного пути, располагае
мoго на общем земляном полотне с существующим путем, на прямых
участках проектируют в одном уровне головок рельсов обоих путей
после капитального ремонта существующего пути. Головки внутрен
них рельсов на участках пути в кривых проектируют в одном уровне.
При проектировании земляного полотна второго пути из недре
нирующих грунтов предусматривают меры, исключающие пучение
пристраиваемого пути и обеспечивающие отвод поверхностных вод
с существующего земляного полотна. Для этого верхний слой зем
ляного полотна второго пути отсыпают из дренирующего грунта,
иногда комбинируя его с геотекстилем.
Толщину слоя дренирующего грунта под балластной призмой
устанавливают расчетом в зависимости от вида грунта земляного по
лотна и его состояния с учетом глубины промерзания в районе стро
ительства.
При проектировании защитных слоев из дренирующих грунтов
без применения геотекстиля в основании толщина его должна быть
не меньше 0,8...1,0 м для суглинка и глин и 0,5...0,7 м для супесей
(в зависимости от климатических условий).
Поверхность глинистого грунта в основании защитного слоя пла
нируют односкатной, с уклоном 0,04 от действующего пути.
Земляное полотно второго пути проектируют совместно с пере
устройством полотна существующей железной дороги (с его исполь
зованием). Принимают следующие схемы размещения второго пути:
271
– на общем земляном полотне и в одном уровне с существую
щим путем;
– на общем земляном полотне с изменением уровня существую
щего пути. Такую схему принимают в местах реконструкции действу
ющего пути.
Реконструируемый путь должен быть, как правило, в одном уров
не со вторым:
– на раздельном земляном полотне. Такую схему иногда приме
няют на подходах к большим и средним мостам, на участках со сла
бым основанием и в других неблагоприятных инженерногеологи
ческих условиях;
– на общем двухпутном полотне на новой трассе обхода участ
ков, неблагоприятных по инженерногеологическим условиям (на
долговременных обходах барьерных объектов).
Проектирование организации земляных работ зависит от схемы
размещения земляного полотна второго пути по отношению к зем
ляному полотну существующей железной дороги.
Целесообразно при проектировании земляного полотна второго
пути на участках, совмещенных с существующим путем, ширину
основной площадки назначать такой же, как и для новых двухпут
ных железных дорог.
Согласно СТН Ц01—95 она на прямых путях составляет при ис
пользовании в теле земляного полотна глинистого грунта — 11,7 м, а
при применении скальных грунтов и дренирующих песков — 10,7 м.
Таким образом будут созданы предпосылки для доведения мощнос
ти существующего первого пути после реконструкции до той же, что
и у нового второго пути. При этом возможно смещение оси суще
ствующего второго пути при выполнении работ.
Организация работ при возведении земляного полотна имеет ряд
особенностей. Вместе с тем наличие первого пути позволяет исполь
зовать поездную возку грунта для отсыпки земляного полотна на от
дельных участках. К этим участкам относятся: места с затрудненным
подъездом с полевой стороны; непригодность местных грунтов к
отсыпке в тело земляного полотна; места, где нет возможности за
ложить притрассовые карьеры; места пересечения болот; места с со
средоточенными объемами работ и др.
Решения по расстановке механизированных колонн по фронтам
работ, по непрерывной организации их работы или в первую оче
272
редь по лимитирующим перегонам принимают при разработке про
екта организации строительства.
К подготовительным работам на участках возведения насыпей
относятся: разбивка земляного полотна, устройство подъездов, обо
рудование временных зданий для механизированных колонн, убор
ка загрязненного балласта с откосов существующей насыпи (балла
стных «шлейфов»), нарезка на ней уступов. Уступы проектируются
шириной от 1 до 1,5 м с устройство поперечного уклона 0,02 или 0,04
в полевую сторону. Километровый объем работ по устройству одно
го уступа (шириной 1,0 м, высотой 0,7 м) составляет 900 м3.
Уступы нарезают в летний период бульдозерами с откосниками в
процессе возведения насыпи (по мере отсыпки слоев) или экскава
торамипланировщиками (рис. 3.64).
Рис. 3.64. Схема сооружение земляного полотна под II путь: 1 — существующая
насыпь; 2 — прислоненная насыпь; 3 — нарезаемые уступы; 4 — слои грунта
нижней части насыпи; 5 — резерв (размеры даны в м)
После нарезки первого уступа отсыпают дватри слоя насыпи (на
высоту уступа). Грунт уплотняют и нарезают следующий уступ.
Длина захватки для нарезки уступов равна участку работы земле
ройного модуля, выполняющего отсыпку насыпи.
Грунт, получаемый при нарезке, разравнивают ровным слоем по
всей ширине присыпаемой насыпи. Нарезка уступов относится к
скрытым работам, выполняют ее в присутствии представителя за
казчика и оформляют соответствующим актом.
Для обеспечения безопасности движения поездов перечисленные
работы должны выполняться в присутствии руководителя работ и
работника дистанции пути (дорожного мастера).
273
На откосах насыпи из дренирующих грунтов, а таких в среднем
около 20 % общего их количества, взамен устройства уступов удаля
ют дерн и кустарник.
При уширении выемок ликвидируемые кюветы и лотки засыпа
ют грунтом, однородным с грунтом основания, тщательно послой
но трамбуют.
Приступать к основным работам по отсыпке насыпей и разработке
выемок можно после устройства водоотводов.
После подготовки откоса существующего пути выполняют основ
ные работы экскаваторноавтосамосвальными, скреперными и буль
дозерными модулями, обратными лопатами или драглайнами из ре
зервов, поездной возкой из карьеров.
При планировании производства работ учитывают перерывы в
работе строительных машин изза необходимости пропуска поездов
по действующему пути.
Увеличение потребности в машинах приводит к возрастанию сто
имости земляного полотна второго пути. Затраты тем больше, чем
выше грузонапряженность существующего пути.
Характерной особенностью всех технологических схем сооруже
ния земляного полотна вторых путей является наличие не только
основных работ, в результате которых формируется земляное полот
но, но и дополнительных. Необходимость выполнения последних
вызывается технологией производства работ и особенностями эксп
луатации действующего участка железнодорожной линии.
К дополнительным работам относят разработку и отсыпку грунта
в дополнительные технологические земляные сооружения, нарезку
уступов, срезку балластных шлейфов и т.д.
Дополнительными технологическими сооружениями являются:
– въезды и съезды на насыпях и в выемках;
– площадки для разворота автосамосвалов по условиям обеспе
чения их габаритов;
– уборка грунта, остающегося на откосе после устройства вре
менного уширения.
Состав дополнительных работ различен в разных технологичес
ких схемах.
Далее приводится описание технологических схем сооружения
насыпей и выемок в обычных условиях, а также насыпей на болотах
и выемок в скальных грунтах.
274
Возведение насыпей автосамосвалами в зависимости от их высо
ты выполняют по схемам одно или двухполосного ведения работ.
Однополосную схему используют для возведения насыпей высо
той до 3 м и при движении автосамосвалов к месту укладки грунта
задним ходом на расстояние до 50 м.
Двухполосную схему с кольцевым движением автосамосвалов или
их разворотом на насыпи используют для возведения насыпей вы
сотой более 3 м. В случаях когда проектной ширины насыпи не хва
тает для двухполосного ведения работ, временно ее увеличивают.
Работы ведут одновременно на двух захватках: на одной разгружают
грунт, на другой разравнивают и уплотняют его. Грунт разгружают
от начала захватки со стороны въезда автосамосвалов.
Насыпи высотой до 6 м сооружают с одновременным устройст
вом въездов и съездов. Въезды устраивают в местах с повышенны
ми отметками рельефа для уменьшения потребного для них объема
грунта.
Насыпи высотой более 6 м возводят только с устройством съез
дов. Для заезда на насыпь автосамосвалов и других машин исполь
зуют нулевые места на отметке отсыпаемого слоя. Насыпи протя
женностью до 500 м возводят без устройства съездов, одной захват
кой. Автосамосвалы во время разравнивания и уплотнения грунта и
грунтоуплотняющую машину во время отсыпки слоя используют на
смежных участках работ.
Сооружение насыпей. Перед началом отсыпки насыпей второго
пути проводят подготовительные работы, предусмотренные проек
том: вырезают балластные шлейфы, растительный грунт, нарезают
уступы высотой 1 м на откосе существующей насыпи или разрыхля
ют верхний слой грунта на глубину 10...15 см.
Для выполнения указанных работ используют бульдозеры, в том
числе с откосниками, и экскаваторыпланировщики.
При существующих насыпях из связных грунтов срезают расти
тельный грунт в основании присыпаемой насыпи; нарезают бульдо
зером уступы высотой до 1 м в откосе старой насыпи и в дальнейшем
такие уступы нарезают по мере возведения насыпи.
Грунт балластных шлейфов и уступов в этом случае укладывают в
насыпь второго пути.
При необходимости лечения (осушения) существующих насыпей
из связных грунтов насыпь второго пути отсыпают из дренирующе
275
го грунта на всю высоту. В этом случае уступы также нарезают, но
грунт удаляют за пределы насыпи.
При наличии балластного шлейфа на откосе шлейф удаляют, если
он маломощный и его срезка не угрожает безопасности движения
поездов, или переходят на отсыпку верхней части насыпи дрениру
ющим грунтом; при этом уступы не нарезают, но с откоса шлейфа
срезают слой дерна или травяного покрова.
При возникновении угрозы безопасности движения поездов по
рядок производства работ по срезке балластного шлейфа установ
ливают индивидуальным проектом.
Если существующая насыпь отсыпана песками, в основании при
сыпаемой насыпи второго пути срезают почвеннорастительный
слой, с откосов существующей насыпи срезают дерн и травяной по
кров, а при их отсутствии откос разрыхляют на глубину до 10...15 см
экскаваторамипланировщиками с навесным рыхлительным обору
дованием.
При большой высоте насыпи подготовку ее основания ведут яру
сами: вначале выполняют все необходимые работы на высоту насы
пи до 3 м и в пределах первого яруса отсыпают насыпь. Далее по этой
технологии возводят остальную часть насыпи.
При ширине уступа, нарезаемого на откосе существующей насы
пи, равной 1,5 м, временное уширение насыпи составляет 1,0 м.
Грунт балластных шлейфов и уступов, если это допускается тех
ническими условиями, используют для насыпи второго пути, в про
тивном случае его необходимо удалить за пределы насыпи.
Намыв насыпи под второй путь. Насыпь второго пути примывают
к существующей насыпи из гравийных или песчаных грунтов.
Размеры карт намыва определяют по допустимой интенсивности
намыва, причем длину карты принимают не более чем 120...150 м,
ширину — не менее 10 м.
Обвалование карт намыва предусматривают у откосов как при
мываемой, так и существующей насыпи.
При ширине насыпи второго пути менее 10 м поверху оценивают
техникоэкономическую эффективность намыва штабеля у нижней
части насыпи для отсыпки верхний ее части землеройными меха
низмами. Штабель создают уширением нижней части примыва на
потребный объем отсылки. Ширину и высоту уширенной части при
276
нимают из соображений удобства намыва и наименьших затрат при
перемещении грунта из резерва в верхнюю часть насыпи.
Отработанную воду отводят через водосбросные колодцы наклон
ного или ступенчатого типа и водосбросные трубы, которые сбра
сывают воду в существующие или сооружаемые канавы.
Примыв насыпи второго пути, а также уширение земляного по
лотна на станциях, как правило, ведут без прекращения движения
поездов, для чего предусматривают постоянное наблюдение за со
стоянием существующей насыпи первого пути и принимают меры к
поддержанию эксплуатационного состояния действующего пути.
При примыве насыпи второго пути предусматривают подачу на
карту намыва пульпы наибольшей консистенции. Прудокотстой
ник устраивают минимальных размеров. Не допускается располо
жение отстойника вблизи откоса насыпи первого пути.
При определении производительности гидроустановок, исполь
зуемых при примыве насыпи второго пути без перерыва движения
поездов по первому пути, учитывают поправки в размере: 0,95 и 0,9
на объемы примывов соответственно ниже и выше отметки бровки
существующей насыпи.
Устройство выемок. При разработке выемок с рабочими отметка
ми больше максимальной глубины резания экскаватора устройство
выемок ведут в два яруса.
Автосамосвалы подают под погрузку в одном уровне с экскавато
ром. С этой целью в откосе выемки нарезают технологическую пол
ку, на которой находится экскаватор и проезжают автосамосвалы.
Ширину полки определяют исходя из конструктивных данных
автосамосвалов с таким расчетом, чтобы они могли развернуться на
180о в два приема.
В ходе разработки второго яруса автосамосвалы подают под по
грузку и по основной площадке сооружаемого земляного полотна
второго пути. Для разворота автосамосвалов в откосах выемки через
каждые 50 м устраивают ниши.
При разработке проектов производства работ учитывают, что не
смотря на очевидные преимущества полок (повышение устойчиво
сти откосов выемок; ограничение необходимых маневров машин;
возможность организации двухполосного движения машин; обеспе
чение целостности основной площадки земляного полотна второго
277
пути и т.д.), объемы работ по устройству полок примерно в
1,3 раза больше, чем при разработке ниш.
Уширение скальных выемок экскаваторами с рыхлением грунтов
взрывным способом и транспортировкой грунта в насыпь автосамо
свалами ведут по индивидуальным проектам.
При определении техникоэкономических показателей учитыва
ют интенсивность движения поездов по участку работ, число и про
должительность «окон».
Уширение скальных выемок под второй путь выполняют соглас
но требованиям ВСН 178—91 и Инструкции по обеспечению безо
пасности движения поездов при производстве буровзрывных работ
и скальных работ на строительстве вторых путей.
Скальные выемки глубиной до 8 м с откосами 1:0,75 и круче при
уширении разрабатывают в один уступ торцовой проходкой.
Взрывание выполняют на коротких участках выемки из расчета
уборки взорванного грунта, попавшего на путь, в выделенное «окно».
Выемку при этом разрабатывают по возможности с двух ее кон
цов экскаваторами с ковшом 1,25...1,6 м3.
Выемки глубиной до 2 м взрывают в одиндва приема по всей длине.
Темпы разработки выемки определяют из расчета выделения в
среднем (за время разработки выемки) от двух до четырех «окон» в
неделю. При этом объем грунта, взорванного в «окно», должен быть
в пределах от 200 до 800 м3 в зависимости от длительности «окна»,
местных условий и характеристики скального массива, а также от
применяемых средств и технологии буровзрывных работ.
Для обеспечения безопасности производства работ и движения
поездов при разработке выемок в слабовыветривающихся скальных
грунтах с откосами 1:0,2...1:0,5 при нормальном междупутье (4,1 м)
необходимо уширение выемок сверх конструктивно необходимых
размеров.
Величину уширения выемки и технологию производства работ
устанавливают проектом.
В пределах участка разрабатываемой выемки, где ширина ее не
достаточна для разворота автосамосвалов, подачу их под экскаватор
организуют задним ходом.
Взорванный грунт убирают с пути за пределы габарита прибли
жения строений в выработанное пространство выемки во время
«окна».
278
Разделку негабаритов выполняют накладными или шпуровыми
зарядами, а также с помощью навесного оборудования на экскава
торе (гидроклин и др.).
3.4.15. Контроль качества возведения земляного полотна,
его содержание в процессе строительства. Приемка работ
Общие положения контроля. Операционным контролем исполни
тель работ проверяет:
– соответствие последовательности и состава выполняемых тех
нологических операций технологической и нормативной докумен
тации, распространяющейся на данные технологические операции;
– соблюдение технологических режимов, установленных техно
логическими картамирегламентами;
– соответствие показателей качества выполнения операций и их
результатов требованиям проектной и технологической документа
ции, а также распространяющейся на данные технологические опе
рации нормативной документации.
Места выполнения контрольных операций, их частота, исполни
тели, методы и средства измерений, формы записи результатов, по
рядок принятия решений при выявлении несоответствий установ
ленным требованиям должны соответствовать требованиям проект
ной, технологической и нормативной документации.
Результаты операционного контроля должны быть документиро
ваны.
В процессе строительства должна выполняться оценка выполнен
ных работ, результаты которых влияют на безопасность объекта, но
в соответствии с принятой технологией становятся недоступными
для контроля после начала выполнения последующих работ. В ука
занных контрольных процедурах могут участвовать представители
соответствующих органов государственного надзора, авторского над
зора, а также, при необходимости, независимые эксперты.
Результаты приемки работ, скрываемых последующими рабо
тами, в соответствии с требованиями проектной и нормативной
документации оформляются актами освидетельствования скрытых
работ.
Технический надзор заказчика за строительством выполняет:
– контроль соответствия выполняемого исполнителем работ опе
рационного контроля требованиям;
279
– контроль наличия и правильности ведения исполнителем ра
бот исполнительной документации, в том числе оценку достоверно
сти геодезических исполнительных схем выполненных земляных со
оружений;
– контроль над устранением дефектов в проектной документа
ции, выявленных в процессе строительства, документированный
возврат дефектной документации проектировщику;
– исполнение предписаний органов государственного надзора и
местного самоуправления;
– факт извещения органов государственного надзора обо всех слу
чаях аварийного состояния на объекте строительства;
– соответствие объемов и сроков выполнения работ условиям до
говора и календарному плану строительства;
– заключительную оценку (совместно с исполнителем работ) со
ответствия законченного строительством объекта требованиям за
конодательства, проектной и нормативной документации.
Для осуществления технического надзора заказчик при необхо
димости формирует службу технического надзора, обеспечивая ее
проектной и необходимой нормативной документацией, а также
контрольноизмерительными приборами и инструментами.
В случаях, предусмотренных законодательством, разработчик
проектной документации ведет авторский надзор за строитель
ством.
Органы государственного контроля выполняют оценку соответ
ствия процесса строительства и возводимого объекта требованиям
законодательства, технических регламентов, проектной и норматив
ной документации, назначенным из условия обеспечения безопас
ности объекта в процессе строительства и после ввода его в эксплуа
тацию в соответствии с действующим законодательством.
Контроль качества возведения земляных сооружений. В процессе
производства земляных работ организуют систематический техни
ческий контроль их качества. Систематические контрольные наблю
дения ведут строительная организации (подрядчик), представители
технического надзора заказчика и организации, инспектирующие
строительство.
Непосредственный контроль плотности и влажности грунта, уло
женного в земляное сооружение, проводит полевая грунтовая лабо
ратория.
280
В результате наблюдений устанавливают соответствие проводи
мых работ проектной документации и соблюдение требований тех
нических условий, а также действующих нормативных документов.
Кроме технического контроля качества работ, выполняемого стро
ительной организацией, представители технического надзора заказ
чика проводят освидетельствование скрытых работ и промежуточную
приемку законченных частей земляного сооружения.
При освидетельствовании скрытых работ определяют их объем и
качество, а также соответствие проекту и техническим условиям или
действующим нормативным документам.
Контроль качества земляного сооружения включает:
– проверку соответствия основания земляного сооружения тре
бованиям проектов технического или производства работ;
– предварительное обследование грунтов, предназначенных для
отсыпки насыпей;
– текущее наблюдение за качеством работ по укладке и уплотне
нию грунтов.
Общее число проб грунта, отбираемых в карьерах, выемках, ре
зервах и насыпях, должно обеспечивать полноту контроля. Отбира
ют не менее одной пробы на каждые 100 м3 разработанного или уло
женного в насыпь грунта.
Недостаточно уплотненные участки насыпи, плотины, дамбы и
других земляных сооружений подлежат дополнительному уплотнению.
Качество работ в процессе возведения насыпей на болотах (с за
несением результатов наблюдений в журнал работ) контролируют:
– после подготовки основания насыпи (корчевки пней, устрой
ства прорезей, выторфовывания);
– после засыпки траншей для выторфовывания;
– перед удалением торфа изпод насыпи и после погружения его
на минеральное дно;
– при рабочем движении транспорта по дорожным насыпям.
При возведении насыпных плотин и дамб контролируют:
– качество грунта в карьерах и резервах и правильность их разра
ботки;
– качество грунта и материалов, укладываемых в различные элемен
ты сооружений (основное тело, экран, ядро, дренажные устройства);
– правильность организации производства работ и технологии
укладки грунта в сооружение.
281
Критерием, определяющим качество выполненных работ по воз
ведению насыпей из однородного материала в основной части про
филя, земляных плотин, дамб и других сооружений, служит дости
жение проектной плотности уложенного грунта, равной плотности
его скелета.
При возведении плотин из песчаных и гравелистогалечных грун
тов к основным контрольным характеристикам относится также гра
нулометрический состав грунта.
Плотность скелета грунта, уложенного в сооружения, определяют:
– для глинистых и песчаных грунтов — отбором проб уложенно
го грунта с ненарушенной структурой металлическими цилиндрами
с определением их массы и влажности;
– для гравелистогалечных и мелкозернистых грунтов с включе
нием крупных фракций — отбором проб с нарушенной структурой
из шурфа, с последующим замером его объема и определением мас
сы вынутой пробы и влажности грунта.
Необходимость более полного исследования свойств укладыва
eмoгo и уплотняемого грунта (определение коэффициента фильтра
ции, сопротивления грунта сдвигу и его сжимаемости) отражается в
проекте сооружения.
Контрольные пробы отбирают равномерно по всему сооружению,
а также в местах, где можно ожидать пониженную плотность грунта.
Места отбора проб грунта в плане и по высоте сооружения распре
деляют также равномерно, чтобы была возможность проверить сте
пень уплотнения всех слоев грунта в различных частях сооружения.
Производственный контроль качества включает входной, опера
ционный и приемочный. Данные о результатах всех видов контроля
заносят в журналы работ.
Входному контролю подвергают строительные материалы, посту
пающие на строительство. Входной контроль, как правило, прово
дит лаборатория, выполняющая испытания материалов или полу
фабрикатов.
Производители работ (мастера) обязаны проверить визуально
соответствие качества поступающих материалов и изделий на месте
укладки или монтажа требованиям рабочих чертежей, технических
условий и стандартов.
Операционный контроль проходят завершенные производствен
ные операции или строительные процессы, что позволяет своевремен
282
но выявлять дефекты и причины их возникновения и принимать меры
к их устранению и предупреждению. При этом контроле проверяют
соблюдение заданной в ППР технологии и соответствие выполняе
мых работ рабочим чертежам, строительным нормам и правилам и
стандартам. Операционный контроль выполняют производители ра
бот и мастера с привлечением лабораторий и геодезических служб.
Основными рабочими документами являются схемы операцион
ного контроля, входящие в ППР и содержащие:
– эскизы конструкций с указанием допускаемых отклонений в
размерах и требуемой точности измерений, а также сведения по не
обходимым характеристикам качества материалов;
– перечень операций или процессов, качество выполнения ко
торых должен проверять производитель работ (мастер);
– данные о составе, сроках и указания о способах контроля;
– перечень операций или процессов, контролируемых с участи
ем лаборатории и геодезической службы;
– перечень скрытых работ, подлежащих освидетельствованию с
составлением акта.
В железнодорожном строительстве качество работ зависит от свое
временности, тщательности производства, добротности закрепления
и обеспечения сохранности разбивочных работ.
Содержание земляного полотна при его возведении. Содержание
земляного полотна и защитных и укрепительных устройств осуще
ствляют:
– в процессе сооружения до сдачи земляного полотна под уклад
ку пути генподрядчику — силами организаций, производящих зем
ляные работы или строительство защитных и укрепительных соору
жений;
– при рабочем движении поездов — силами строительных под
разделений генподрядной организации;
Содержание земляного полотна предусматривает:
– надзор за его состоянием с целью своевременного обнаруже
ния признаков нарушения устойчивости его элементов;
– ликвидацию повреждений и предупреждение развития возни
кающих деформаций;
– установление несоответствия проектных решений условиям ра
боты земляного полотна, оперативное назначение и осуществление
мероприятий по его усилению.
283
При сооружении земляного полотна постоянный надзор осуще
ствляют мастера, прорабы, старшие прорабы и главный инженер
строительной организации. Надзору подлежат:
– постоянные и временные водоотводы; откосы выемок и приле
гающие к ним природные склоны с целью своевременного обнаруже
ния трещин или других признаков смещений, с установкой (при необ
ходимости) маяков и марок для наблюдения за развитием подвижек;
– участки местности в районах насыпей на болотах, вечномерз
лых грунтах и слабых основаниях с целью обнаружения выпоров ос
нования, образования застойных мест воды у подошвы и т.д.;
– основная площадка земляного полотна с целью установления
сохранности проектных очертаний и отсутствия повреждений;
– объекты и элементы земляного полотна, защитных и укрепи
тельных устройств в неблагоприятных инженерногеологических ус
ловиях (наледных, просадочных, подтопляемых и др.) с целью уста
новления эффективности укрепительных и защитных мероприятий.
К работам по текущему содержанию земляного полотна при его
сооружении относятся:
– ликвидация перемычек и мест застоев воды в кюветах и канавах,
а также на основной и запасной площадках, у подошвы насыпей;
– заделка промоин и эрозионных разрушений откосов;
– ликвидация неровностей на основной площадке;
– уборка сплывшего с откоса грунта в выемках;
– отвод источников воды;
– укрепление размываемых мест;
– заделка трещин грунтом, однородным с грунтами земляного по
лотна.
Для выполнения всех перечисленных работ по текущему содер
жанию земляного полотна при его сооружении и временных земле
возных дорог на фронте работы мехколонны формируют комплект
машин в составе автогрейдера, экскаваторапланировщика соответ
ствующего типа с учетом региональных особенностей.
На участках при сооружении земляного полотна в сложных при
родных условиях порядок постоянного надзора и наблюдений, как
правило, устанавливается проектом.
Приемка земляного полотна. Приемку земляного полотна под ук
ладку пути производит строительная организациягенподрядчик со
284
вместно с представителем заказчика в соответствии с установлен
ными положениями соответствующих СНиП.
При приемке выемок и насыпей проверяют:
– правильность расположения сооружений в плане и nрофиле, а
также геометрические размеры сооружений;
– укрепление откосов;
– степень уплотнения грунта;
– состояние участков, подлежащих рекультивации;
– состояние охранной зоны в районах со сложными природны
ми условиями (нарушение мохоторфяного или растительного по
крова, срубка кустарника и леса и др.);
– наличие актов на скрытые работы, а также устанавливающих
соблюдение проектных требований к качеству грунтов в насыпях, в
том числе возводимых в зимний период.
Промежуточной приемке с составлением актов на скрытые рабо
ты подлежат:
– основания насыпей в части срезки растительного слоя, корчев
ки пней в необходимых случаях, срезки слабого грунта или вытор
фовки, уборки снега и наледи зимой и другие, предусмотренные про
ектом (укладка «Дорнита» в основании и т.д.);
– замена грунта в основаниях выемок и нулевых местах;
– выполнение мероприятий, предусмотренных проектообеспече
нием устойчивости земляного полотна объектов индивидуального
проектирования;
– нарезка уступов, засыпка кюветов и другие работы при соору
жении земляного полотна второго пути;
– планировка поверхности и обеспечение уклонов нижнего слоя
насыпи, отсыпанного из глинистого грунта, в случае возведения верх
ней части насыпи из дренирующего грунта;
– подготовка карьеров к разработке.
Работы по устройству дренажей принимают по мере готовности
отдельных элементов дренажа как скрытые работы. Кроме того, обя
зательна приемка дренажа в целом.
В акте приемки дренажа отмечают состояние отдельных его эле
ментов и дают характеристику заполнителя.
К акту прикладывают инженерногеологические разрезы, план
дренажной системы с показанием выпусков.
285
Содержание земляного полотна в эксплуатационный период. Ответ
ственной задачей является содержание готового земляного полотна
в исправном состоянии. Во время сооружения верхнего строения
пути и рабочего движения эту работу выполняет штат строительного
управления или строительномонтажного поезда. Все принимаемые
в эксплуатацию участки своевременно обеспечивают необходимы
ми техническими средствами.
Основа текущего содержания земляного полотна — предотвра
щение появления деформаций и своевременное устранение причин
их возникновения.
До укладки путевой решетки и балластировки пути особое вни
мание уделяют грунтам основной площадки. Недопустима засыпка
впадин и ям песком, если насыпь отсыпана из глинистых грунтов,
так как это ведет к образованию очагов сбора воды, будет способ
ствовать быстрой потере прочности грунтов основной площадки и
появлению пучин в зимнее время.
Обочины поддерживают в состоянии, при котором обеспечива
ется беспрепятственный отвод воды с основной площадки. Недопу
стимо использование грунта обочин и откосов земляного полотна
для выправления просадок и перекосов пути.
Очень важно своевременно заделывать трещины отрыва, которые
появляются вдоль откосов, в начальный период подвижек грунта, а
также морозобойные и усадочные трещины на обочинах и откосах.
Для предотвращения попадания влаги в трещины и их дальнейше
го развития трещины предварительно расчищают на доступную для
лопаты глубину, после чего забивают грунтом, однородным с грунтом
откоса или менее водопроницаемым, и тщательно утрамбовывают.
В процессе производства путевых работ, установки опор контакт
ной сети, километровых, пикетных и других знаков нельзя допус
кать повреждения откосов земляного полотна. Все повреждения
(впадины, сплывы, размывы) устраняют, чтобы предотвратить поте
рю устойчивости и сплывы откосов в больших размерах.
Наибольшее число повреждений откосов наблюдается весной,
осенью и в период дождей. Признаками неустойчивого состояния
земляного полотна являются срывы грунта на откосах насыпей и
выемок, отслаивания и трещины дернового покрова.
Если сползание или размыв грунта откосов произошел на неболь
шой площади (до 10 м2), то весь сползший или размытый грунт уби
286
рают, на поврежденном участке делают уступы, досыпают откос грун
том, однородным с грунтом насыпи, тщательно уплотняют и вос
станавливают поврежденное укрепление. В случае более значитель
ных деформаций в нижней части откоса не только удаляют сплыв
ший грунт, но и уполаживают откос.
Чтобы своевременно предотвратить опасные деформации, за раз
витием трещин на бермах и откосах земляного полотна устанавли
вают специальные наблюдения с фиксированием их размеров, по
ложения в плане, расстояния от ближайшего рельса, с установкой
маяков, вешек и закреплением створов.
На откосах скальных выемок система трещин указывает на воз
можность обвалов. Наиболее опасны наклонные трещины, направ
ленные к подошве откоса, по которым может произойти откол от
дельных блоков скалы.
На болотах нельзя допускать скопления воды у основания насы
пей. При необходимости дополнительно устраивают поперечные
канавы с выводом их в продольные водоотводы, которые своевре
менно восстанавливают, если они заилены.
Очистку заиленных и оплывших кюветов, водоотводных и нагор
ных канав начинают с выходного конца, с восстановлением проект
ных продольных уклонов и поперечных размеров; выполняют ее уни
версальными экскаваторами.
После укладки пути кюветы в случае больших объемов работ иног
да очищают путевым стругом; при этом неизбежны повреждения
дернового покрова откоса и его подрезка, что является существен
ным недостатком данного способа.
Срезанный в кюветах грунт нельзя оставлять на откосах выемок;
его удаляют за их пределы. Необходимо также немедленно восста
навливать нарушенное крепление откосов выемок и кюветов.
В связи с тем что поврежденный дерновый покров быстро вос
становить можно только таким трудоемким методом, как ручная
одерновка, по возможности избегают применения механизирован
ных способов очистки кюветов, сопровождаемых повреждением дер
нового покрова откосов.
Поврежденные участки откосов и водоотводных канав, укреплен
ных бетонными и железобетонными плитами, полутрубами и дру
гими конструкциями, немедленно исправляют, железобетонные лот
ки очищают от ила и попавшего в них грунта.
287
Особенности содержания деформирующихся и неустойчивых уча
стков земляного полотна состоят в следующем.
Участки железнодорожного пути, подверженного периодическим
деформациям в виде пучин, наледей, весенних просадок, снежных
лавин, обвалов и других деформаций, учитывают как неустойчивые,
с определением режима эксплуатации пути в период активизации
этих деформаций, с разработкой в необходимых случаях местных
инструкций, утверждаемых начальниками дистанций пути.
В ходе восстановительных работ (рис. 3.65) обеспечивают отве
дение воды из пониженных мест и поврежденных канав, кюветов,
Рис. 3.65. Схема оперативного восстановления насыпи высотой Н = 3…8 м после
размыва (двусторонняя, двухлучевая организация работ): I этап — перемещение
грунта в тело насыпи бульдозерами (1—3 — очередность выгрузки думпкаров)
288
дренажей, а также не допускают загромождение подмостовых отвер
стий и оголовков труб.
На участки земляного полотна, находящиеся в сложных инже
нерногеологических условиях, где обычные типовые конструкции
насыпей и выемок, способы их защиты и укрепительные мероприя
тия оказываются недостаточными для обеспечения эксплуатацион
ной надежности пути, в процессе индивидуального проектирования
разрабатывают дополнительные защитные мероприятия.
Инженерногеологические базы и путеобследовательские стан
ции ведут за такими участками земляного полотна постоянное на
блюдение и систематический текущий надзор.
Глава 4. СТРОИТЕЛЬНОМОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ
ПРИ ВОЗВЕДЕНИИ ОБЪЕКТОВ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
4.1. Строительномонтажные работы при возведении малых
водопропускных сооружений
4.1.1. Общие сведения
Малые водопропускные сооружения — мосты длиной до 25 м и
трубы — относятся к числу массовых объектов железнодорожного
строительства. Количество малых водопропускных сооружений на
1 км пути зависит от формы рельефа местности. Так, для железных
дорог Урала и Восточной Сибири количество малых мостов (чис#
литель) и труб (знаменатель) составляют: при равнинном рельефе
0,1/0,24, при холмистом — 0,14/0,53, при горном рельефе 0,21/
/0,9 штук/км, а доля их от общего числа водопропускных сооруже#
ний — 26/58, 18/74,6 и 15,5/79,5 % соответственно.
В сумме малые мосты и трубы составляют от 84 до 95 % от общего
числа водопропускных сооружений. Возводят малые мосты и трубы по
типовым проектам из конструкций заводского изготовления. Наиболь#
шее распространение получили сборные железобетонные мосты эста#
кадного типа с опорами на рамном или свайном основании с типовы#
ми пролетами длиной 2,95; 4,00; 5,00; 6,00; 9,30; 11,50; 13,50; 16,50 м из
обычного и преднапряженного железобетона; круглые сборные желе#
зобетонные трубы отверстиями 1,0; 1,5 и 2,0 м в одно#, двух# и трехоч#
ковом исполнении; прямоугольные сборные железобетонные трубы
отверстиями 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0 м в одно# и двухочковом исполнении;
прямоугольные бетонные трубы отверстиями 2, 3, 4, 5 и 6 м; гофриро#
ванные металлические трубы отверстиями 1,0; 1,5; 2,0 и 3,0 м.
Труба состоит из входного оголовка, тела трубы и выходного ого#
ловка (рис. 4.1). И оголовки, и тело трубы монтируют из отдельных
блоков. Фундаменты бывают трех типов. На прочных основаниях,
290
Рис. 4.1. Сборные железобетонные трубы: а — круглая; б — прямоугольная;
1 — портальная стенка оголовка; 2 — звенья; 3 — коническое звено; 4 — откос#
ное крыло оголовка; 5 — фундаментные плиты оголовка; 6 — щебеночная под#
готовка; 7 — блоки фундамента; 8 — лекальные блоки; 9 — плиты фундамента;
10 — лоток
например скальных, применяют фундаменты 1#го типа, состоящие
только из лекальных блоков (для круглых труб) или плит (для пря#
моугольных труб). На сравнительно слабых основаниях устраивают
фундаменты из монолитного бетона (3#й тип). В прочих условиях
применяют фундаменты 2#го типа, отличающиеся от фундаментов
1#го типа дополнительным нижним рядом прямоугольных блоков.
Фундамент под оголовками устраивают на большую глубину.
Труба состоит из звеньев длиной 1 м и блоков оголовков. Масса
монтажных элементов типовых железобетонных труб: блоков фун#
даментов 0,75…4 т, звеньев круглых 0,9…4,2 т, прямоугольных
3,5…10,3 т, частей оголовков 2,4…6,9 т. Фундаментные блоки укла#
дывают краном на слой щебеночной (песчано#гравийной) подготов#
ки толщиной 0,10…0,20 м.
Металлические бесфундаментные трубы монтируют из гофрирован#
ных элементов заводского изготовления, выпускаемых в обычном и
северном исполнении. Элементы из стали толщиной 1,5…2,5 мм име#
ют гофры (гребни) высотой 32,5 мм с шагом 130,0 мм. С помощью бол#
тов элементы объединяют в звенья. Для защиты от коррозии элементы
труб покрывают слоем цинка и специальными битумными мастиками
291
или полимерными эмалями. Укладывают трубы на песчаную или пес
чаногравийную подушку толщиной не менее 0,40 м с размером частиц
не крупнее 50 мм. Гофрированные трубы устраиваются, как правило, без
оголовков. На концевых участках трубы размещают противофильтра
ционные подрусловые экраны — водонепроницаемые перемычки из
глинистого грунта, глинощебня, бетона и других материалов.
Малые мосты при высоте насыпи до 8 м в южных и средних райо
нах страны чаще сооружают на свайных (рис. 4.2, а) или стоечных
(рис. 4.2, б) опорах. Стоечные опоры устраивают там, где грунты не
позволяют вести забивку свай. Сваи и стойки имеют квадратное се
чение 35 × 35 или 40 × 40 см. Промежуточные опоры сооружают из
4 или 6 свай (стоек), устои — на две сваи (стойки) больше. Вверху
сваи (стойки) объединяют насадкой. Внизу стойки устанавливают
в фундаментные стаканы, опирающиеся на фундаментные плиты.
На насадки устоев устанавливают шкафные блоки, а на насадки про
межуточных опор, если на них опираются пролетные строения раз
ной высоты, — подферменники.
Рис. 4.2. Сборные железобетонные мосты: 1 — сваи (стойки); 2 — насадка
устоя; 3 — шкафной блок; 4 — пролетное строение; 5 — переходный подфер
менник; 6 — насадка промежуточной опоры; 7 — фундаментный стакан;
8 — фундаментная плита
В насыпях высотой более 8 м для малых мостов применяют сбор
ные опоры из блоков и сборномонолитные (массивносборные)
опоры. Блочные опоры могут быть из мелких, крупных и пустотелых
бетонных или железобетонных блоков.
Сборномонолитные опоры (рис. 4.3) собираются из Гобразных
блоков. Блоки по периметру опоры укладывают с перевязкой верти
кальных швов. Пространство внутри опоры заполняют раствором
бетона. Для лучшей связки заполнителя со стенками опоры блоки
имеют специальные выступы.
292
Рис. 4.3. Мост на сборномонолитных опорах: а — общая схема; б — сборно
монолитный устой; 1 — сборный или монолитный фундамент; 2 — устой;
3 — пролетные строения; 4 — промежуточная опора; 5 — фундамент опоры;
6 — блок; 7 — бетон замоноличивания стыков шкафной коробки; 8 — блок шар
нира; 9 — блоки тела опоры; 10 — шкафная коробка; 11 — подферменник;
12 — бетон заполнения; 13 — фундамент устоя
Конструкции малых сборных железобетонных мостов на свайных
и стоечных опорах, устраиваемых при строительстве вторых путей,
такие же, как и на новых линиях.
Большое разнообразие существующих на железных дорогах водо
пропускных труб вызывает определенные трудности при строитель
стве вторых путей. Однако удлинение существующих труб произво
дится, как правило, типовыми конструкциями круглых или прямо
угольных железобетонных труб (рис. 4.4). Лишь сопряжение удлине
ния со старой трубой выполняют по индивидуальному проекту.
Сооружение малых мостов и труб должно быть завершено до окон
чания земляных работ, чтобы мехколонны земляных работ вместе с
293
Рис. 4.4. Удлинение двухочковой круглой трубы со стороны входного оголовка:
1 — заборная стенка ограждения; 2 — стенка ограждения из стального шпунта;
3 — оклеечная гидроизоляция с защитным слоем; 4 — новый входной оголовок;
5 — разбираемые стенки и портал существующего оголовка; 6 — новые железо"
бетонные звенья трубы; 7 — фундамент существующего оголовка; 8 — лекаль"
ные блоки; 9 — новый фундамент из бетонных блоков; 10 — щебеночная под"
готовка; 11 — доски, промазанные битумом
294
основными работами засыпали устои, отсыпали конуса мостов и на#
сыпей над трубами. Возводят малые мосты и трубы поточным мето#
дом силами и средствами специализированных подразделений.
Комплекс работ по строительству водопропускных сооружений
включает: подготовительные работы, устройство котлованов, подго#
товку оснований под фундаменты, устройство фундаментов, монтаж
опор мостов или тела труб, установку пролетных строений, устрой#
ство дренажа за устоями моста, гидроизоляцию, засыпку устоев дре#
нирующим грунтом, укрепление русел и конусов мостов.
До начала сооружения мостов и труб проектная организация закреп#
ляет в натуре и сдает по акту строительной организации в присутствии
заказчика точку пересечения оси насыпи и продольной оси трубы, не#
обходимое число створных знаков, закрепляющих продольные оси тру#
бы и моста и высотный репер (рис. 4.5). Строительная организация рас#
чищает и планирует строительную площадку, устраивает водоотводы и
подъезды, завозит и размещает материалы по заранее разработанному
Рис. 4.5. Разбивка главных осей трубы: 1 — обноска; 2 — точка и сторожок;
3 — выносные колья; 4 — репер
и вычерченному в масштабе 1:500 или 1:200 плану строительной площад#
ки. План строительной площадки (рис. 4.6) составляют на основе реше#
ний, принятых в типовом проекте производства работ.
От оси трубы намечают и закрепляют металлическими стержня#
ми контур котлована. В зависимости от объемов работ, характера
грунтов, формы котлована и других местных условий разработку
грунтов в котловане предусматривают: бульдозерами, гидравличес#
кими экскаваторами «обратная лопата» с ковшом емкостью
0,15…0,65 м3 или кранами с грейферным оборудованием. При рытье
295
Рис. 4.6. Строительная площадка трубы: 1—4 — склады ж.б. конструкций
трубы; 5 — контейнер с цементом; 6 — бетоносмеситель; 7 — бак для воды;
8 — электростанция; 9 — склад песка; 10 — склад щебня
котлованов под водой и в неустойчивых водонасыщенных грунтах ус
траивают грунтовые перемычки, бездонные ящики или шпунтовые
ограждения с водоотливом. Верх шпунтового ограждения должен
быть на 0,2…0,4 м выше максимального уровня грунтовых вод, а для
русловых опор — на 0,7 м выше принятого рабочего горизонта воды
в реке. Зимой при естественном замораживании грунтов допускает
ся разработка котлованов глубиной до 4 м без крепления. Котлова
ны разрабатывают с недобором до проектных отметок на 10...20 см.
Окончательную зачистку дна котлована производят вручную непос
редственно перед монтажом фундамента. Котлованы длиной более
20 м в неустойчивых грунтах и при наличии грунтовых вод разраба
тывают посекционно. Дно котлована в продольном направлении под
блочный фундамент трубы планируют по дуге окружности. При этом
величина строительного подъема зависит от вида грунта и высоты
насыпи. Строительный подъем по оси насыпи для оснований из су
песи, суглинка и глин принимают равным 1/40, а при песчаных и гра
вийных грунтах — 1/80 высоты насыпи. После приемки котлована ус
траивают щебеночную подготовку. Щебень завозят автосамосвала
ми и выгружают в бадьи, а затем краном в котлован слоем толщиной
10 см и уплотняют пневмотрамбовками. Отметки верха щебня про
веряют нивелиром. Разравнивают щебень вручную лопатами.
296
4.1.2. Монтаж железобетонных труб
До начала монтажных работ на расстоянии 1 м от котлована уст#
раивают обноску из досок и брусьев, обозначая на ней ось трубы, кон#
туры фундамента и другие размеры.
Монтаж труб начинают (рис. 4.7) с монтажа фундамента в направ#
лении от выходного к входному оголовку. Вначале укладывают кра#
ном нижний ряд блоков фундамента оголовков до уровня подошвы
Рис. 4.7. График технологического процесса строительства круглой железобе#
тонной трубы отверстием 1,5 м на сборном фундаменте (над чертой указана
численность рабочих, под ней — время работы в часах)
297
фундамента тела трубы. Затем заполняют песчаногравийной смесью
и заливают цементным раствором скосы мелкой части котлована с
более глубокой. Блоки верхней части фундамента укладывают ряда
ми. При секционной разработке котлована монтаж фундамента ве
дут на всю высоту в пределах секции. Очищенные от грязи блоки ук
ладывают на слой цементного раствора марки не ниже 150 толщиной
1...2 см. Отклонение в рядах по высоте не должны превышать 5 мм.
Вертикальные швы между блоками заливают раствором. В процессе
монтажа проверяют горизонтальность рядов в пределах секции и ук
лон трубы. Засыпку пазух котлована производят после приемки фун
дамента и ведут слоями толщиной 15...20 см с тщательным уплотне
нием грунта в каждом слое электротрамбовками. Монтаж фунда
ментов труб на косогорных участках выполняют секциями длиной по
3...4 м, начиная с фундамента выходного оголовка.
Монтаж оголовков и тела трубы начинают с выходного оголовка.
Вначале устанавливают его блоки. При установке портальных стенок
и откосных крыльев оголовка используют расчалки или инвентарные
подкосы. Затем монтируют звенья трубы, используя специальные хо
муты или скобы. Круглые звенья устанавливают на лекальные блоки.
Для обеспечения необходимого зазора 2 см звенья укладывают на де
ревянные клинья. Раствор с осадкой конуса 11...13 см сначала укла
дывают и уплотняют с одной стороны звена, добиваясь появления его
с другой стороны. Недостающее количество раствора дополняют.
При укладке звеньев прямоугольных труб обеспечивают их плот
ное опирание на фундаментные плиты. Нельзя подбивать или под
клинивать звенья щебнем. Это может привести к повреждению и
даже к разрушению звеньев. Между звеньями труб оставляют швы
шириной 1 см, а между секциями (34 звена) — 3 см. Мешающие мон
тажные петли срезают автогеном. Срубать и загибать петли запре
щается.
Швы между звеньями заполняют паклей, пропитанной битумом.
А затем все швы, кроме деформационных, с внутренней стороны за
полняют цементным раствором марки 300. С наружной стороны их
заливают битумом. Перед гидроизоляцией очищают поверхность
трубы.
В качестве оклеечной гидроизоляции применяют ткань, пропитанную
битумом, или стеклосетку, два слоя которой укладывают на слой го
рячей битумной мастики и ею же покрывают уложенные слои сверху.
298
Обмазочная гидроизоляция состоит из двух слоев горячей или хо#
лодной битумной мастики толщиной 1,5...3 мм. Ее наносят на заг#
рунтованную лаком поверхность трубы. При производстве работ в
зимнее время применяют внутренний обогрев трубы. Торцы трубы
закрывают щитами, а ее наружную поверхность утепляют.
Смонтированную трубу засыпают грунтом. Высота засыпки дол#
жна быть на 0,5 м выше трубы, а ширина поверху — равна ширине
блока трубы, крутизна откосов — не более 1:1. Засыпку ведут слоя#
ми с уплотнением грунта электротрамбовками и катками на пневмо#
шинах. В зимнее время толщину засыпки над трубой увеличивают до
1 м и ведут ее талым, а лучше дренирующим грунтом. При этом сле#
дят, чтобы в грунт засыпки не попали крупные камни, мерзлые ко#
мья грунта, льдины и снег.
Укрепительные и отделочные работы выполняют после отсыпки
земляного полотна до проектных отметок в соответствии с проектом.
Работы по монтажу трубы ведет поточным способом комплексная
бригада, состоящая из 3 звеньев по 4 человека. Первое звено выпол#
няет подготовительные и земляные работы, второе — монтажные,
третье — гидроизоляционные и засыпку трубы грунтом. Члены бри#
гады должны владеть несколькими профессиями.
Средства механизации — бульдозеры, самоходные стреловые кра#
ны грузоподъемностью до 15 т, бетоносмесители емкостью до 100 л,
передвижные электростанции мощностью до 8 кВт, автомобили, на#
сосные установки, передвижные агрегаты для разогрева битума, виб#
раторы и электротрамбовки, катки и др.
4.1.3. Монтаж металлических водопропускных труб
По спланированному и зачищенному дну котлована отсыпают и
уплотняют песчаную подушку шириной на 1 м превышающей диа#
метр трубы и толщиной не менее 0,4 м, (рис. 4.8). Песок из автоса#
Рис. 4.8. Отсыпка подушки под металлическую трубу: а — в два этапа; б — с пред#
варительным устройством ложа; в — с отсыпкой нулевого слоя; 1 — часть подуш#
ки, отсыпанная до укладки трубы; 2 — то же после укладки; 3 — нулевой слой
299
мосвалов выгружают в котлован, планируют бульдозером и уплотня
ют катками или гружеными автосамосвалами. В процессе сооруже
ния подушки создают необходимый строительный подъем лотка тру
бы. После подготовки основания устраивают противофильтрацион
ные экраны под крайними звеньями трубы длиной 2,8 м. Толщина и
ширина экранов должна соответствовать размерам подушки. Для об
разования экранов основание под крайними звеньями разрыхляют,
добавляют цемент, тщательно перемешивают и уплотняют вручную
трамбовками. Затем производят окончательную планировку основа
ния и, пользуясь обноской, натягивают по оси трубы шнур.
Монтируют трубу из отдельных элементов или после предвари
тельной сборки секций, выполняемой либо на централизованной
сборочной базе, либо на месте строительства трубы. Длина секций
определяется возможностями имеющегося в наличии транспорта.
При погрузке и разгрузке элементов и секций трубы пользуются
пеньковыми канатами, а при стальных стропах — прокладками из
брезента, предотвращающими повреждения покрытия. Запрещает
ся цеплять элементы крюками стропов через имеющиеся отверстия,
сбрасывать с высоты пакеты и секции.
При сборке трубы из отдельных элементов, имеющих три стандарт
ных элемента в звене, сначала укладывают по оси трубы нижние эле
менты на длину секции или трубы, соединяя их 34 болтами. Про
дольные швы четных звеньев должны находиться на одной линии, а
нечетных — на другой. Затем монтируют два других элемента звена
также на 34 болта посередине продольного шва. Центровку отвер
стий выполняют ломиками, вставляя их в рядом расположенные от
верстия. Через три звена от собираемого ставят и затягивают все бол
ты. При сборке труб большого диаметра для временного крепления
элементов применяют поперечные стяжки.
При предварительной сборке секций из звеньев элементы устанав
ливают в вертикальные положения и соединяют между собой 34
болтами. Собранные звенья соединяют по три, а трехзвенные секции
связывают одним промежуточным звеном, получая семизвенную
монтажную секцию или плеть. Секции трубы краном устанавлива
ют на спрофилированное основание на деревянные подкладки так,
чтобы продольные швы соединяемых торцов секций имели одина
300
ковый нахлест и были расположены на одном уровне. Расстояние
между торцами секций должно быть равно полезной ширине элемен#
та — 910 мм. Затем секции соединяют между собой стандартными
соединительными элементами. Стыки выполняют внахлестку так же,
как при объединении звеньев.
Для придания жесткости по концам трубы устанавливают окайм#
ляющие уголки 40 × 40 × 4 мм длиной 4,7 м, которые крепят к звень#
ям болтами.
По завершении проверки качества монтажных работ и очистки
поверхности трубы устраивают дополнительное гидроизоляционное
покрытие из битумных мастик. На покрытие 1 м2 поверхности рас#
ходуется 0,3...0,4 кг битумного лака и 2...3 кг мастики. Грунтовку ла#
ком производят краскораспылителем, избегая сгустков, подтеков и
пузырей. Не позднее суток наносят слой битумной мастики толщи#
ной 2 мм при помощи передвижной битумной установки. Качество
гидроизоляционных работ оформляется актом. После устранения
недостатков, но не позднее 3 суток засыпают трубу грунтом. Гофри#
рованные металлические трубы засыпают песчаным и крупноблоч#
ным грунтом с размером частиц до 50 мм. Засыпку на высоту 0,5 м
над верхом трубы устраивают одновременно с обеих сторон одина#
ковыми слоями с тщательным уплотнением каждого слоя. Уплотня#
ют грунт машиной виброударного действия. Для лучшего уплотне#
ния грунта вблизи трубы отсыпку ведут наклонными слоями. При
высоте засыпки над верхом трубы 0,5 м нагрузка от машин, прохо#
дящих над трубой, не должна превышать 98 кН, при высоте засыпки
0,8 м — 108—196 кН.
Нормативное время на сборку секций из отдельных элементов —
4,8 чел.#ч на 1 м трубы, на укладку секций на деревянные проклад#
ки — 1,26 чел.#ч на 1 секцию, на сборку трубы из секций — 6,5 чел.#ч
на 1 стык, на установку окаймляющего уголка — 1,4 чел.#ч на 1 ого#
ловок, на устройство дополнительного защитного слоя битумной ма#
стикой — 0,3 чел.#ч на 1 м2 поверхности трубы, на устройство про#
тивофильтрационного экрана — 0,99 чел.#ч на 1 м3.
Для устройства одной трубы диаметром 1,5 м и длиной 26,5 м
потребуется 7 ч, включая разбивочные и подготовительные работы
(рис. 4.9).
301
Рис. 4.9. График сооружения водопропускной трубы диаметром 1,5 м, длиной
26,5 м из гофрированной стали (над чертой — численность рабочих, под чер#
той — время работы в часах)
4.1.4. Возведение сборных железобетонных мостов
При оборудовании строительной площадки для строительства
сборных железобетонных мостов дополнительно описанному в
п. 4.1.1 необходимо обеспечить работу сваебойного оборудования и
монтажных кранов для установки конструкций опор и пролетных
строений. С этой целью в русло водотока укладывают металлическую
трубу для пропуска воды, а над трубой устраивается насыпь для дви#
302
жения по ней самоходного копра, стреловых кранов и автомобилей
с блоками пролетных строений. Иногда русло водотока временно
переносят за пределы строящегося моста, а перед мостом устраива#
ют водонепроницаемую перемычку из глинистых грунтов.
Сооружение опор моста. При устройстве опор на свайном основа#
нии перед началом работ выполняют разбивку положения каждой
сваи. В соответствии с типовым проектом расстояние между осями
свай поперек моста равно 1,45 м (при трех сваях в ряду), а вдоль мо#
ста для промежуточных опор — 0,90 м, для устоев — 0,85 м.
Для обеспечения проектного положения свай в опоре моста при
забивке применяют инвентарные направляющие каркасы высотой от
2 до 4 м. Каркасы устанавливают на лежневое основание с гравий#
но#песчаной подушкой и закрепляют внизу деревянными сваями, а
вверху — оттяжками. Для забивки свай используют копры или навес#
ное копровое оборудование к экскаваторам, кранам, тракторам, ав#
томобилям.
Процесс погружения включает подтягивание сваи к копру при
повернутой стреле крана к месту складирования свай, подъем и
установку сваи на место забивки, забивку сваи и перемещение коп#
ра к месту забивки следующей сваи. Для повышения эффективнос#
ти копер на базе трактора или автомобильного крана перемещается
по оси моста, чтобы с одной стоянки (без лишней установки крана
на аутригеры) можно было забить хотя бы две сваи. Работу выполня#
ет бригада из 4 человек.
Сваи забивают в грунт до получения расчетного отказа — величи#
ны погружения от одного удара молота. В случае вибропогружения
расчетный отказ определяют по скорости заглубления свай.
При необходимости сваи наращивают. Перед устройством ро#
стверка верх свай выравнивают. Для выравнивания верхних концов
свай применяют пневматические бетономолы или отбойные молот#
ки. Арматуру железобетонных свай отгибают и к ней приваривают
или прикрепляют вязальной проволокой арматурные сетки или спи#
ральную арматуру.
Иногда котлован под ростверк отрывают после забивки свай экс#
каватором с узким ковшом, а крепление стенок котлована крепят
железобетонными плитами, которые омоноличивают с ростверком
опоры. Перед установкой насадки на сваи#стойки навешивают под#
мости с перилами и лестницами. Для временного опирания насадки
303
на сваях закрепляют хомуты, которые одновременно играют роль
опалубки стыка сваи с насадкой. Устанавливает насадку краном бри#
гада из 4 человек. После проверки и выправки положения стык омо#
ноличивают бетоном марки 400. По контуру насадки устраивают вре#
менное перильное ограждение.
Верхние ряды фундаментных плит в двухрядных фундаментах,
шкафные блоки устоев, переходные подферменники устанавливают
на слой цементного раствора толщиной 10 мм с обязательной раздел#
кой швов до схватывания раствора. Во время твердения бетона заби#
вать сваи на соседних опорах запрещается.
Опоры стоечного типа монтируют лишь после приемки фунда#
мента. Стойки краном устанавливают в гнезда фундаментных стака#
нов, временно раскрепляя их деревянными клиньями. Затем устанав#
ливают хомуты и кондуктор, проверяют положение стоек и омоно#
личивают стыки бетоном марки 400. На стойки устанавливают насад#
ки и также замоноличивают.
Возведение сборно#монолитной опоры следует начинать с тща#
тельной очистки, промывки и продувки бетонной поверхности фун#
дамента. Блоки опоры перед укладкой также должны быть очище#
ны от грязи и смочены водой. Контурные блоки укладывает с помо#
щью крана бригада из 5 человек насухо на металлические клинья.
Перед бетонированием внутренней полости опоры швы между бло#
ками законопачивают пеньковым канатом. Заполнение с виброуп#
лотнением полости опоры ведут жестким бетоном марки 150 с осад#
кой конуса до 2 см после укладки двух#трех очередных рядов бло#
ков. Бетон к опоре доставляют автосамосвалами, выгружают в ба#
дьи и краном подают в полость опоры. При двухъярусных опорах
между ярусами укладывают блоки#прокладники. Верх промежуточ#
ной опоры устраивают в виде двухблочного подферменника шири#
ной 400 см. Ширина верхнего яруса 300, нижнего — 360 см. Для ус#
тройства подмостей в горизонтальные швы опоры устанавливают
металлические анкеры. Подмости устраивают для расшивки швов и
зачеканки их раствором.
В условиях вечной мерзлоты для малых мостов хорошо зарекомен#
довали себя столбчатые опоры. Столбы диаметром 0,8 м заглубляют
в предварительно пробуренные скважины. Сваи сплошного сечения
удается забивать в пластичномерзлые глинистые грунты без твердых
включений с температурой не ниже –0,5 оС. При наличии в них до
304
20 % гальки, гравия или щебня сваи погружают бурозабивным спо
собом в скважины проектной глубины. Диаметр скважины прини
мают равным меньшей стороне призматической или диаметру ци
линдрической сваи и уточняют после забивки первых свай.
Диаметр скважин для столбчатых опор принимают на 15...20 см
больше максимального поперечного размера столбов. Время переры
ва между установкой столба и окончанием бурения скважины не дол
жно превышать 3 суток (при положительных температурах).
Затраты труда, чел.ч, на бурение скважин под столбчатые опоры
станком БС1М могут быть определены по формуле
Н
вр
= аh
сж
+ ∑b h
i сг(i )
,
где а — условно постоянная часть затрат труда, равная 5,07 чел.ч/м;
hсж — глубина скважины, м;
hсг(i) — толщина iго слоя грунта в скважине, м.
Значения bi для разных категорий трудности разработки грунта
соответственно равны: III — 5,7; IV — 8,7; V — 13,2; VI — 23,1; VII —
33,0 чел.ч/м.
Для установки столба диаметром 0,8 м в скважину звеном из 4 че
ловек потребуется 4,21 чел.ч и 0,712 маш.ч, а на установку сборного
ригеля бригадой из 7 человек — 8,69 чел.ч/м3 и 1,14 маш.ч/м3.
Установка железобетонных пролетных строений. Железобетонные
пролетные строения можно устанавливать на опоры стреловыми
пневмоколесными, гусеничными и железнодорожными кранами, а
также консольными железнодорожными кранами соответствующей
грузоподъемности. Масса блоков типовых железобетонных пролет
ных строений длиной до 16,5 м в зависимости от конструкции блока
(типовой проект № 557) достигает 49,2 и 68,0 т.
Габаритные электрифицированные консольные краны ГЭК50 и
ГЭК80 на железнодорожном ходу с максимальной грузоподъемно
стью 77 и 110 т соответственно смонтированы на трех платформах.
Для перемещения блока в проектное положение используют гидрав
лические домкраты и специальные приспособления. Эти краны по
зволяют устанавливать железобетонные блоки длиной 18 и 23 м со
ответственно. Максимальное давление на ось в рабочем положении
38,1 тс. Обслуживающий персонал — 5 человек.
Сборноразборный кран СРК50 на железнодорожном ходу пред
назначен для установки железобетонных блоков массой до 85 т и
305
длиной до 19 м. Кран передвигается с помощью автомобиля на ком#
бинированном ходу.
Габаритный электрифицированный поворотный консольный
кран на железнодорожном ходу ГЭПК#130У грузоподъемностью до
147 т может устанавливать блоки пролетных строений сразу на мес#
то, а также грузить блоки с соседнего пути, расположенного на рас#
стоянии до 5,3 м. Максимальное давление на ось 40 тс. Обслужива#
ющий персонал — 6 человек.
Дизель#электрический кран стреловой полноповоротный на же#
лезнодорожном ходу ЕДК#1000 грузоподъемностью до 125 т смонти#
рован на 8#осной платформе. Максимальный вылет стрелы 28 м,
минимальный — 7 м. Максимальное давление на ось 20 тс.
Масса железобетонных блоков малых мостов, наиболее часто
встречающихся на железных дорогах России, составляет (в скоб#
ках — длина пролета) 14,1 (6,00), 22,3 (9,30), 28,9 (11,50), 37,3 (13,50)
и 49,2 т (16,50 м).
Пролетные строения стреловыми кранами можно устанавливать
сбоку (с поля) и спереди. При установке сбоку для крана и транспорт#
ных средств устраивают специальную строительную площадку, несу#
щая способность которой должна быть не меньше 490 кПа для кра#
нов на пневмоколесном ходу и 196 кПа — для кранов на гусеничном
ходу. Блоки пролетных строений в зависимости от возможностей
имеющегося крана устанавливают одним или двумя кранами. Стро#
повку блоков выполняют с помощью стандартных и специальных
строп и траверс. При этом и стропы и траверсы должны быть рассчи#
таны с запасом: стропы — 6—8#, траверсы — 2#кратным.
Монтаж железобетонных балок пролетных строений начинают с
установки подвижных и неподвижных опорных частей на подфер#
менные площадки и выверки их положения; с подготовки балок к
монтажу, включающей очистку закладных деталей от наплывов бе#
тона, частичную правку болтов креплений тротуарных консолей,
установку временных подвесных подмостей для сварки диафрагм
балок при монтаже.
При установке балок консольными кранами путь должен быть
забалластирован и произведена его обкатка, обеспечивающая допу#
стимые деформации при нагрузке на ось в момент установки блока
до 441 кН. На однопутных участках подача блоков пролетных строе#
ний под стрелу консольного крана производится платформами из
306
тупикового пути, со свободного пути на ближайшей к мосту станции,
поперечной передвижкой с помощью гидравлических домкратов
(рис. 4.10). Перед строповкой блока кран должен быть переведен из
транспортного положения в рабочее. После строповки блок подни!
мают на высоту 5 см, проверяя надежность крепления. Затем, под!
няв блок на высоту 30...40 см, кран передвигают локомотивом к ме!
сту установки блока. На расстоянии 1 м от конца рельсового пути ус!
танавливают упоры. Точность остановки состава ±10 см, окончатель!
ная регулировка положения блока ведется ручными лебедками. В
момент опускания блока на опоры людям запрещается находиться на
блоке или под ним. После выверки положения блока его временно
закрепляют, а кран приводят в транспортное положение. Затем та!
ким же образом устанавливают второй блок.
После установки второго блока выполняют сварку закладных пла!
нок диафрагм электродуговой сваркой, а также сварку закладных
листов опирания балок к опорным частям, устройство опалубки и
омоноличивание диафрагм, заливку анкерных болтов крепления
опорных частей цементным раствором.
Следующее пролетное строение разрешается монтировать кон!
сольным краном после балластировки и укладки пути на предыду!
щем пролетном строении.
Рис. 4.10. Подача блоков пролетных строений под стрелу консольного крана:
а — на платформах из тупикового пути; б — со свободного пути; в — попереч!
ная передвижка под стрелу; 1 — консольный кран; 2 — блок; 3, 4 — оси желез!
нодорожных путей; 5 — платформы с блоками
307
Затем ведут установку металлических тротуарных консолей с
креплением их к пролетным строениям, сборку и установку периль#
ного ограждения и железобетонных тротуарных блоков при помощи
крана и ряд других работ.
Трехпролетный стоечно#эстакадный мост по схеме 6 + 9,3 + 6 м
может быть построен комплексной бригадой примерно за 11 рабо#
чих смен.
4.2. Транспортные здания и технология их возведения
4.2.1. Общая характеристика транспортных зданий
Под транспортными зданиями понимается комплекс технологи#
чески взаимосвязанных устройств и сооружений, размещаемых на
раздельных пунктах и призванных обеспечить грузовые и пассажир#
ские перевозки железных дорог.
Для удобства все производственные, служебно#технические и ад#
министративно#бытовые здания железнодорожных станций будем
называть транспортными зданиями.
Раздельные пункты железнодорожной линии имеют широкий
спектр деятельности – от транзитного безостановочного пропуска
поездов до их осмотра, экипировки, ремонта, формирования, рас#
формирования и т.д. В зависимости от названных факторов станции
делятся на участковые, промежуточные, сортировочные пассажир#
ские и грузовые.
Наиболее массовыми типами раздельных пунктов являются уча#
стковые и промежуточные станции. На этих станциях, кроме приема
и отправления поездов, производят осмотр, экипировку, ремонт под#
вижного состава, обслуживание пассажиров.
На станциях такого типа размещаются в зависимости от конкрет#
ных условий 40—80 зданий и сооружений, различных по геометри#
ческим размерам, объемно#планировочным решениям и материалам
исполнения. На промежуточных станциях, кроме пропуска без ос#
тановки пассажирских и грузовых поездов, осуществляются посад#
ка и высадка пассажиров, погрузка, выгрузка и хранение багажа и
других грузов, отцепка и прицепка вагонов, обслуживание подъезд#
ных путей, подача и уборка вагонов, взвешивание вагонов (при зна#
чительных размерах погрузки навалочных грузов), экипировка ма#
невровых локомотивов.
308
На таких станциях имеются пассажирские здания с платформа#
ми, складские помещения, здания служб локомотивного хозяйства,
связи и СЦБ, службы пути, энергоснабжения, водопровода и кана#
лизации, теплоснабжения. Как правило, на этих станциях сооружа#
ются поселки железнодорожников.
Участковые станции включают целый комплекс сооружений для
всех видов служб. Здесь производятся смена локомотивов и их эки#
пировка, смена локомотивных бригад, технический и коммерческий
осмотр составов, пассажирские и грузовые операции, формирование
и расформирование составов.
Здания железнодорожных станций относятся к соответствующим
службам: локомотивной, вагонной, пассажирской и т.д. Такое функ#
циональное многообразие служб железной дороги породило чрезвы#
чайное разнообразие служебно#технических зданий и сооружений по
номенклатуре, геометрическим размерам, материалам исполнения.
Общая номенклатура транспортных зданий и сооружений насчиты#
вает около 300 наименований.
Преобладающей по количеству зданий является одноэтажная мел#
кообъемная застройка. Двухэтажные — это обычно вокзальные зда#
ния, а трехэтажные – административно#бытовые. Наиболее крупные
здания станций – это депо экипировки локомотивов, посты элект#
рической централизации (ЭЦ), пункты технического обслуживания
и текущего ремонта вагонов (ПТО).
На объемно#планировочные и конструктивные решения транспорт#
ных зданий наряду с другими определяющими факторами являются
технологические процессы по обслуживанию подвижного состава, ко#
торый размещается внутри зданий. Обычно такие здания являются
объединенными и включают стойловую часть, мастерские, админист#
ративно#бытовые помещения и т.п. В цехах размещается крупногаба#
ритное оборудование — мощные домкраты, краны, смотровые пло#
щадки и т.д., а особенности технологического процесса требуют зна#
чительных производственных площадей при больших высотах здания
(10,6...17,7 м). Характерные пролеты ремонтных цехов в локомотив#
ных и вагонных депо 18 и 24 м, а длина 48...200 м. Длина ремонтно#
экипировочных вагонных цехов достигает 500 м. Такие здания, как
правило, сооружаются каркасными из сборного железобетона.
Следует отметить, что геометрические размеры и строительные
объемы зданий колеблются в широком диапазоне от 30 до 30 тыс. м3.
309
В отдельную группу можно выделить такие сооружения, как станции био#
логической очистки сточных вод, канализационно#насосные станции
(КНС), трансформаторные подстанции (ТП), пассажирские платформы.
Разнохарактерность зданий и сооружений железнодорожных
станций предопределяет большой разброс в нормативных сроках из
возведения, которые колеблются от 1 мес. (мелкие трансформатор#
ные подстанции) до 48 мес. (комплекс цеха текущего ремонта локо#
мотивов). Нормативная продолжительность строительства большин#
ства сооружений 12—20 мес.
В настоящее время транспортные здания в основном строятся из
сборного железобетона и кирпича, причем на последний приходится
примерно половина объектов станции. Анализ показывает, что удель#
ный вес таких трудоемких работ как кирпичная кладка и монолитный
бетон еще чрезвычайно велик. Использование в большом объеме кир#
пича для наружных и внутренних перегородок непосредственным об#
разом влияет на трудоемкость и продолжительность строительства
транспортных зданий. Так, например, в типовом проекте вокзала на
50 пассажиров, объединенного с постом ЭЦ, объем кирпичной клад#
ки составляет примерно 25 % от объема сборного железобетона.
В проекте здания пункта контрольного технического осмотра ва#
гонов (ПКТО) на 309 м3 сборного железобетона приходится 102 м3
кирпичной кладки, а в главном корпусе дистанции электроснабже#
ния (ЭЧ) на 476 м3 сборного железобетона — 805 м3 кирпичной клад#
ки и 387 м3 монолитного бетона. Приведенные примеры показыва#
ют, что уровень технологического совершенства транспортных зда#
ний еще во многом не отвечает мировому.
Если в 50#х гг. ХХ в. перевод строительства на использование сбор#
ных железобетонных конструкций вызвал резкий скачок производи#
тельности труда в отрасли, то в настоящее время этот резерв с техни#
ческих позиций практически исчерпан. В перспективных регионах
нового железнодорожного строительства (северных и восточных) от#
сутствует база стройиндустрии и эффективность использования сбор#
ного железобетона в виде отдельных строительных деталей, достав#
ляемых за сотни и тысячи километров, резко снижается.
Типовые проекты транспортных зданий разработаны различны#
ми проектными институтами, что предопределило большое их мно#
гообразие. С учетом различного конструктивного оформления насчи#
тывается более 230 проектов зданий и сооружений железнодорожных
310
станций. Это, в свою очередь, вызывает разнообразные объемно#
планировочные и конструктивные решения и, как следствие, сотни
типоразмеров строительных конструкций.
Для одноэтажных производственных зданий железнодорожных
станций (ремонт локомотивов и вагонов, эксплуатационно#ремон#
тные базы дистанций пути и т. д.) характерно использование компо#
новочных схем с пролетами 12...30 м, шагом колонн 6 или 12 м. При
наличии крупногабаритных, большой единичной массы изделий рез#
ко возрастает собственная масса кранов, а нагрузки от них на каркас
здания в десятки раз превышают нагрузки от покрытия и ограждаю#
щих конструкций. Например, при использовании мостовых кранов
грузоподъемностью 30—80 т доля крановой нагрузки составляет 67—
85 % от всей расчетной нагрузки. Мировая практика уже давно отка#
залась во многих случаях от мостовых кранов, место которых заняло
напольное подъемно#транспортное оборудование.
Освобождение строительных конструкций транспортных зданий
от восприятия технологических и инженерных нагрузок дает не толь#
ко снижение материалоемкости, но и позволяет перейти на укруп#
ненную строительную сетку колонн и создавать транспортные зда#
ния в виде беспролетных зданий оболочек. Беспролетные здания
позволят значительно лучше использовать полезную площадь здания,
оптимизировать компоновку технологического оборудования, упро#
стить замену оборудования при реконструкции.
При проектировании одноэтажных промышленных зданий желез#
нодорожных станций целесообразен принцип конструктивного раз#
деления технологической и строительной частей сооружения (прин#
цип автономии), при котором строительные конструкции освобожда#
ются от восприятия технологических нагрузок, например, от нагрузок
мостовых кранов. При этом мостовые краны заменяют напольным
подъемно#транспортным оборудованием. Такое решение позволяет
значительно (до 20 %) снизить себестоимость строительно#монтажных
работ за счет снижения расхода сборного железобетона.
Далее рассмотрены типовые решения ряда транспортных зданий
и их конструктивные особенности.
Каркаснопанельные здания. В каркасных зданиях (рис. 4.11) вся
нагрузка передается на каркас, т.е. на систему связанных между со#
бой вертикальных опор#колонн, подкрановых балок, стропильных
балок или ферм, на которые укладывают плиты покрытия.
311
Рис. 4.11. Конструктивные элементы каркасного здания: 1 — средняя колонна;
2 — подкрановая балка; 3 — плиты покрытия; 4 — стеновая панель; 5 — стро#
пильная балка; 6 — пристенная колонна
Данный тип зданий из сборного железобетона наиболее распро#
странен. К нему относятся объекты производственного и админист#
ративно#бытового назначения, например такие, как главный и вспо#
могательный корпуса энергоучастка, вокзалы, грузовые склады,
ПКТО и т.д.
Одним из наиболее крупных зданий железнодорожных станций
является главный корпус эксплуатационно#ремонтной базы дистан#
ции пути (строительный объем около 27 тыс. м3). Здание представ#
ляет собой сблокированный комплекс, в котором размещаются цехи
для хранения и ремонта машин и механизмов на железнодорожном
ходу, другие производственные помещения и административно#бы#
товой корпус.
Бескаркасные крупнопанельные здания. К этой категории зданий
относятся преимущественно объекты административно#бытового
назначения, реже — производственного (например, посты ЭЦ). Зда#
ния такого типа обычно двух#, трехэтажные с подвалом или без него.
Типичным объектом#представителем является бытовое здание на
100 чел. для ремонтных цехов. Строительный объем здания 25 600 м3.
Стены — несущие из крупных панелей. В обычных инженерно#гео#
логических условиях ленточный фундамент устанавливают из сбор#
ного железобетона.
312
Кирпичные здания. Как уже отмечалось, кирпич как строительный
материал имеет достаточно широкое применение в транспортных
зданиях. Его используют как в сочетании со сборным железобетон
ным каркасом для наружных стен и внутренних перегородок, так и в
качестве несущей конструкции. На рис. 4.12 показано здание глав
ного корпуса дежурного пункта района контактной сети, имеющее
производственное и административнобытовые помещения. Несу
щими конструкциями является железобетонный каркас, наружные
стены и внутренние перегородки — кирпичные. Строительный объем
здания 2860 м3, фундаменты, балки покрытия, плиты перекрытия и
покрытия — сборные, железобетонные.
Рис. 4.12. Главный корпус дежурного пункта района контактной сети: а — вне
шний вид; б — план помещений
(размеры даны в мм)
Здания из объемных блоков. В последние годы все большее при
менение в железнодорожном строительстве находят объемные бло
ки из керамзитобетона. Их применение значительно повышает уро
вень индустриализации строительства транспортных зданий, позво
ляя в 1,5—2 раза сократить сроки их возведения и снизить трудоза
траты в 3—4 раза по сравнению с кирпичными и в 1,5—2 раза —
313
с каркаснопанельными зданиями. Из объемных блоков возводят
преимущественно малогабаритные объекты СЦБ, связи, электро
снабжения и электрификации: посты ЭЦ, автотрансформаторные
пункты питания, трансформаторные подстанции, стрелочные посты
(рис. 4.13).
Объемные блоки имеют массу 12—16 т, что позволяет вести их
монтаж мобильными стреловыми кранами. Так, например, щитовая
управления автотрансформаторного пункта питания (АЛЛ), разра
ботанная ЦНИИСом и Ленгипротрансом, представляет собой цель
ноформованный керамзитобетонный блок типа «лежащий стакан»,
габаритные размеры которого позволяют перевозку на железнодо
рожной 4осной платформе.
Масса этого блока примерно 14 т, что делает возможным его уста
новку на перегоне железнодорожным краном непосредственно с
пути. Трудоемкость сооружения объемноблочной щитовой управ
ления — 16,5 чел.дней.
Рис. 4.13. Стрелочный пост из объемного блока: а — внешний вид; б — план по
мещений; 1 — помещение для стрелочников; 2 — сушильный шкаф; 3 — сан
узел; 4 — тамбур (размеры даны в мм)
314
В транспортном строительстве нашло применение объемноблочное
домостроение. Первое жилое здание из объемных блоков было постро
ено в г. Печоре. Основной критерий при выборе наружных габаритов
объемных блоков определялся возможностью их перевозки по железной
дороге: длина блока не превышает 6 м, ширина 3,2 м, высота 2,8 м.
Жилые дома и блоксекции для транспортного строительства раз
работаны с различными типами квартир с учетом демографического
состава населения жилых поселков транспортных строителей. Объ
единение «Печорстрой» возвело ряд объектов из крупных блоков: жи
лые дома, общежитие, детсад, дом отдыха локомотивных бригад и др.
Монтаж этих зданий вели стреловыми гусеничными кранами грузо
подъемностью 25 и 40 т.
При монтаже малых служебнотехнических зданий, расположен
ных в непосредственной близости от пути, использовали железнодо
рожные краны. Объемные блоки, изготовленные Печорским заводом
ЖБИ, доставлялись на объекты по железной дороге на расстояние до
2000 км, что считается экономически обоснованным решением. При
наличии автодорог с твердым покрытием экономическая целесооб
разность использования автотранспорта определяется расстоянием
в 150—200 км.
По данным ЦНИИСа, техникоэкономические показатели мало
этажных монолитных зданий сопоставимы с аналогичными здания
ми из кирпича. Здания из монолитного железобетона (проекты Лен
гипротранса) более трудоемки по сравнению с объемноблочными,
но стоимость и материалоемкость их ниже.
Монолитное домостроение дает существенную экономию за счет
снижения капитальных вложений в производственную базу. Однако
широкое его внедрение в условиях рассредоточенного строительства
ограничено изза низкой оборачиваемости металлической опалубки,
так как строительство транспортных зданий данного типа не являет
ся массовым и поточным. Кроме того, в условиях круглогодичного
строительства необходимы проработки технологии возведения
объектов из монолитного железобетона при значительных отрица
тельных температурах.
Легкие металлические конструкции. Этот тип конструкций получил
распространение при возведении одноэтажных производственных
зданий сравнительно недавно. Экономическая эффективность при
менения легких металлических конструкций комплектной поставки
315
(ЛМК КП) определяется в основном за счет сокращения продол#
жительности строительства объектов.
Кроме того, возведение зданий из ЛМК общей площадью 1 млн м2
дает экономию 4,5 тыс. т металлопроката, высвобождает 800 рабочих.
Как показывают сравнительные расчеты, применение ЛМК КП по#
зволяет не только резко сократить сроки строительства, но и значи#
тельно, в 10—15 раз снизить массу зданий (табл. 4.1) что существен#
но сокращает расходы по перевозке строительных конструкций и по#
требность в транспортных средствах.
Таблица 4.1
Характеристики легких металлических конструкций
Применение ЛМК при строительстве транспортных зданий ухо#
дит корнями в начало 80#х гг. ХХ в.
В ЦНИИСе были разработаны рекомендации по использова#
нию ЛМК КП с учетом особенностей транспортного строительства.
Внедрение полносборных производственных зданий из этих конст#
рукций позволяет в 1,5—2 раза сократить сроки возведения зданий
316
(по сравнению с аналогичными объектами из сборного железобе#
тона), получив при этом экономию цемента 60—80 т на 1 тыс. м2
площади.
В транспортном строительстве нашли применение ЛМК следую#
щих типов: «Канск» (рис. 4.14), «Молодечно», реже — «Орск» и
«ЦНИИСК».
Рис. 4.14. Конструктивная схема легких металлических конструкций «Канск»:
а — многопролетная несущая рама; б — однопролетная несущая рама
(размеры даны в мм)
Сибгипротрансом использованы ЛМК при проектировании объек#
тов железнодорожных станций БАМа: вагоноремонтного депо и базы
ПЧ на ст. Таксимо, ремонтных цехов на ст. Куанда и локомотивного
депо в Нежнеангарске. Использованы ЛМК КП при строительстве
транспортных зданий на железнодорожной линии Сургут—Уренгой.
Меньше, чем предыдущие, в транспортном строительстве полу#
чили распространение ЛМК «ЦНИИСК» (рис. 4.15). Отличитель#
ной особенностью этого типа ЛМК являются стальные структурные
блоки покрытия, которые собирают из отдельных стержней на бол#
тах пролетами 18 и 24 м без ограничения размеров здания. Кровля и
стеновые ограждения выполнены такими же, как и у других типов
ЛМК КП.
317
Рис. 4.15. Конструктивная схема легких металлических конструкций «ЦНИИСК»:
1 — колонна; 2 — структурный блок (размеры даны в мм)
В северном варианте этот тип ЛМК может применяться при тем#
пературах до –65 оС.
4.2.2. Технологичность транспортных зданий
Анализ типовых проектов транспортных зданий и сооружений
показал, что одним из главных их недостатков является отсутствие
единообразия объемно#планировочных решений, т.е. модульного
принципа проектирования, характерного для промышленного стро#
ительства. Нарушение этого принципа привело к низкой технологич#
ности проектных решений и соответственно к низким технико#эко#
номическим показателям.
Под технологичностью проектов понимают совокупность свойств,
определяемых объемно#планировочными и конструктивными реше#
ниями строительных объектов, характеризующих их соответствие
требованиям индустриального строительства и надежной эксплуата#
ции. В зависимости от уровня иерархии различают технологичность
строительную и монтажную. Строительная технологичность — харак#
теристика комплексная, включающая изготовление, транспортиро#
вание и возведение конструкций.
Монтажная технологичность (как составная часть строительной
технологичности) характеризуется такими показателями, как трудо#
емкость и продолжительность строительства.
318
Технологичность отдельных железобетонных конструкций должна
оцениваться в увязке с объемно#планировочными решениями зда#
ний и их конструктивными особенностями. Для оценки технологич#
ности сборных железобетонных конструкций применяют такие по#
казатели, как степень типизации изделий и их повторяемость, мате#
риалоемкость и себестоимость конструкций (рис. 4.16), а также дру#
гие показатели.
Рис. 4.16. Структура показателей строительной технологичности
Уровень технологичности каркасно#панельных транспортных зда#
ний можно оценить по следующим показателям:
– степень серийности (повторяемости) однотипных элементов в
отдельно взятом здании или в группе зданий. Относительная серий#
ность определяется отношением (коэффициентом серийности)
Кс = Nt /Ne, где Nt и Ne — соответственно число одноименных эле#
ментов определенного типа и общее число одноименных элементов
разного типа;
– степень типизации (отношение числа типовых марок элемен#
тов к сумме типовых и нетиповых марок), в процентах;
319
– единообразие конструкций по массе, что позволяет оценить ис#
пользование грузоподъемности кранового оборудования;
– коэффициент укрупнения (отношение числа сборных элемен#
тов к площади здания). Чем он больше, тем ниже уровень техноло#
гичности объекта.
Понятие технологичности гораздо шире и зависит не только от
проекта самого здания и его узлов, но от способов ведения работ и
применяемых при этом средств механизации. Оптимальные техно#
логические показатели конструкций должны оцениваться не вооб#
ще, а для конкретных условий изготовления, транспортировки, мон#
тажа и эксплуатации.
Железнодорожное строительство продвигается в малообжитые
районы нашей страны, не имеющие индустриальной базы, и выска#
занное соображение имеет особое значение, т.е. индустриальная база
должна обеспечивать технологичность сборных конструкций (а зна#
чит, и объекта строительства) в широком диапазоне этого критерия,
включая надежность и экономичность эксплуатации. Показатели
технологичности каркасно#панельных транспортных зданий (коэф#
фициенты укрупнения Ку серийности Кс для основных конструкций
шести зданий ПКТО и ПТО, проектировщик — Гипропромтранс#
строй) приведены в табл. 4.2. Анализ ее показывает, что в проектах
рассматриваемых зданий коэффициент серийности невысок, что
обусловливается многотипностью одноименных элементов. Следст#
вием многотипности сборных железобетонных конструкций являет#
ся низкий показатель их единообразия по массе.
Таблица 4.2
Характеристики зданий ПТО
320
Окончание табл. 4.2
Примечание. В числителе приведено количество марок конструкций, в зна#
менателе — интервал колебания коэффициента серийности.
Преобладающими являются конструкции с массой до 2 т. Круп#
норазмерные элементы с массой более 2 т составляют в среднем 20—
30 %. Таким образом, проекты транспортных зданий имеют ряд су#
щественных недостатков, снижающих такие важнейшие показатели,
как трудоемкость монтажа и сроки возведения объектов. Кроме того,
большое разнообразие конструкций по массе не позволяет эффектив#
но использовать высокопроизводительное крановое оборудование
большой грузоподъемности. Конструкции массой выше 4 т состав#
ляют всего 10—15 %.
Наибольший коэффициент серийности у колонн (максимальное
его значение 0,6...0,7) и цокольных балок и панелей (0,6...0,8). Для
подземной части здания максимальный коэффициент серийности
(Кс = 0,9) у фундаментов стаканного типа.
Из этого следует, что проекты транспортных зданий каркасно#па#
нельного типа хотя и являются прогрессивными по сравнению с кир#
пичными зданиями, однако не в полной мере соответствуют требо#
ваниям скоростного строительства.
Уровень технологичности металлических строительных конструк#
ции на стадии проектирования можно оценивать по следующим по#
казателям:
• по конструированию изделия Ку, учитывающему оптимальную
концентрацию металла на единицу расчетно#эксплуатационной ха#
рактеристики;
321
• по изготовлению Кн, учитывающему трудоемкость изготовле#
ния конструкций и рациональное использование металла при изго#
товлении;
• по монтажу Км, учитывающему трудоемкость монтажа конст#
рукций;
• по эксплуатационной надежности Кэ, характеризующей частоту
отказов и затраты на обслуживание и ремонт здания.
Для транспортных зданий, выполняемых из ЛМК комплектной
поставки, целесообразно использовать следующие показатели уровня
технологичности зданий:
• коэффициент расхода материала на 1 м2 строительной площади
Крм = Mi /Mб,
где Mi и Mб — удельные расходы материала сравниваемой и базовой конструк#
ции, кг.;
• коэффициент трудоемкости изготовления конструкций на 1 м2
строительной площади
Кт = ti /tб,
где ti и tб — удельные трудоемкости изготовления сравниваемой и базовой кон#
струкции;
• коэффициент трудоемкости монтажа 1 т конструкций
Км = gi /gб,
где gi и gб — удельные трудоемкости монтажа 1 т сравниваемой и базовой кон#
струкции.
За базовую конструкцию целесообразно принять ЛМК КП типа
«Канск», как получившую в настоящее время наибольшее распро#
странение в транспортных зданиях. Сравнение уровней технологич#
ности по проведенным выше показателям дано в табл. 4.3. При срав#
нении для базового типа ЛМК «Канск» удельные показатели приня#
ты равными единице.
Анализ показателей технологичности свидетельствует, что ЛМК
типа «Канск» имеет преимущество перед другими. Строительная тех#
нологичность транспортных зданий как концептуальное понятие
должна предполагать возможность применения унифицированных
объемно#планировочных решений, способствовать созданию архи#
тектурно выразительных композиций железнодорожных станций.
322
Таблица 4.3
Удельные показатели в зависимости от высоты конструкции
Примечание. В числителе значения удельных показателей конструкций про#
летом 18 м, в знаменателе — 24 м.
Важнейшим фактором, позволяющим значительно улучшить тех#
нико#экономические показатели транспортных зданий, является их
блокирование и объединение. Под блокированием понимают укруп#
нение здания соединением нескольких объектов. При этом принци#
пиально не меняются технологические и объемно#планировочные
решения его частей.
Объединение зданий — это укрупнение на основе изменения тех#
нологических, объемно#планировочных и конструктивных решений.
Блокирование зданий позволяет уменьшить площадь застройки и
протяженность инженерных сетей, снизить поверхность ограждаю#
щих конструкций. Благодаря этому достигается снижение эксплуа#
тационных затрат.
Объединение зданий, кроме уже названных преимуществ, имеет еще
ряд дополнительных: уменьшение суммарного строительного объема,
сокращение номенклатуры строительных конструкций и материалов,
более эффективное использование производственных площадей.
Необходимым требованием к объединенным и сблокированным
зданиям является возможность поэтапной застройки железнодорож#
ной станции по мере наращивания ее мощности, т.е. проекты транс#
портных зданий должны предусматривать возможность ввода в экс#
плуатацию отдельных блоков и секций.
323
Принципы унификации объемно#планировочных и конструктив#
ных решений блокированных и объединенных зданий должны осу#
ществляться в результате сокращения номенклатуры зданий, их
укрупнения, а также общеобъектной унификации (в пределах одно#
го здания, одной станции, участка железнодорожной линии).
Блокирование и объединение зданий и сооружений различных
служб железной дороги на станционной площадке уменьшают пло#
щадь застройки на 8—15 %, протяженность инженерных коммуни#
каций — на 12—18 %; потребность в энергоресурсах — на 13—18 %;
стоимость строительства — на 10—15 %.
Принимаемые проектные решения объединенных сблокирован#
ных транспортных зданий должны учитывать перспективу соответ#
ствующих технологических процессов, реализуемых в этих зданиях,
и позволять замену основного оборудования без капитальной рекон#
струкции зданий.
4.2.3. Индустриальное производство строительных конструкций
В России успешно функционирует мощный комплекс предприя#
тий строительной индустрии — заводы железобетонных изделий
(ЖБИ).
Заводы ЖБИ выпускают серийную продукцию для жилищного,
гражданского, промышленного и транспортного строительства.
Различают следующие технологии изготовления сборных железо#
бетонных конструкций: конвейерная, стендовая и агрегатно!поточ!
ная. Разновидностями этих технологий являются вибропрокат, виб#
роштампование, центрифугирование и кассетное производство.
При конвейерном способе все опалубочные формы с изготовляе#
мыми (формуемыми) изделиями перемещаются от поста к посту с
з а д а н н ы м п р и н у д и т е л ь н ы м р и т м о м по замкнутому
технологическому кольцу, включающему пропарочные камеры не#
прерывного действия. На каждом рабочем посту выполняется одна
технологическая операция.
При стендовом способе изделие формуется и набирает прочность
в н е п о д в и ж н о й форме#опалубке.
При агрегатно#поточном способе изделия формуются на агрега#
тах с п о т о ч н ы м п е р е м е щ е н и е м формы#опалубки от одного
технологического поста к другому б е з п р и н у д и т е л ь н о г о
р и т м а.
324
Конвейерное производство. По характеру работы конвейеры быва#
ют непрерывного или прерывистого действия — с шаговым переме#
щением, при котором форма с изделием останавливается на постах
для выполнения технологической операции. По конструкции кон#
вейеры подразделяются на рельсовые и ленточные — бесконечные
(вибропрокатные станы).
Рельсовый конвейер состоит из металлических форм#вагонеток
(поддонов со съемной бортовой оснасткой), передвигаемых при по#
мощи приводов по рельсовому пути, уложенному в уровне пола цеха.
Область применения конвейера — железобетонные панели.
Рабочие посты технологической линии образуют замкнутый кон#
тур (рис. 4.17), состоящий из двух линий — формовочной и возврат#
ной, связанных между собой вертикальной пропарочной камерой
ускоренного твердения бетонных конструкций и передаточными те#
лежками. На формовочной линии расположены посты чистки, смаз#
ки и сборки форм#вагонеток, укладки закладных частей, укладки
арматуры, формовочный и смены металлических контактных щитов.
На возвратной линии расположен пост остывания, распалубки, съе#
ма и кантования изделия, резервный. Панели изготавливают в инди#
видуальных формах, смонтированных на тележках и образующих
форму#вагонетку. Передвижение форм#вагонеток по конвейерной
линии обеспечивается системой сблокированных между собой тол#
кателей.
Основным постом конвейерной линии является формовочный, на
котором установлен виброформовочный мост, представляющий со#
бой сочетание вибронасадка с заглаживающим устройством.
Рис. 4.17. Технологическая последовательность изготовления железобетонных
конструкций на конвейерной линии: 1 — чистка и смазка формы#вагонетки;
2 — сборка формы#вагонетки; 3 — укладка арматуры и закладных частей;
4 — укладка бетонной смеси; 5 — виброуплотнение; 6 — заглаживание поверх#
ности отформованного изделия; 7 — пропаривание; 8 — пост остывания изде#
лия; 9 — распалубка; 10 — съем изделия
325
Перед формованием панели вибронасадок опускается на продоль#
ные борта формы#вагонетки и свободно опирается на них в течение
всего времени уплотнения бетона.
Здесь же на формовочном посту форма#вагонетка опускается на
направляющие с упругими опорами и при помощи толкателей непре#
рывно перемещается по ним. Подъем и опускание виброформовоч#
ного моста осуществляются от специального привода. В приямке на
формовочном посту установлен ленточный конвейер для приема и
удаления остатков бетонной смеси.
В процессе перемещения формы#вагонетки происходит формо#
вание изделия. Одновременно, благодаря виброударному действию
насадка на бортоснастку и поддон формы, происходят интенсивное
уплотнение смеси и предварительное заглаживание открытой по#
верхности отформованного изделия.
Автоматическое или дистанционное управление виброфор#
мовочным постом осуществляется с центрального пульта при помо#
щи телевизионной установки. Тепловая обработка панели проводит#
ся в вертикальной камере ускоренного твердения системы проф.
Л.А. Семенова (рис. 4.18).
Вертикальная пропарочная камера непрерывного действия пред#
ставляет собой помещение с глухими железобетонными стенками,
перекрытием, загрузочным 1 и выгрузочным 2 отверстиями#проема#
ми в торцах для форм#вагонеток.
Рис. 4.18. Вертикальная пропарочная камера непрерывного действия: 1 — за#
грузочное отверстие; 2 — выгрузочное отверстие; 3 — паропровод; 4 — формы#
вагонетки
326
Формы#вагонетки циклически подаются подъемниками вверх.
Достигнув крайнего верхнего положения, очередная из них переме#
щается горизонтально на длину одной формы#вагонетки, опускаясь
далее до крайнего нижнего положения, после чего толкатель выка#
тывает ее наружу.
Пар в камеру поступает через перфорированные трубы 3.
В процессе тепловлажностной обработки изделие проходит через
зону подогрева Нп, зону изотермического выдерживания Низ и зону
остывания Ност.
Продолжительность непрерывного пропаривания составляет
5—7 ч. Максимальная температура в зоне изотермического выдержи#
вания — 100 оС.
Стендовое производство. Способ характеризуется тем, что все тех#
нологические операции выполняются в одном месте — на стенде в
стационарной опалубке.
Применяют стендовую технологию при изготовлении крупногаба#
ритных, тяжелых и малосерийных изделий: балок пролетных строе#
ний автодорожных и железнодорожных мостов, лестничных маршей,
колонн большого поперечного сечения и т.п. В мостостроении стен#
ды для изготовления пролетных строений устраивают на припостро#
ечных полигонах вблизи от места монтажа пролетных строений.
В заводских условиях технологическая стендовая линия может иметь
длину до 100 м, а ширину стендов — 3...4 м. Подача и укладка бетон#
ной смеси производится самоходными бетонораздатчиками, бетоно#
укладочными агрегатами на рельсовом ходу или с помощью ленточных
транспортеров. Уплотнение бетона ведется переносными вибраторами.
Тепловая обработка изделий осуществляется в стационарной форме#
опалубке паром низкого давления. Стендовое производство железобе#
тонных конструкций носит достаточно ограниченный характер.
Агрегатнопоточное производство. При агрегатно#поточном произ#
водстве сборных железобетонных конструкций все операции по ус#
тановке арматурных каркасов, укладке, разравниванию и уплотне#
нию бетонной смеси осуществляются на агрегатных установках с пе#
ремещением формуемого изделия по потоку от одного технологичес#
кого поста к другому. Агрегатная установка (рис. 4.19) состоит из
формовочной машины 4, бетонораздатчика 1, тележки с подъемной
платформой 2. Бортоснастка входит в состав устройства формовоч#
ной машины.
327
Рис. 4.19. Технологическая схема изготовления конструкций агрегатно#поточ#
ным методом: 1 — бетонораздатчик; 2 — тележка с подъемной платформой;
3 — виброплощадка; 4 — формовочная машина; 5 — пропарочная камера ям#
ного типа; 6 — мостовой кран; 7 — самоходная тележка
На формовочном посту в подготовленную бортооснастку, установ#
ленную на тележку с подъемной платформой 2, бетонораздатчиком 1
подается жесткая бетонная смесь. Уплотнение бетонной смеси про#
изводится на виброплощадке 3, после чего мостовым краном 6 бор#
тооснастка с отформованным изделием подается в пропарочную ка#
меру ямного типа 5.
Ямные камеры имеют высоту до 2,5 м, что позволяет размещать
формы с забетонированными изделиями в несколько рядов по высоте.
Пар температурой 90 оС подается в пропарочную камеру через
перфорированные трубы нижнего паропровода. Избыток его удаля#
ется в атмосферу через систему вентиляции.
После окончания разогрева (примерно через 3#4 ч) нижний паро#
провод отключают, а через верхний паропровод 3 (см. рис. 4.18) в ка#
меру подается пар с температурой 100 оС. Подача пара в камеру осу#
ществляется системой автоматического регулирования.
После пропаривания через 8—10 ч формы краном 6 извлекают из
камеры и на самоходной тележке 7 отправляют на склад готовой про#
дукции.
Вибропрокат. Способ изготовления железобетонных конструкций
с использованием вибрации и давления на свежеуложенный бетон с
целью его уплотнения был предложен русским инженером Н.Я. Коз#
ловым и не имеет аналогов в мире. Впервые вибропрокатные станы
начали применять на заводах ЖБИ Москвы в 1958 г.
328
Рис. 4.20. Вибропрокатный стан типа БПС6
Общий вид вибропрокатного стана БПС6 конструкции Н.Я. Коз
лова показан на рис. 4.20.
Вибропрокатный стан БПС6 предназначен для производства
крупноразмерных ребристых и плоских сборных ЖБИ для жилищ
ного, гражданского и промышленного строительства. На стане
БПС6 автоматизированы основные процессы производства (дози
рование компонентов, приготовление бетонной смеси, формование,
калибровка, термическая обработка и распалубливание изделий), а
также вспомогательные операции (очистка и смазка формующей
ленты и др.).
329
Вибропрокатная установка БПС#6 состоит из дозировочно#сме#
сительного отделения, прокатного стана, обгонного рольганга и
опрокидывателя. Прокатный стан представляет собой конвейер в
виде бесконечной формующей ленты, над которой смонтированы не#
обходимые механизмы и приспособления для выполнения всех тех#
нологических операций, связанных с изготовлением ЖБИ. Удельное
давление при вибропрокате 5 мПа.
Формующая лента состоит из отдельных стальных поперечных
звеньев, собранных на трех тяговых цепях. Рабочая длина ленты 92 м,
ширина 3,66 м. Рабочая скорость ленты 30 м/ч.
При изготовлении ребристых плит поверхность формующей лен#
ты имеет прямоугольные пустотообразователи (кессоны), размеры
которых зависят от конструкции изготовляемых панелей.
Для производства плоских плит на стане монтируется специаль#
ная формующая лента, у которой пустотообразователи заменены
гладким листом.
Для образования размеров изделия по ширине предусмотрена
специальная бортоснастка, длина изделий ограничивается раздели#
тельными щитами, укладываемыми между арматурными каркасами
или прикрепляемыми к звеньям формующей ленты. Для изготовле#
ния панелей с проемами предусмотрены специальные закладные
щиты.
Технология изготовления конструкций состоит в следующем.
Сухие компоненты бетонной смеси — цемент, песок и щебень (гра#
вий или керамзит) – из расходных бункеров 1, 2 и 3 непрерывно по#
даются ленточными питателями 4, 5, 6 с дозирующими устройства#
ми в приемный лоток, а затем в шнек#смеситель 7, который предва#
рительно перемешивает их и транспортирует в бетономешалку непре#
рывного действия 8.
Приготовленная бетонная смесь непрерывным потоком подает#
ся на формующую ленту 10 с заранее уложенными на нее арматур#
ными каркасами 9.
Бетонная смесь укладывается и распределяется по ширине фор#
мующей ленты 11 в пределах бортовой оснастки шнековым бетоно#
укладчиком 12.
Одновременно с укладкой смесь уплотняется специальным виб#
рационным устройством 14, расположенным под формующей лен#
той стана параллельно бетоноукладчику.
330
Толщина слоя бетонной смеси регулируется фрезой 15 и подвиж#
ным щитом фрезы 13, установленными за бетоноукладчиком. Фреза
срезает излишки смеси, оставляя заданный припуск по толщине слоя
для последующего уплотнения бетонной смеси при калибровке.
Окончательное уплотнение бетона и калибровка изделий до про#
ектной толщины производятся калибрующим механизмом 16, име#
ющим несколько валиков 17, установленных на заданной высоте по
отношению к формующей ленте.
Отформованные изделия после выхода из#под калибрующего аг#
регата и заглаживающего устройства перемещаются совместно с лен#
той в зону ускоренной термической обработки, попадая под накрыв#
ную прорезиненную ленту термопригруза 18. На всем участке терми#
ческой обработки изделие плотно закрыто: снизу — формующей лен#
той, с боков — бортоснасткой, а сверху — термостойкой лентой
термопригруза 19. Термопригруз состоит из шести тяжелых валиков,
которые при помощи пневмоцилиндров опускаются на заданную
высоту, обеспечивая необходимое давление на поверхность изделия
через накрывную ленту.
Для предохранения от обезвоживания и разрушения от конден#
сата изделие при прохождении зоны термообработки изолировано от
непосредственного контакта с паром. Нагревается оно паром с тем#
пературой 100—110 оС снизу через формующую ленту и сверху через
накрывную.
Повышение температуры бетона до максимальной (90—96 оС)
производится в течение 30—50 мин. К концу термообработки на вы#
ходе из стана температура изделий не превышает 75—85 оС.
После окончания тепловой обработки изделия с марочной проч#
ностью 50—60 % от расчетной R переходят в зону открытого участка
формующей ленты, предназначенного для предварительного охлаж#
дения их перед распалубкой.
Пройдя зону тепловой обработки, в конце стана готовое изделие
автоматически освобождается от формующей ленты и поступает на
обгонный рольганг 20, обеспечивающий непрерывность процесса
производства. При перемещении панели с прокатного стана на об#
гонный рольганг скорость рольганга равна скорости движения фор#
мующей ленты. После того как изделие полностью переместится на
обгонный рольганг, включается обгонный привод, при этом рольганг
получает скорость значительно бîльшую, чем формующая лента.
331
Готовое изделие быстро транспортируется на опрокидыватель, осво#
бождая тем самым место для выхода очередной панели и сохраняя в
результате непрерывность производства.
Опрокидыватель 21 поворачивает изделие для подъема и транс#
портировки мостовым краном в вертикальном положении на проме#
жуточный склад, откуда после соответствующей выдержки при плю#
совой температуре изделия поступают либо на склад готовой продук#
ции, либо к месту дальнейшей комплектации.
Виброштампование. Это метод формования ЖБИ, при котором ра#
бочий орган формовочного устройства (виброштамп), перемещаясь,
перераспределяет и уплотняет бетонную смесь в форме с одновремен#
ным приданием изделию заданного профиля.
Метод виброштампования дает возможность формовать изделия
сложной конфигурации из жестких и особо жестких бетонных сме#
сей с немедленной распалубкой. При этом методе во многих случаях
отпадает необходимость точной раскладки смеси по форме изделия.
Виброштампование целесообразно применять при изготовлении
часторебристых панелей, лестничных маршей, двутавровых и швел#
лерных балок, колонн и т.п.
Конструктивно виброштампы могут быть выполнены подвесны#
ми, стационарными и передвижными. По технологическому процес#
су их можно разделить на виброштампы:
– с образованием профиля изделия пуансоном соответствующей
формы;
– плоскоформующие, на которых профиль изделия получается
из#за соответствующего профиля матрицы;
– скользящие, образование профиля изделия у которых произво#
дится перемещающимся виброштампом.
Основные разновидности применяемых виброштампов представ#
лены на рис. 4.21.
Процесс виброштампования происходит следующим образом
(рис. 4.21, а). В форму 2 с предварительно уложенной в нее бетонной
смесью 1 опускается виброштамп, состоящий из пуансона 3, установ#
ленного на нем вибратора 4 и жестко закрепленного пригруза 5. Пе#
ремещаясь вниз, виброштамп погружает вибрирующий пуансон в
бетонную смесь, уплотняя ее и придавая ей соответствующую фор#
му, т.е. виброштамп одновременно уплотняет и перераспределяет
бетонную смесь по форме изделия. После опускания виброштампа
332
Рис. 4.21. Схемы виброштампов: а — виброштамп с жестко закрепленным при#
грузом; б — виброштамп с гидравлическим пригрузом; в — скользящий вибро#
штамп; 1 — бетонная смесь; 2 — форма#опалубка; 3 — пуансон; 4 — вибра#
тор; 5 — пригруз; 6 — гидродомкрат; 7 — пружина; 8 — формующая плита
на необходимую глубину он извлекается из формы, а отформован#
ное изделие подается на следующий пост обработки.
Виброштампы с гидравлической или пневматической пригрузкой
(рис. 4.21, б) отличаются от виброштампов с подрессоренной при#
грузкой применением гидравлических или пневматических домкра#
тов 6, усилие от которых на пуансон передается также посредством
эластичных пружин.
Скользящие виброштампы выполняются по схеме, представлен#
ной на рис. 4.21, в. Виброштамп состоит из формующей плиты 8, же#
стко соединенного с ней вибратора 4 и пригрузки 5, опирающейся
на формующую плиту с помощью пружин 7.
Во время работы скользящий виброштамп перемещается по от#
ношению к формуемому изделию, придавая его поверхности требу#
емую форму и уплотняя бетонную смесь.
Удельное давление виброштампов на бетонную смесь колеблется
в пределах 0,01...0,06 мПа.
Центрифугирование. Метод центрифугирования применяется при
изготовлении железобетонных труб, опор контактной сети и других
аналогичных конструкций.
В зависимости от способа закрепления форм центрифуги делят#
ся на: роликовые, ременные и осевые. В роликовых центрифугах
333
металлическая форма свободно лежит на роликах и вращается бла#
годаря фрикционному сцеплению бандажей с катками валков, в ре#
менных она свободно подвешена на клиновидных ремнях и приво#
дится во вращение силами трения между ремнями и формой, в осе#
вых или шпиндельных центрифугах металлическая форма жестко
закрепляется в планшайбах и вращается вместе с ними.
Наиболее широкое распространение получили роликовые цент#
рифуги ввиду простоты их конструкции. На центрифугах такого типа
можно изготавливать железобетонные трубы диаметром до 1,5 м.
Электродвигатель через гидравлическую муфту и цепную передачу
передает вращение на дифференциал. От дифференциала вращение
форме передается через полуоси и ведущие ролики. Форма своими
бандажами опирается на ролики: ведущие и ведомые. Центрифуги#
рование ведется с переменными скоростями вращения: в течение
первых трех минут скорость составляет 80—160 об/мин. Это позво#
ляет равномерно распределять бетонную смесь по всему сечению
изделия.
Далее скорость вращения возрастает до 400—500 об/мин, в резуль#
тате чего происходит уплотнение бетонной смеси и отжатие избыточ#
ной воды, не участвующей в процессе гидратации цемента.
Тепловая обработка изделия осуществляется подачей пара в по#
лость, образованную внутренней опалубкой, либо в пропарочной ка#
мере.
Кассетный способ изготовления ЖБИ позволяет изготовлять раз#
нообразные по размерам и форме изделия: фермы и объемные мо#
нолитные блоки комнат и квартир, панели внутренних и наружных
стен и перегородок, лестничные марши и площадки и др. Кассетное
производство является стендовым.
Особенность кассетного способа производства заключается в вер#
тикальном формовании изделий в стационарных разъемных метал#
лических формах#кассетах.
Кассета — это вертикальная групповая опалубочная форма, пред#
назначенная для одновременного изготовления двух и более изделий.
Есть кассетные установки, в которых одновременно формуется
12 стеновых панелей. Отсеки образуются вертикальными раздели#
тельными стенками. Разделительные стенки могут выполняться гиб#
кими — из металлических стальных листов толщиной 24 мм или же#
сткими — в виде пространственных металлических коробов. Формо#
334
вочные отсеки кассеты имеют размеры, соответствующие размерам
изготовляемого изделия. Изделие формуется между стенками отсе#
ков, куда мостовым краном устанавливают арматурный каркас с зак#
ладными деталями. Бетонная смесь, поступающая в отсеки, уплот#
няется вибрированием.
Вибраторы прикрепляют к разделительным стенкам.
Применяется также метод пакетной вибрации, при котором виб#
роустройство горизонтально направленного действия вибрирует весь
пакет стенок кассеты. В некоторых конструкциях кассет вибрация пе#
редается через арматуру бетонируемого изделия.
После окончания формования изделие подвергается тепловой
обработке в этих же формах, где для этой цели предусмотрены спе#
циальные полости. В них поступает теплоноситель — острый пар или
перегретая вода. Усовершенствованные кассетные установки выпол#
няются с электротермическим прогревом бетона.
Сборка и разборка кассетных форм производится специальными
установками с гидравлическим приводом. На сохранившихся уста#
новках старого образца используется механический привод.
Кассетное производство может быть и конвейерным. Эта техно#
логия получила название «подвижные щиты». Технология предусмат#
ривает формование изделий в одном конце кассетно#конвейерной
установки, а их распалубку – в другом.
Набор разделительных стенок такой установки непрерывного дей#
ствия периодически перемещается в сторону распалубки. В средней
части установки изделие проходит зону термической обработки.
4.2.4. Транспортирование и складирование строительных
конструкций. Грузозахватные устройства
Доставка строительных конструкций и материалов на объекты
железнодорожного строительства является достаточно сложной за#
дачей.
Суть ее в том, что новые железные дороги строят, как правило, в
малообжитых или совсем неосвоенных районах, где нет предприя#
тий строительной индустрии, а объекты строительства (разъезды,
железнодорожные станции) отстоят один от другого на десятки ки#
лометров.
В этих условиях в проекте организации строительства обычно ре#
ализуется следующая схема: доставка строительных грузов по желез#
335
ной дороге до станции, примыкающей к новостройке, а далее авто#
мобильным транспортом до стройплощадки.
Возможен также вариант доставки материалов водным путем с
последующей перевалкой на автотранспорт. Хотя водный транспорт
наиболее дешевый, особенно при перевозках на большие расстояния,
он имеет существенный недостаток — сезонность.
Наиболее адаптированным к перевозке строительных грузов яв#
ляется автомобильный транспорт, на долю которого приходится око#
ло 80 % всех перевозок.
Для транспортирования сборных железобетонных конструкций
автомобильным транспортом используется специализированный
подвижной состав соответствующих грузоподъемности и размеров
грузовой площадки (рис. 4.22). Применение специализированного
автотранспорта практически исключает возможность полезной за#
грузки при обратных рейсах. В этой связи его использование оказы#
вается экономически оправданным при расстояниях не более 100 км
от завода изготовителя (или временного склада) до стройплощадки.
Рис. 4.22. Специализированный автотранспорт для перевозки железобетонных
изделий: а — панелевоз хребтового типа; б — кассетный панелевоз; в — фермо#
воз; г — автопоезд, предназначенный для перевозки санитарно#технических
кабин и элементов шахт лифтов
336
Выбирая транспортные средства, необходимо исходить из макси#
мального использования их грузоподъемности. Удовлетворительным
можно считать значение коэффициента использования грузоподъем#
ности (отношение массы перевозимого груза к номинальной грузо#
подъемности автомобиля), равное 0,8...1,0. Перегрузка автомобиля
не должна превышать 5 % его грузоподъемности.
Конструкции, отдельные детали и монтажные элементы из сбор#
ного железобетона складируют на заранее подготовленной площад#
ке, предусмотренной проектом производства работ. Площадка для
складирования должна иметь уплотненное земляное основание,
спланированное с уклоном 1—2о для стока атмосферных вод.
Штабеля сборных конструкций, как правило, размещают с одной
стороны здания вдоль путей башенного крана, что дает возможность
машинисту#крановщику вести наблюдение за ходом работ по стро#
повке и подъему монтажных элементов.
Железобетонные сборные конструкции располагают на складе в
штабелях по несколько штук в высоту или по несколько штук в од#
ном ряду, в положении, близком к проектному (рис. 4.23). Исключе#
нием являются колонны, которые укладывают горизонтально. Фер#
мы и стропильные балки размещают в один ярус по высоте также в
положении, близком к проектному, и удерживают специальными на#
правляющими, образующими кассеты. Укладку ферм в наклонном
положении по несколько штук в ряд осуществляют при помощи спе#
циальных упоров. Колонны можно располагать в штабеля в четыре
ряда по высоте, но не более чем на 2 м. Прокладки размещают на
расстоянии от 1/5 до 1/6 длины колонны. Ригели укладывают в шта#
бель высотой до 2 м, но не более трех рядов, с подкладками, распо#
ложенными на расстоянии 120 см от торцов ригелей. Ригели верхне#
го ряда штабеля должны быть скреплены между собой скрутками за
монтажные петли. Многопустотные плиты перекрытий складывают
высотой до 2,5 м, но не более 12 рядов: подкладки располагают на
расстоянии 25 см от края плиты.
Лестничные марши укладывают ступенями вверх в 5—6 рядов по
высоте штабеля: прокладки расставляют на расстоянии 15 см от края.
Высоту штабелей лестничных площадок принимают не более четы#
рех рядов с установкой прокладок на расстоянии 30 см от торцов. Сте#
новые панели здания располагают в штабелях вертикально в кассе#
тах или в наклонном положении в пирамидках.
337
Рис. 4.23. Складирование элементов строительных конструкций: 1 — фунда#
ментные блоки#подушки; 2 — многопустотные плиты перекрытий; 3 — лестнич#
ные марши; 4 — железобетонные ригели; 5 — железобетонные балки покрытий;
6, 7 — металлоконструкции
Складируемые элементы должны опираться на деревянные под#
кладки и прокладки, расположенные в местах, указанных в проекте.
Применение промежуточных прокладок не разрешается. Толщина
подкладок и прокладок — не менее 25 мм и не менее высоты стропо#
вочных петель или других выступающих частей сборных конструк#
ций. При многоярусной укладке в штабеля подкладки и прокладки
располагают строго по одной вертикали. Применение прокладок
круглого сечения не разрешается. При складировании двухветвевых
колонн прокладки ставят под каждую ветвь, чтобы обеспечить рав#
номерное опирание конструкции.
Сборные конструкции должны быть сложены таким образом, что#
бы обеспечить безопасную работу такелажника при укладке деталей
в штабель, а в дальнейшем — при их строповке и подъеме.
Проходы между штабелями устраивают не реже чем через каждые
два штабеля в продольном направлении и 25 м — в поперечном.
338
Ширина прохода должна быть не менее 1 м, а зазоры между смеж#
ными штабелями — 0,2 м. Ширину проездов между штабелями на#
значают в зависимости от размеров транспортных средств и погру#
зо#разгрузочных кранов.
Краны для разгрузки элементов необходимо устанавливать так,
чтобы обеспечить необходимую грузоподъемность при надлежащем
вылете крюка.
На складе металлических конструкций размещают поступающие
элементы, а также выполняют все подготовительные работы: сорти#
ровку элементов, правку поврежденных деталей, обустройство кон#
струкций стыковыми соединениями, очистку, усиление конструкций
на период монтажа, укрупнительную сборку конструкций и др.
Конструкции укладывают на подкладки, расположенные через
1,5...2 м; подкладки под фермы устанавливают под узлами нижнего
пояса.
Фермы и балку на складе хранят, как правило, в вертикальном
положении, чтобы исключить излишнюю кантовку конструкций при
их разгрузке и подаче к месту монтажа.
Некоторые конструкции из#за негабаритности или большой мас#
сы прибывают на строительство отдельными частями. Это относит#
ся к колоннам и фермам, а также и тяжелым элементам, превышаю#
щим грузоподъемность транспортных средств. Такие конструкции
перед монтажом предварительно укрупняют.
Современное техническое оснащение строительного производ#
ства позволяет вести монтаж конструкций «с колес», без организа#
ции приобъектного склада.
В условиях железнодорожного строительства без организации
приобъектного склада обойтись практически невозможно. Посколь#
ку создание приобъектного склада требует материальных, трудовых
и финансовых затрат, необходимо минимизировать его площадь, ис#
ходя из наличия на складе конструкций, обеспечивающих непрерыв#
ность технологического цикла.
Необходимый запас конструкций (в монтажных единицах)
мз = мс·t,
(4.2)
где мс – суточный расход конструкций;
t – время, на которое рассчитывается запас (в сутках) с учетом затрат време#
ни на доставку конструкций, их разгрузку, приемку и т.д.
339
Все конструкции на складе хранят по маркам и очередности их
монтажа. Общая площадь склада
S =∑
mз
RK
,
(4.3)
где mз — число сборных конструкций, хранящихся на складе одновременно;
R — количество материала, хранимого на 1 м2 площади;
К — коэффициент использования склада, принимаемый равным 0,55...0,6.
При организации складов для монтажа конструкций самоходным
стреловым краном сборные элементы располагают близ мест их
установки. Элементы раскладывают так, чтобы монтажный кран смог
поднимать их и перемещать для установки в проектное положение
без изменения места своей стоянки и вылета стрелы.
Такое размещение сборных конструкций на строительной пло#
щадке характерно при возведении одноэтажных промышленных зда#
ний, транспортных зданий (локомотивные депо, эксплуатационно#
ремонтные базы и т.п.) и других аналогичных объектов.
При приемке доставленных конструкций проводят их наружный
осмотр: выявляют дефекты завода#изготовителя, а также дефекты,
возникшие в процессе транспортировки, проверяют размеры конст#
рукций, наличие закладных деталей, выпусков арматуры и т.п.
Все конструкции, поставляемые заводом#изготовителем, имеют
маркировку несмываемой краской. Кроме того, поставляемые изде#
лия имеют паспорта, а металлические конструкции — сертификаты
с указанием прочностных характеристик, химического состава, даты
и номера плавки металлургического завода.
Для строповки строительных конструкций, деталей и материалов
используют грузозахватные устройства в виде гибких стропов, тра#
верс, механических и вакуумных захватов.
Грузозахватные устройства должны обеспечивать безопасность
монтажных работ, удобство строповки и расстроповки грузов, надеж#
ность зацепления или захвата, исключающую возможность несанк#
ционированного отцепления груза.
Грузозахватные устройства в обязательном порядке проходят ис#
пытания на статическую и динамическую нагрузку. Предельную гру#
зоподъемность грузозахватных устройств указывают на специальном
клейме. Некоторые типы наиболее распространенных строповочных
приспособлений приведены на рис. 4.24.
340
Рис. 4.24. Строповочные приспособления: а — балочная траверса для подъема
ферм; б, в — траверсы для подъема колонн; г — самобалансирующий строп;
д — универсальный строп; е — четырехветвевой строп; ж — двухветвевой строп;
1 — траверса; 2 — облегченый строп; 3 — универсальный строп; 4 — подкладки
Гибкие стропы представляют собой стальные канаты. Их приме#
няют при подъеме легких колонн, балок, плит, стеновых панелей и
др. Стропы выполняют универсальными и облегченными в зависи#
мости от технологического назначения — одно#, двух#, четырех# и
шестиветвевыми.
Универсальные стропы – это замкнутые петли длиной от 8 до 15 м,
изготовленные из стального каната диаметром 18...30 мм. Их приме#
341
няют для непосредственного захвата конструкции путем ее обвязки
(рис. 4.24, д).
Облегченные стропы изготавливают диаметром 12...20 мм. На их
концах устанавливают петли на коушах, крюки или карабины. Четы#
рех# и шестиветвевые стропы применяют для подъема крупноразмер#
ных плит (рис. 4.24, г, е).
Траверсы выполняют в виде металлических балок или треугольных
сварных ферм. На концах нижнего пояса устанавливают блоки, че#
рез которые проходят стропы (рис. 4.24, а).
Когда поднимаемые элементы не могут воспринимать горизон#
тальные сжимающие усилия, возникающие в них из#за острого угла
наклона облегченных стропов, применяют траверсы.
Траверсами поднимают длинномерные конструкции: стропиль#
ные фермы и балки, колонны и т.п. Строповка может производить#
ся за две или четыре точки.
Для подъема крупногабаритных конструкций типа структурного
пространственного блока ЛМК «ЦНИИСК» или плиты покрытия
размером 3 × 12 м используют пространственные траверсы.
На траверсе могут устанавливаться облегченные стропы. Для подъ#
ема колонн предназначены траверсы, показанные на рис. 4.24, б.
Захваты предназначены для беспетельного подъема монтируемых
элементов. Их применяют при монтаже крупноразмерных тонко#
стенных железобетонных конструкций, в которых недопустимы даже
незначительные монтажные напряжения. Этим требованиям отвеча#
ют вакуумные захваты. Конструкция удерживается за счет усилий,
вызванных разрежением воздуха.
Вакуумные захваты состоят из вакуум#камер, шланга и вакуум#
насоса. Захват подвешивают к грузовому крюку крана. Пульт управ#
ления устанавливают в кабине крановщика. Площадь необходимой
вакуумной камеры определяют расчетом. По результатам расчета
подбирают необходимый комплект оборудования с учетом коэффи#
циента запаса, принимаемого в пределах 2...3,5.
При приближенных расчетах считают, что на 1 кг массы поднима#
емого груза требуется примерно 1,2 см2 площади вакуумной камеры.
С помощью механических захватов поднимаемая конструкция
удерживается вследствие фрикционного зацепления или подхвата за
выступающие части. Такие захваты используют при монтаже колонн
(фрикционное зацепление), подкрановых балок (подхват).
342
4.2.5. Общие положения технологии монтажа строительных
конструкций
Монтаж конструкций — это механизированный комплексный
технологический процесс возведения зданий и сооружений из сбор
ных деталей, конструкций, узлов или пространственных блоков.
Чем выше степень заводской готовности строительных конструк
ций, тем меньше трудозатрат при их монтаже и продолжительность
работ. Комплексный процесс монтажа конструкций состоит из от
дельных процессов и операций: транспортных, подготовительных и
монтажных. На рис. 4.25 представлена укрупненная структурная схе
ма технологического процесса.
К транспортным процессам относятся: доставка, разгрузка, при
емка и складирование конструкций.
Подготовительные процессы предусматривают укрупнительную
сборку, временное усиление конструкций на период их монтажа,
оснащение монтируемых конструкций лестницами, ограждениями и
прочими обустройствами.
Монтажные процессы включают в себя строповку или захват кон
струкции, ее перемещение (вертикальное, горизонтальное, радиаль
Рис. 4.25. Структура технологического процесса монтажа строительных кон
струкций
343
ное, поворотом и т.д.), наводку и ориентирование, выверку (визуаль#
ную или инструментальную), временное закрепление (в индивиду#
альных или групповых кондукторах или в других средствах), расстро#
повку и постоянное закрепление конструкции в проектном положе#
нии (на сварке, на болтах, омонолочиванием стыков).
Технологическая последовательность, методы монтажа, ведущие
технологические машины и механизмы, способы укрупнения конст#
рукций, способы временного и постоянного закрепления конструк#
ций, устройство стыков, перечень и конструкция лесов и подмостей,
места их установки, мероприятия, обеспечивающие безопасное веде#
ние работ и др. предусматриваются проектом производства работ.
Монтаж строительных конструкций может быть осуществлен по
двум схемам: монтаж «со склада» и монтаж «с колес».
При организации монтажа «со склада» все перечисленные техно#
логические процессы и операции выполняют непосредственно на
строительной площадке.
При организации монтажа с транспортных средств «с колес» на
строительной площадке выполняют только монтажные процессы.
Подготовленные к монтажу конструкции доставляют на сборочную
площадку с заводов#изготовителей в строго назначенное время в со#
ответствии с почасовым графиком поставок.
При такой схеме отпадает необходимость в приобъектных скла#
дах; исключаются промежуточные перегрузки сборных конструкций,
что создает благоприятные условия для производства работ на стес#
ненных территориях.
Укрупнение конструкций. В зависимости от степени укрупнения
конструкций различают мелкоэлементный, элементный и блочный
монтаж.
Наименее эффективным является мелкоэлементный монтаж,
который характеризуется наибольшей трудоемкостью, низким коэф#
фициентом использования крана по грузоподъемности из#за боль#
шой разницы в массах различных элементов.
В железнодорожном строительстве наиболее распространен эле#
ментный монтаж, т.е. использование таких элементов как колонны,
стеновые панели, плиты покрытия и перекрытия и т.д.
Нашел свое применение и блочный монтаж: из геометрически
неизменяемых плоских или пространственных блоков (здания из
ЛМК КП, объемных блоков).
344
Блочный монтаж характеризуется значительным уменьшением
числа подъемов конструкций, максимальным использованием гру#
зоподъемности кранов, сокращением числа технологических опера#
ций, осуществляемых на высоте.
Объединение конструкций в плоские или пространственные бло#
ки производится в процессе укрупнительной сборки. Степень укруп#
нения конструкций зависит от грузоподъемности монтажного кра#
на и технологии доставки укрупненных блоков под монтаж.
Железобетонные фермы, если они не могут быть доставлены це#
ликом, укрупняют из двух элементов в вертикальном положении на
специальных стеллажах кассетного типа. Положение стыка регули#
руют с помощью домкратов или зажимных винтов, которые позво#
ляют перемещать концы полуферм по горизонтали и вертикали.
Железобетонные колонны укрупняют в горизонтальном положении.
Железобетонные фермы и колонны обычно укрупняют на складе и
оттуда в укрупненном виде подают на монтаж.
Для укрупнительной сборки металлических конструкций, соеди#
няемых на сварке, оборудуют стенд с возможностью автоматической
сварки стыков. Для точной сборки и обеспечения качества сварных
стыков устанавливают специальные сборочные кондукторы — мани#
пуляторы и кантователи. При больших объемах работ процесс укруп#
нительной сборки может быть роботизирован.
Металлические фермы, подкрановые балки и другие элементы
конструкций, имеющие большую поперечную гибкость, укрупняют
преимущественно в горизонтальном положении.
При больших объемах работ укрупнение конструкций в блоки
размером на ячейку осуществляется на конвейерных линиях. Кон#
вейерная линия размещается на рельсовых путях, по которым на
специальных тележках перемещают укрупняемые блоки. На каж#
дом посту выполняют только один вид работ по укрупнению. Бло#
ки состоят из ферм, объединенных связями и прогонами, по кото#
рым укладывают кровлю в виде профилированного утепленного на#
стила.
Укрупнение конструкций в монтажные блоки существенно сокра#
щает сроки строительства.
Монтажное усиление конструкций. В ряде случаев до начала мон#
тажа приходится временно усиливать конструкции, имеющие недо#
статочную жесткость в одной из плоскостей, например большепро#
345
летные металлические фермы, металлические колонны многоэтаж#
ных зданий, монтируемые целиком и т.п.
Временное усиление элементов конструкций выполняют тогда,
когда применяемые способы строповки не могут обеспечить проч#
ность и устойчивость монтируемых конструкций или их элементов
вследствие возникающих в них усилий при подъеме.
Так, например, нижние пояса металлических ферм при их боль#
шой свободной длине могут быть неустойчивыми в направлении из
плоскости фермы.
Чтобы монтажные нагрузки не вызывали опасных деформаций в
поднимаемых элементах ферм, последние в соответствии с расчетом
усиливают трубами, брусьями и т.п.
Иногда для усиления ферм их превращают из плоской конструк#
ции в пространственную установкой временных распорок и тяжей.
Металлические фермы обычно поднимают за 2—4 узла верхнего
пояса. При строповке за узлы, расположенные близко к середине
фермы, в нижнем поясе, рассчитанном на растяжение, возникает
усилие сжатия, и из#за большой гибкости из плоскости фермы он
может потерять устойчивость. При строповке за узлы, расположен#
ные у опорных концов фермы, хотя изменения знаков усилий в по#
ясах и не происходит, верхний сжатый пояс при большой его свобод#
ной длине также может оказаться недостаточно устойчивым. Кроме
того, такая строповка требует применения длинных тяжелых траверс
или монтажа ферм двумя кранами. Поэтому при выборе места стро#
повки металлических ферм необходимо рассчитывать их на монтаж#
ную устойчивость.
Для обеспечения устойчивости поясов ферм их временно усили#
вают. При этом к нижнему или верхнему поясу ферм на расстоянии
0,8...1 м одна от другой закрепляют болтами или хомутами пласти#
ны, трубы или швеллеры.
В двухветвевых колоннах, которые в процессе монтажа поворачи#
вают, опирая на нижний конец одной ветви, устанавливают времен#
ную распорку между ветвями для предотвращения деформаций в
раскосах решетки.
Перед монтажом тщательно проверяют геометрические размеры
элементов и соответствие закладных деталей проекту. После этого на
элементы конструкций навешивают монтажные приспособления и
оснащение.
346
Строповку ведут в строгом соответствии с указаниями технологи#
ческой карты. В карте отмечены места строповки, расположение цен#
тра тяжести монтируемой конструкции, способ захвата, конструкция
стропа и его основные параметры.
Для обеспечения безопасных условий труда монтажников на вы#
соте сборные конструкции обустраивают подмостями, люльками,
лестницами и другими временными приспособлениями. Инвентар#
ные навесные подмости, площадки и лестницы закрепляют к мон#
тируемым элементам у мест их установки.
Для подъема рабочих на подмости на колонны навешивают лест#
ницы.
4.2.6. Краны для строительно$монтажных работ
В строительном производстве краны применяют при монтаже
конструкций, вертикальном и горизонтальном перемещении стро#
ительных материалов при погрузочно#разгрузочных работах, в под#
собных производствах и т.д.
Краны классифицируют по следующим признакам:
– по способности передвижения в процессе выполнения техно#
логических операций — самоходные, стационарные, самоподъемные
и переставные.
– по ходовому оборудованию — гусеничные, пневмоколесные, на
автомобильном шасси, рельсовые, на железнодорожном ходу и пла#
вучие.
– по силовому оборудованию — с двигателями внутреннего сго#
рания, дизель#электрические и с электродвигателями.
В железнодорожном строительстве наибольшее распространение
получили стреловые самоходные и башенные краны. В меньшей сте#
пени используются краны на железнодорожном ходу.
Стреловые самоходные краны благодаря своей мобильности, ма#
невренности и разнообразию стрелового оборудования являются
основой машинного парка транспортных строителей. Краны этой
группы оснащены инвентарным оборудованием в виде вставок для
увеличения длины стрелы; гуськами, позволяющими увеличить вы#
лет стрелы. Значительно расширена область применения стреловых
кранов за счет их оснащения башенно#стреловым оборудованием.
Все это делает самоходные стреловые краны универсальной стро#
ительно#монтажной машиной.
347
Гусеничные краны (рис. 4.26) исполь#
зуют преимущественно на объектах с
большими объемами работ, например та#
ких, как одноэтажные каркасно#панель#
ные производственные здания из сбор#
ного железобетона и металлических кон#
струкций.
В железнодорожном строительстве к
таким объектам относятся локомотивные
депо, пункты контрольного техническо#
го осмотра вагонов (ПКТО), эксплуата#
ционно#ремонтные базы (ЭРБ) дистан#
ции пути и т.п.
Типоразмерный ряд включает краны
грузоподъемностью 16; 25; 40; 63 и 100 т.
Фирма «Liebherr» (ФРГ) выпускает кран
Рис. 4.26. Стреловой кран
грузоподъемностью 1000 т, максималь#
на гусеничном ходу, обору#
ным вылетом крюка 100 м и высотой
дованный гуськом: 1 — ос#
подъема 175 м.
новная стрела; 2 — гусек;
Важнейшим качеством гусеничных
3 — противовес
кранов является их устойчивость, что
позволяет вести работы без выносных опор. Давление на грунт
0,15...0,20 мПа. Кран может перемещаться с грузом на крюке, мас#
са которого составляет 90 % от максимальной грузоподъемнос#
ти. Перемещают гусеничные краны с объекта на объект на трей#
лерах.
Гусеничные краны имеют либо автономную силовую установку
(дизельную или дизель#электрическую), либо электрический привод
с питанием от внешней сети.
Пневмоколесные краны выпускают такой же грузоподъемности, как
и гусеничные. Для обеспечения устойчивости при реализации мак#
симальной грузоподъемности краны устанавливают на 4 выносные
опоры.
На расстояние до 5 км пневмоколесные краны перемещаются
собственным ходом со скоростью до 20 км/ч. При бîльших расстоя#
ниях их буксируют автотягачом.
Область применения пневмоколесных кранов та же, что и гусе#
ничных. Удельное давление на грунт 0,3...0,4 мПа.
348
Краны на специальном шасси автомобильного типа. Этот тип кра#
нов обладает высокой мобильностью, как автомобильные (скорость
до 60 км/ч), и грузоподъемностью, как гусеничные краны, — до 160 т.
Краны оснащены телескопическими стрелами (рис. 4.27).
Рис. 4.27. Кран на специальном шасси автомобильного типа с выдвижной
телескопической стрелой (транспортное положение)
Фирма «Liebherr» (одна из ведущих краностроительных фирм в
мире) выпускает серию кранов грузоподъемностью от 12 до 550 т, при
максимальном вылете стрелы от 16 до 100 м. Кран LG#1550 имеет
следующие характеристики: грузоподъемность 550 т, максимальный
вылет стрелы 116 м, максимальная высота подъема крюка 165 м, гру#
зоподъемность на максимальном вылете 9 т.
Фирма «Gottwald» (ФРГ) изготовила кран модели АК#912 со
стрелой решетчатого типа максимальной грузоподъемностью
1200 т. Конструкция крана предусматривает три типа стрел, в том
числе стандартную длиной от 23 до 113 м и башенного типа длиной
24—84 м.
Следует отметить, что за последние годы все ведущие зарубеж#
ные краностроительные фирмы постоянно сокращают выпуск гу#
сеничных и практически прекратили выпуск традиционных пнев#
моколесных кранов. Это объясняется современными требования#
ми строительства и необходимостью быстро перебрасывать краны
с одного объекта на другой по территории не только одной страны,
но и соседних, в основном европейских стран с хорошими автотрас#
сами.
Автомобильные краны смонтированы на шасси серийных автомо#
билей. Их грузоподъемность составляет 4—16 т. Они оборудуются ре#
шетчатыми или телескопическими стрелами. Хотя автокраны пол#
ноповоротные, их рабочая зона в плане составляет около 270о (над
кабиной водителя подъем и опускание груза запрещены). Автокра#
ны, как правило, работают с установкой выносных опор.
349
Область применения этих кранов: погрузочно#разгрузочные ра#
боты, вертикальный транспорт строительных материалов, небольшие
объемы строительно#монтажных работ.
Стреловые краны на железнодорожном ходу используют при
установке опор контактной сети, монтаже малогабаритных зданий из
объемных блоков, при восстановительных работах в случаях чрезвы#
чайных ситуаций на железных дорогах.
Башенные краны. Башенные краны выпускают самоходными на
рельсовом ходу, приставными и самоподъемными. Известны конст#
рукции башенных кранов на гусеничном ходу. Наибольшее распро#
странение в гражданском и промышленном строительстве получи#
ли башенные краны на рельсовом ходу. Они подразделяются на две
большие группы: краны с поворотной башней и краны с поворотным
оголовком (рис. 4.28).
Башенные краны оснащают балочными или подъемными стре#
лами. Балочная стрела, как правило, располагается горизонтально
(рис. 4.28, а). Вдоль ее нижнего пояса перемещается грузовая карет#
ка с подвешенным крюком. В Г#образную конфигурацию крана хо#
рошо вписываются объекты прямоугольного очертания. Достоинство
Рис. 4.28. Башенные краны: а — с поворотным оголовком; б — с поворотной
башней; 1 — башня; 2 — стрела; 3 — поворотный оголовок; 4 — поворотная плат#
форма; 5 — противовесная платформа; 6 — противовес; 7 — балласт;
8 — ходовая тележка
350
такой конструкции заключается в том, что для перемещения груза в
горизонтальной плоскости нет необходимости передвигать кран на
новую монтажную позицию – для этого достаточно переместить ка#
ретку. Таким образом достигается практически полное использова#
ние подстрелового пространства.
В кранах такой конструкции их грузоподъемность постоянна при
любом положении грузовой каретки.
Недостатками кранов с подъемными стрелами (рис. 4.28, б) явля#
ются их частые перемещения по фронту работ, поскольку грузовой
крюк закреплен в головной части стрелы, а также необходимость из#
менения угла наклона стрелы к горизонту при подаче монтажного
элемента к месту его установки. Обе указанные операции увеличи#
вают время цикла работы крана. Кроме того, при изменении угла на#
клона стрелы меняется грузоподъемность крана.
Краны с поворотной башней в силу конструктивных особеннос#
тей значительно лучше приспособлены к перебазированию: стрела
опускается вдоль башни. Башня вместе со стрелой своим оголовком
опускается на кузов автомобильного тягача. С крана снимают толь#
ко балласт в виде бетонных блоков, расположенных на несущей раме
поворотной платформы.
Для перебазирования крана с поворотным оголовком необходи#
мо отстыковать стрелу и противовесную консоль с контргрузом, рас#
стыковать секции башни и ее основание, демонтировать опорно#
ходовую раму и бетонные блоки противовеса. Кран перевозится от#
дельными узлами с последующей их сборкой на новом объекте.
На железнодорожном транспорте башенные краны применяют
при строительстве малоэтажных объектов различных служб железной
дороги, например административно#бытовых зданий.
Из других видов кранового оборудования можно отметить козло!
вые краны, которые обслуживают звеносборочные базы, контейнер#
ные площадки и используются для других видов погрузочно#разгру#
зочных работ.
При выборе монтажного крана сопоставляют его конструктивно#
эксплуатационные параметры с геометрическими параметрами воз#
водимого здания или сооружения. При этом необходимо соблюдать
следующие условия.
1. Грузоподъемность крана при вылете стрелы, соответствующем
установке в проектном положении наиболее тяжелого элемента, дол#
351
жна быть более его массы с учетом массы применяемого строповоч#
ного приспособления.
2. Вылет крюка крана, равный расстоянию от оси вращения кра#
на до оси крюка, должен быть не менее расстояния до места установ#
ки в проектное положение наиболее удаленного от крана элемента;
3. Высота подъема крюка, равная расстоянию от уровня стоянки
крана до низа крюка в его максимально поднятом положении долж#
на быть не менее уровня установки в проектное положение наиболее
высоко расположенного элемента с учетом высоты элемента и стро#
повочного приспособления, а также запаса по высоте, необходимого
по условиям монтажа для заводки элемента на место установки.
Для стреловых самоходных кранов требуемый вылет крюка (рис. 4.29)
dвк = dш + d + ∆ш + Bоб,
(4.4)
где dш — расстояние от оси вращения крана до опорного шарнира стрелы;
d — расстояние от опорного шарнира до границы приближения крана к воз#
водимому объекту, м;
∆ш — размер допустимого приближения стрелы крана к конструкциям со#
оружения;
Воб — расстояние от ближайшей к крану границы объекта до центра тяжес#
ти наиболее удаленного от крана элемента, м.
Рис. 4.29. Схема выбора стрелового крана по техническим параметрам: 1 — ко#
лонна; 2 — стропильная ферма; 3 — плита покрытия
352
Расстояние d определяют по формуле
d =∑
H об − Н ш
tg α
,
(4.5)
где Ноб — отметка наивысшей точки объекта, м;
Нш — расстояние от уровня стоянки крана до уровня расположения опор#
ного шарнира, м;
α — угол наклона стрелы крана к горизонту.
Для башенного крана требуемый вылет крюка (рис. 4.30)
dвк = dp + ∆ш + Bоб,
(4.6)
где dр — радиус, описываемый поворотной платформой крана;
∆ш при работе башенных кранов принимают равным 0,7 м.
Рис. 4.30. Схема выбора башенного монтажного крана по техническим парамет#
рам: Bоб — расстояние от ближайшей границы объекта до центра тяжести наи#
более удаленного элемента, м; dвк — вылет крюка, м; Ноб — отметка наивыс#
шей точки объекта, м; dp — радиус, описываемый поворотной платформой
(dp = 3,0…3,5), м; Нэл — высота монтажного элемента; hсп — высота стропо#
вочного приспособления, м; ∆ш при работе башенных кранов принимают рав#
ным 0,7 м; ∆в — запас по высоте 0,5 м
353
Необходимая высота подъема крюка для стреловых самоходных
и башенных кранов
Нкр = Ноб + ∆в + Нэл + hсп,
(4.7)
где ∆в — запас по высоте, требуемый по условиям монтажа (∆в = 0,5 м);
Нэл — высота монтируемого элемента, м;
hсп — высота строповочного приспособления, м;
Ноб — отметка наивысшей точки объекта, м.
Следует отметить, что для выбора оптимальной модели монтаж#
ного крана разработаны компьютерные программы.
Сменная эксплуатационная производительность крана (шт./см)
Пэ = 60·8,2·Кв/tцк,
(4.8)
где tцк — время цикла крана, мин;
Кв — коэффициент использования крана по времени (может быть принят
для башенных кранов Кв = 0,9, для стреловых самоходных кранов при работе
без выносных опор Кв = 0,85 и с выносными опорами Кв = 0,8);
8,2 — продолжительность смены, ч;
tцк = tс + tтр + tму,
(4.9)
где tс — время строповки и расстроповки, мин;
tтр — время транспортных операций, выполняемых краном (подача на уста#
новку элемента и обратное перемещение крюка), мин;
tму — время установки, выверки и закрепления монтажного элемента.
Время ручных операций tруч = tс + tму. Время транспортных опе#
раций (машинное время)
′
Н
Н кр
S
S
α
кр
t тр =
+
+
+ тг + к К с ,
V1
V2 180 nвр V3 V4
(4.10)
где Нкр — высота подъема крюка, включающая расстояние от поверхности земли
до уровня установки элемента в проектное положение, высоту элемента и гру#
зозахватного приспособления, а также 0,5 м — запас, обеспечивающий удоб#
ство заводки элемента на место установки, м;
Н ′ — высота опускания крюка, м;
кр
α — угол поворота платформы крана, необходимый для установки элемента
в среднее проектное положение, радиан;
Sтг — расстояние передвижения грузовой тележки крана или изменение вы#
лета стрелы ее подъемом и опусканием;
354
Sк — расстояние передвижения крана;
V1, V2, V3, V4 — скорости соответственно подъема и опускания крюка, пере#
движения грузовой тележки и крана, м/мин;
Кс — коэффициент, учитывающий совмещение отдельных операций;
nвр — скорость вращения поворотной платформы, об/мин.
Сменная эксплуатационная производительность крана, исчисля#
емая массой смонтированных строительных конструкций в тоннах
Пэ = 60·8,2·Q ·Кв·Кг/Тцк,
(4.11)
где Кг — коэффициент использования крана по грузоподъемности (Кг = mг/Q);
Q — грузоподъемность крана, т;
mг — масса монтируемой конструкции.
4.2.7. Монтаж железобетонных конструкций
бескаркасных зданий
Монтаж строительных конструкций — это технологический про#
цесс возведения зданий и сооружений из отдельных элементов, кон#
струкций, узлов или пространственных блоков.
По способу установки, наводки и ориентирования конструкций
в проектное положение различают следующие методы монтажа: сво!
бодный, ограниченно свободный и принудительный (метод простран#
ственной самофиксации).
Подробнее эти методы будут рассмотрены на примере монтажа
крупнопанельных бескаркасных зданий. Типичным представителем
таких зданий являются административно#бытовые корпуса раз#
личных служб железной дороги, дома отдыха локомотивных бригад
и др.
Принципиального отличия в технологии монтажа этого типа
транспортных зданий и зданий гражданского назначения нет.
Монтаж ленточных фундаментов. Ленточные фундаменты обычно
выполняются из железобетонных блоков#подушек марки ФЛ. Их
монтаж ведут стреловыми самоходными кранами, располагающими#
ся за пределами котлована. Установку блоков#подушек можно вести
башенным краном, который в дальнейшем будет монтировать кон#
струкции надземной части здания.
Монтаж фундаментов начинают с укладки маячных угловых и ма#
ячных промежуточных блоков. Промежуточные маячные блоки
устанавливают, как правило, в местах примыкания поперечных стен
к продольным. Остальные блоки укладывают от маячного углового
355
до маячного промежуточного. Положение в плане промежуточных
блоков определяют по причальному шнуру, закрепленному на маяч#
ных блоках.
Проектная отметка верха фундаментных блоков обеспечивается
тщательной подготовкой поверхности основания при строгом инст#
рументальном контроле. Отклонение отметок от проектных не дол#
жно превышать ±5 мм, а смещение осей фундамента в плане — не
более 10 мм.
Если подвальную часть здания сооружают из фундаментных бло#
ков типа ФБ, то их монтаж ведут по рядам, также начиная с укладки
маячных и промежуточных блоков. Проектное положение этих бло#
ков определяют по рискам, нанесенным на маячные угловые и про#
межуточные блоки#подушки. После определения положения маяч#
ных стеновых блоков их закрепляют рисками на блоках#подушках и
от этих рисок осуществляют с помощью рулетки разбивку положе#
ния промежуточных блоков по всем лентам фундаментов.
После выполнения разбивки тщательно укладывают маячные бло#
ки на слое раствора. Затем на этих блоках укрепляют причальный
шнур, а по нему и по нанесенным на блоках#подушках разбивочным
рискам укладывают все промежуточные стеновые блоки.
После укладки последнего ряда блоков проверяют правильность
их положения относительно разбивочных осей с помощью теодоли#
та, а также выполняют нивелировку поверхности верхнего ряда бло#
ков. Допуски на смещение осей блоков верхнего ряда от проектных
и отметок верхней поверхности этих блоков такие же, как и для бло#
ков#подушек.
Монтаж крупнопанельных стен. Из крупных панелей монтируют на#
ружные и внутренние стены крупнопанельных бескаркасных зданий.
Панели стен имеют различное конструктивное решение и разме#
ры. Их изготовляют с применением различных материалов, что ока#
зывает влияние как на способы монтажа, так и на способы заделки
стыков.
Бескаркасные крупнопанельные здания чаще возводят с попереч#
ными несущими и с наружными самонесущими стенами. Есть про#
екты зданий, у которых несущими являются продольные наружные
и внутренние стены.
Бескаркасные крупнопанельные дома с несущими поперечными
стенами монтируют в такой последовательности: вначале устанавли#
356
вают панели поперечных несущих стен, затем панели наружных стен,
санитарно#технические кабины, площадки и лестничные марши,
панели перекрытий.
При продольных несущих стенах последовательность монтажа
конструкций следующая: вначале устанавливают маячные панели,
образующие угол секции, затем панели наружной продольной сте#
ны, удаленной от монтажного крана; внутренние панели и панели
продольной стены, ближней к монтажному крану.
На прочность крупнопанельных зданий существенно влияет со#
осность передачи нагрузки от несущих конструкций вышележащих
этажей на нижележащие. Здесь важна не только соосность передачи
нагрузки от одной панели к другой, но и точность установки пане#
лей поперечных стен по разбивочным осям, так как при небольшой
их толщине надо обеспечить достаточную величину опирания на них
панелей перекрытий.
Существенное влияние на прочностные характеристики и долго#
вечность крупнопанельных зданий оказывает также конструктивное
решение узловых сопряжений отдельных элементов таких зданий, а
на эксплуатационные качества — также и принятые конструктивные
решения, заделка стыков и швов. Эти же решения оказывают влия#
ние на способы монтажа и на трудоемкость монтажных работ. На
успешное выполнение монтажных работ и эксплуатационные каче#
ства крупнопанельных зданий существенно влияет точность изготов#
ления сборных элементов.
Нарушения технологии монтажа плит междуэтажных перекрытий
и несущих стеновых панелей, а также неудовлетворительное качество
изготовления сборных конструкций приводит к авариям и разруше#
ниям зданий.
Элементы конструкций при монтаже крупнопанельных зданий
устанавливают различными способами.
Способ установки элементов по разметке с выверкой отвесом и
временным закреплением при помощи подкосов и струбцин назы#
вается свободным. Он наиболее трудоемок, точность монтажа зави#
сит в основном от квалификации исполнителей.
Поданную краном панель наружной стены устанавливают по раз#
меточным рискам и временно раскрепляют при помощи двух подко#
сов, закрепляемых за верхние грани панели струбциной. Другие спо#
собы закрепления подкосов к панелям: нижними концами подкосы
357
закрепляют за монтажные петли панелей перекрытий, за захваты для
строповки, установленные в монтажные отверстия панелей, или не#
посредственно за эти отверстия.
После временного раскрепления панелей их приводят в верти#
кальное положение при помощи подкосов и струбцин, снабженных
стальными муфтами (фаркопфами), пользуясь для этого рейкой#от#
весом, навешиваемой на панель с внутренней стороны. После вывер#
ки и раскрепления панелей стропы с них снимают.
Другим способом монтажа стеновых наружных и внутренних па#
нелей является ограниченно свободный, который определяет проект#
ное положение низа устанавливаемых панелей. Для монтажа исполь#
зуют комплект оснастки в виде кондуктора#туры (рис. 4.31), который
обеспечивает выверку и закрепление панелей во время их
установки. Он представляет собой объемный сварной каркас рамной
конструкции 1, который устанавливают на перекрытие с точностью
в плане ±50 мм, считая от поперечной оси здания, вынесенной на
перекрытие.
Рис. 4.31. Ограниченно свободный метод монтажа стеновых панелей: 1 — свар#
ной каркас кондуктора#туры; 2 — базовая панель; 3 — монтируемая панель;
4 — трубчатый фиксатор; 5 — упор, фиксирующий положение верха стеновой
панели; 6 — домкрат для фиксации панели в проектном положении; 7 — плас#
тины фиксатора низа стеновой панели; 8 — винт, регулирующий перемещение
трубчатого фиксатора
358
Первые базовые панели поперечных стен 2, примыкающие к туре,
прижимают домкратами 6 к упорам 5 трубчатых фиксаторов 4. Низ
панелей 2 предварительно заводят в вилочные фиксаторы 7.
Установку поперечных панелей ведут в обе стороны от базисных
панелей полупринудительно по фиксаторам с приведением в проек#
тное положение верха панелей и временным закреплением различ#
ными связями, устанавливаемыми по две штуки между каждыми
двумя панелями. Связи могут быть оснащены откидными струбци#
нами и поворотными фиксаторами, которыми соответственно за#
крепляют панели наружных стен и перегородок.
При монтаже бескаркасных крупнопанельных зданий повышен#
ной этажности достаточно сложно обеспечить высокую простран#
ственную точность установки панелей и соосность элементов кон#
струкций по высоте здания. Дальнейшим способом усовершенство#
вания монтажа стеновых панелей является метод пространственной
самофиксации, который заключается в
том, что на заводе ЖБИ при изготовле#
нии панелей в них с высокой степенью
точности закрепляют металлические
закладные детали, образующие при со#
пряжении панелей замковые соедине#
ния. Два замковых соединения распола#
гаются в двух верхних углах всех панелей
наружных и внутренних стен и одного
штыревого фиксатора (рис. 4.32) посере#
дине опорных поверхностей каждой па#
нели.
При такой схеме монтажа каждая уста#
навливаемая панель, за исключением за#
мыкающей ячейку, имеет одну степень
свободы. которая позволяет в случае не#
Рис. 4.32. Детали сопря#
обходимости изменить ее положение в
жения панелей стен и пе#
нужном направлении и тем самым обес#
рекрытий при замковом
печить замыкание ячейки.
(принудительном) методе
монтажа: 1 — стеновая па#
Детали сопряжения панелей стен и пе#
нель; 2 — штырь#фикса#
рекрытий при замковом (принудитель#
тор; 3 — панель перекры#
ном) методе монтажа выполняются в раз#
тия; 4 — контрольная гай#
личных вариантах.
ка; 5 — конусное гнездо
359
Оценивая все три метода монтажа железобетонных конструкций,
можно сделать следующие выводы:
– свободный метод прост, не требует больших затрат на монтаж#
ную оснастку, однако точность установки конструкций в проектное
положение зависит от субъективных факторов — профессиональных
навыков исполнителей;
– ограниченно свободный метод при более высоком качестве
монтажа конструкций требует значительных затрат на изготовление
оснастки — кондукторов#тур. Кроме того, усложняется технологи#
ческий процесс изготовления плит междуэтажных перекрытий, по#
скольку при их формовании необходимо обеспечить точность уста#
новки пластин фиксатора низа стеновой панели;
– недостатком принудительного метода является удорожание
конструкции за счет установки металлического замкового устройства.
Но главный недостаток метода состоит в том, что даже в заводских
условиях весьма затруднительно обеспечить высокую точность рас#
положения замковых устройств в конструкциях.
Панели наружных стен крупнопанельных зданий устанавливают
на слой раствора или цементно#песчаной пасты без прокладки или с
прокладкой в шов герметизирующего шнура.
Монтаж лестничных площадок выполняют аналогично монтажу
плит перекрытий многоэтажных зданий. Стропуют их четырехветве#
вым стропом.
Монтаж лестничных маршей также осуществляют аналогично мон#
тажу плит. Отличие в том, что их поднимают в наклонном положе#
нии, несколько превышающем их наклон в проектном положении.
Это необходимо для того, чтобы сначала опереть на лестничную пло#
щадку нижний конец марша, а затем опустить на опору верхний ко#
нец.
Монтаж санитарнотехнических кабин. Санитарно#технические
кабины поступают на стройку отделанными изнутри, оборудованны#
ми санитарно#техническими приборами и трубопроводами.
Санитарно#технические кабины монтируют способом «на вису»
при помощи кранов непосредственно с транспортных средств или со
складов. Застроповывают их за четыре монтажные петли вертикаль#
ными подвесками, закрепленными на траверсе, или четырхветвевым
стропом. При установке кабин следят за соосностью всех патрубков
и трубопроводов, а также за величиной зазора их в стыке.
360
Герметизацию стыков наружных стеновых панелей и блоков осу#
ществляют укладкой между ними пористых прокладок (пороизол,
гернит и др.) и нанесением с наружной стороны в стык уплотняю#
щих мастик (тиоколовой, полиизобутиленовой и др.).
Герметизирующие прокладки в горизонтальные стыки укладыва#
ют в процессе монтажа, а в вертикальные — после проверки верти#
кальных панелей и их закрепления в проектном положении.
При герметизации вертикальных
стыков соблюдают следующую оче#
редность работ: прочищают наруж#
ный зазор в стыке металлической
щеткой; поверхность стыка грунту#
ют клеящей мастикой; прокладку
роликом закатывают в загрунтован#
ный зазор. Затем в стык снаружи на#
гнетают уплотняющую мастику сло#
ем 20—25 мм.
При утеплении стыков в каче#
стве теплоизоляционных материа# Рис. 4.33. Стыковые соединения
панелей наружных стен: 1 — вкла#
лов применяют вкладыши из пено# дыш#утеплитель; 2 — герметик;
полистирола, стекловолокна и т.п. 3 — раствор; 4 — мастичная задел#
ка; 5 — панель перекрытия
(рис. 4.33).
4.2.8. Монтаж железобетонных конструкций одноэтажных
каркасных производственных зданий
Этот тип зданий широко распространен. К нему относятся глав#
ный корпус ЭРБ дистанции пути, служебно#производственное зда#
ние сетевого района и другие.
Монтаж конструкций таких зданий ведут тремя методами.
Раздельный (дифференцированный) метод предусматривает по#
следовательную установку однотипных элементов — сначала всех
фундаментов, затем — всех колонн, далее — всех подкрановых балок
и т.д.
Преимущества этого метода состоят в том, что в процессе установ#
ки однотипных конструкций не меняются состав звена монтажни#
ков, монтажная оснастка и строповочные приспособления. При этом
упрощается выверка конструкций, снижаются трудовые затраты за
361
счет специализации работ кранов и монтажников. Кроме того, зве#
но имеет широкий фронт работ.
Комплексный метод предусматривает последовательный монтаж
разнотипных конструкций, составляющих одну ячейку (в пределах
одного шага колонн). После установки плит покрытия и навесных
стеновых панелей (ячейка закрыта) звено монтажников переходит на
другую ячейку. Недостаток метода — узкий фронт работ и частая
смена монтажной оснастки. Достоинство — возможность устройства
в готовой ячейке фундаментов под оборудование, что позволяет вво#
дить производственные мощности поэтапно, не дожидаясь сдачи в
эксплуатацию всего объекта.
Однако применять такой метод при возведении здания со сбор#
ными железобетонными колоннами. заделываемыми в стаканы
фундаментов, нельзя, так как для монтажа элементов конструкций,
опирающихся на колонны, необходимо, чтобы бетон омоноличи#
вания стыка колонн приобрел не менее 70 % проектной прочнос#
ти.
Для комплексного метода предпочтителен вариант с металличес#
кими колоннами при закреплении их к фундаменту анкерными бол#
тами. В транспортных зданиях такая конструкция предусмотрена в
ЛМК КП.
Смешанный метод. При этом методе подколонники, колонны и
подкрановые балки устанавливают поочередно в пределах всего зда#
ния или его части, например температурного блока (раздельный ме#
тод), а балки, фермы и плиты покрытий — в пределах каждой ячей#
ки здания (комплексный метод). Смешанный метод применяют при
монтаже конструкций из сборных железобетонных и металлических
конструкций зданий.
Монтаж каркаса целесообразно вести специализированными тех#
нологическими потоками, каждый из которых оснащен соответству#
ющим стреловым краном и монтажной оснасткой.
Направление движения крана и его монтажные позиции (сто#
янки) определяют в проекте производства работ с таким расче#
том, чтобы с одной стоянки смонтировать максимальное число эле#
ментов.
При пролетах 12 м кран перемещается по оси пролета, что дает
возможность при дифференцированном методе устанавливать с од#
ной стоянки 4—6 подколонников.
362
При пролетах 24 и 30 м для монтажа подколонников, колонн и
подкрановых балок кран перемещается вдоль каждого ряда монти#
руемых конструкций.
Элементы конструкций одноэтажных каркасных зданий облада#
ют достаточно большой массой. Так, например, трехступенчатый
подколонник может иметь массу 12—15 т, колонны в зависимости от
высоты — 8—10 т. Это обстоятельство предопределяет выбор монтаж#
ного крана. Как правило, это краны на гусеничном ходу с большим
вылетом стрелы и грузоподъемностью 25, 60 т и более. Гусеничные
краны работают без выносных опор (в отличие от автомобильных и
пневмоколесных) и при установке конструкций могут передвигать#
ся с грузом на крюке.
Схемы монтажа одноэтажных промышленных зданий показаны
на рис. 4.34.
Рис. 4.34. Схемы монтажа одноэтажных промышленных зданий: а — продоль#
ный; б — поперечный (стрелкой показано направление сборки)
Монтаж фундаментов под колонны. Под железобетонные колонны
обычно применяют фундаменты стаканного типа. Подготовка осно#
ваний под фундаменты производится после разбивочных работ. Фун#
дамент устанавливают на уложенный слой песчаной или цементной
подготовки. Наводку фундамента на проектные оси выполняют в
подвешенном к крюку крана состоянии. Границы основания пред#
варительно фиксируют разбивочными кольями.
После монтажа фундаментов с помощью теодолита проверяют
правильность положения фундаментов в плане относительно разби#
вочных осей, а нивелиром — отметку дна стакана фундаментов. Сме#
363
щение осей стаканов фундаментов не должно превышать ±10 мм, а
отклонение отметок дна стаканов от проектной — 20 мм.
Монтаж железобетонных колонн. В случае одноэтажных зданий его
осуществляют кранами способом «на вису» с предварительной рас#
кладкой их у места установки или с подачей к месту установки на
транспортных средствах.
Строповку колонн выполняют обвязкой универсальным стропом
или траверсным стропом.
Колонны подготавливают к монтажу, нанося по четырем граням
вверху и на уровне верха фундаментов осевые риски, а на колоннах,
предназначенных для укладки по ним подкрановых балок, кроме
того, с двух сторон консолей или траверс двухветвевых колонн — рис#
ки осей этих балок. При подготовке колонны к монтажу к закладным
деталям приваривают опорные столики и крепежные уголки для опи#
рания и закрепления элементов стенового ограждения и других де#
талей, которые не были закреплены на заводах. На колоннах высо#
той более 12 м, кроме того, закрепляют хомуты или струбцины с дву#
мя расчалками, которыми колонны будут временно расчалены за
соседние фундаменты или специальные якоря в плоскости ряда ко#
лонн.
Колонны в стаканах фундаментов временно закрепляют деревян#
ными, металлическими или железобетонными клиньями, забивае#
мыми в зазоры между стенкой стакана и колонной. Железобетонные
клинья после выверки не удаляют, а оставляют в бетоне омоноличи#
вания. Временное закрепление колонн и их установка в проектное
положение могут осуществляться инвентарными приспособления#
ми — металлическими кондукторами.
Допускаемое отклонение осей колонн от вертикали в верхнем се#
чении (при высоте колонн до 15 м) до ±15 мм.
Монтаж железобетонных подкрановых балок. Унифицированные
железобетонные подкрановые балки изготавливают таврового сече#
ния пролетом 6 и 12 м. Опирают балки на консоли колонн прямо#
угольного сечения или на траверсы двухветвевых колонн. В этих ча#
стях колонн имеются закладные стальные листы с анкерными бол#
тами. К нижним закладным опорным деталям балок приварены на#
кладные опорные листы с отверстиями, которыми балки при
монтаже надевают на анкерные болты и закрепляют гайками, что
служит временным закреплением балок при монтаже. Окончатель#
364
ное закрепление балок выполняют сваркой накладных опорных ли#
стов балок с закладными стальными листами на консолях или тра#
версах колонн. Кроме этого, балки закрепляют вверху к колоннам
посредством вертикально расположенных стальных планок, прива#
риваемых к верхним закладным деталям на опорных частях балок и
к закладным деталям, имеющимся в колоннах на уровне верха под#
крановых балок.
Монтаж стропильных и подстропильных балок и ферм. Монтаж этих
конструкций ведут непосредственно с транспортных средств или с
предварительной раскладкой в пределах монтируемого пролета,
вдоль ряда колонн.
При монтаже стреловыми кранами балки и фермы укладывают
так, чтобы кран мог их устанавливать в проектное положение без
изменения вылета крюка (рис. 4.35).
Рис. 4.35. Раскладка ферм и приспособлений для монтажа ферм: 1, 2, 3, 4, 5,
6 — порядковые номера ферм и стоянок крана при их монтаже; I — разложен#
ные фермы; II — штабеля с плитами покрытия
Подготовка к монтажу стропильных и подстропильных балок и
ферм в основном состоит в очистке и выправке закладных деталей,
нанесении осевых рисок, закреплении оттяжек и расчалок (при на#
добности). Кроме того, на стропильных фермах устанавливают рас#
порки, которыми они будут прикрепляться к смежным фермам.
В зависимости от пролетов балок и ферм, наличия у них монтаж#
ных петель или отверстий применяют различные способы строповки.
365
Стропильные и подстропильные балки и фермы устанавливают на
оголовки колонн, с выверкой их положения в плане по рискам раз#
бивочных осей, нанесенным на опорах. Установка стропильных ба#
лок и ферм упрощается тем, что их опорными накладными листами
с отверстиями наводят на анкерные болты, имеющиеся на закладных
деталях оголовков колонн и опорных поверхностях подстропильных
балок и ферм. Балки и фермы на опоры наводят при помощи оття#
жек. Временно стропильные балки и фермы закрепляют на анкерных
болтах.
Подстропильные балки и фермы устанавливают на оголовки ко#
лонн, выверяя их положение в плане только по рискам разбивочных
осей. Сразу же после установки их закрепляют на колоннах сваркой
опорных закладных деталей.
Вертикальность положения ферм и временное их раскрепление
обеспечивают с помощью расчалок и распорок.
Расчалками, закрепленными за верхний пояс ферм, раскрепляют
первую и вторую фермы до укладки по ним и закрепления сваркой
плит покрытия. Число и места установки расчалок и распорок опре#
деляют расчетом на устойчивость верхнего пояса фермы в горизон#
тальной плоскости. Для ферм пролетом 18 и 24 м ставят две пары
расчалок, а для ферм пролетом 30 м — три пары в середине и в чет#
вертях пролетов. При натяжении и закреплении расчалок проверя#
ют прямолинейность верхнего пояса и вертикальность плоскости
ферм. Распорки ставят, начиная с третьей по ходу монтажа фермы,
закрепляя последнюю к ранее смонтированной ферме, на которой
уже уложены и приварены плиты покрытия.
Распорки устанавливают по одной при пролете ферм 18 и по две
при пролетах 24 и 30 м в 1/3 пролета.
Распорки закрепляют струбцинами к верхнему поясу устанав#
ливаемой фермы, а к нижнему свисающему вниз концу привязыва#
ют пеньковую веревку, спущенную с плит покрытия ранее смонти#
рованных ферм. После установки краном фермы распорки подни#
мают и закрепляют струбцинами к ранее смонтированной ферме.
Только после этого возможна расстроповка фермы. По ходу уклад#
ки и приварки плит покрытия в монтируемой ячейке распорки сни#
мают.
При монтаже стропильных и подстропильных балок и ферм при#
меняют различного типа подмости, приставные лестницы с площад#
366
ками, передвижные и самоходные телескопические вышки и подъем#
ники.
При монтаже стропильных балок и ферм допускаются отклонения
расстояний ±25 мм между осями балок и ферм по верхнему поясу.
Монтаж железобетонных плит покрытий. Железобетонными сбор#
ными элементами покрытий являются плиты и настилы, опирающи#
еся на несущие конструкции зданий. Эти элементы укладывают на
слой раствора или цементно#песчаной пасты. Кроме того, их объ#
единяют между собой и с элементами каркаса здания сваркой заклад#
ных деталей. Швы между всеми сборными плоскостными элемента#
ми покрытий после их укладки и закрепления заделывают бетоном
или цементным раствором.
Наружные панели одноэтажных зданий монтируют обычно на всю
высоту здания последовательно в каждом шаге колонн после окон#
чания монтажа всех элементов каркаса здания на данном участке.
Панели самонесущих стен устанавливают внизу на фундаментные
балки на слой раствора, панели всех последующих рядов — одна на
другую, также на слой раствора или с прокладкой в шов герметизи#
рующего шнура.
Специальную разбивку для установки таких панелей не выполня#
ют, поскольку их устанавливают, ориентируясь на оси колонн. Вре#
менное крепление панелей не требуется, либо при установке их на#
вешивают имеющимися у концов панелей вверху стальными уголка#
ми на такие же уголки, приваренные к закладным деталям на боковых
гранях железобетонных колонн. Навесные панели наружных стен над
оконными проемами устанавливают на стальные опорные столики,
приваренные к закладным деталям колонн. Вверху панели так же
навешивают уголками на уголки, приваренные к колоннам.
Одним из способов монтажа панелей стен одноэтажных зданий
является применение специальных кранов, на башне которых име#
ется подъемная выдвижная рабочая площадка, отодвигаемая от сте#
ны при подъеме панели и пододвигаемая к стене при ее установке.
Панели подают в зону между стеной здания и краном.
При монтаже панелей стен зданий большой высоты обычно при#
меняют подъемные люльки, подвешиваемые внутри здания к несу#
щим конструкциям покрытия. Расшивку и герметизацию швов и
стыков снаружи здания выполняют с люлек, подвешиваемых на кон#
солях снаружи здания.
367
4.2.9. Аварии при строительстве зданий
Мировой статистикой ежегодно фиксируются десятки крупных
аварий при строительстве зданий и сооружений различного назна#
чения.
Зачастую аварии сопровождаются не только разрушениями соору#
жений, но и человеческими жертвами.
Обрушения зданий и сооружений в процессе строительства и эк#
сплуатации могут произойти вследствие следующих обстоятельств:
– стихийные бедствия (ураган, землетрясение, наводнение);
– неправильная эксплуатация;
– ошибки в принятии проектных решений;
– низкое качество строительных материалов и деталей;
– нарушения технологии строительства.
Основным условием, определяющим конструктивную рациональ#
ность решений зданий и сооружений, является равнопрочность всех
элементов и узлов при полном использовании несущей способнос#
ти материалов конструкций, что является задачей проектировщиков,
обеспечивая не только надежность и долговечность сооружения, но
и экономическую эффективность проектных решений.
Таким образом, любая ошибка при проектировании, изготовле#
нии или строительстве, включая применение материалов и изделий
пониженной прочности в любом элементе или узле сопряжения,
может создать угрозу обрушения.
Анализ аварий зданий и сооружений показывает, что в подавля#
ющем большинстве случаев причиной обрушения являются наруше#
ния технологий строительства, каждое из которых в отдельности
может и не представлять угрозу строению (некачественный сварной
шов, несвоевременно поставленные связи, обеспечивающие про#
странственную жесткость, и т.д.).
Сочетание же нескольких технологических нарушений создает
угрозу долговечности и надежности возводимого объекта или при#
водит к его разрушению.
Современные сборные здания с повышением этажности, увели#
чением типоразмеров сборных конструкций и, как следствие, резко
возросшим числом стыков и соединений элементов конструкций
превращаются в сложные технические системы, в расчетах которых
применяют теорию надежности. Она учитывает случайные отклоне#
368
ния фактических конструктивных параметров здания или его отдель#
ных частей от заданных (проектных).
Однако основа долговечности зданий и сооружений — высокая
культура технологического процесса.
Далее приведены некоторые примеры обрушения зданий из#за
грубых нарушений технологии строительства.
В 70#е гг. ХХ в. в Санкт#Петербурге произошла авария крупнопанельного
четырехэтажного здания длиной 32 м и шириной 12 м.
Несущими конструкциями четырехэтажного корпуса служили поперечные
стены толщиной 15 см из железобетона и ригели. На несущие стены через ри#
гели опирались многопустотные панели перекрытий.
Строительство нулевого цикла здания было закончено к концу декабря,
причем перекрытие над техническим подпольем монтировали при температу#
ре –10 оС. Первый и второй этажи монтировали в январе при устойчивых мо#
розах, доходивших в отдельные дни до –28 оС, третий и четвертый — в февра#
ле, также при отрицательной температуре.
После наступившего во второй декаде марта длительного потепления про#
изошло внезапное обрушение части четырехэтажного корпуса здания на пол#
ную высоту. В момент обрушения величина нагрузок, действовавших на внут#
ренние несущие конструкции, составляла около 50 % проектных.
Последовательность обрушения конструкций и расположение последних
в завале дают основание предполагать, что начало аварии было вызвано мест#
ным раздавливанием опорного участка панелей первого этажа внутренней сте#
ны, который в этот период обладал пониженной прочностью, вызванной отта#
иванием раствора в горизонтальных швах стыков. Последующее смещение низа
панелей вызвало перераспределение усилий в оставшихся элементах стен и при#
вело к обрушению всей внутренней стены вместе с перекрытиями. Падаю#
щие внутренние стены и перекрытия увлекли за собой наружные стены верх#
них этажей.
В целом монтажные работы отличались очень низким качеством: толстые
швы, многочисленные закладки кирпичом, деревянные подкладки, металличес#
кие «каблучки», некачественное замоноличивание монтажных узлов или вооб#
ще отсутствие его и т.п. Низкое качество монтажа было вызвано тем, что изде#
лия имели большие отклонения от проектных размеров. Проверка геометричес#
ких размеров изделий на месте показала, что они изготовлены с нарушением
установленных допусков.
Обрушение части четырехэтажного корпуса было вызвано несколькими
причинами, главнейшими из которых являлись:
– монтаж в условиях устойчивых зимних морозов, которые привели к по#
следующему снижению несущей способности стен в период их оттаивания;
– использование пустотелых плит перекрытия с частично незаделанными
бетоном пустотами в их концах и пониженной против проектной прочностью
бетона этих плит;
369
– низкое качество строительно#монтажных работ и невыполнение свое#
временного замоноличивания стыков.
Подобный случай обрушения железобетонных конструкций произошел на
строительстве каркасно#панельного здания школы. Установлено, что на риге#
ли были уложены плиты покрытия, не соответствующие проекту, что привело
к перегрузке почти в 2 раза. Нагрузка на ригель при проектируемой раскладке
плит составляла 8 т, а фактически оказалась 16,5 т. Экспертная комиссия уста#
новила, что разрушение ригеля, вызванное резкой перегрузкой, повлекло за
собой обрушение покрытия.
На развитие процесса обрушения покрытия в немалой степени повлияли
нарушения технологии монтажа железобетонных конструкций. Вопреки требо#
ваниям проекта, фактически ригель был приварен только с одной стороны швом
неудовлетворительного качества. Кроме того, комиссия установила ряд недо#
пустимых отклонений в производстве монтажных работ:
– значительное несоответствие (до 60 мм) стыкуемых стержней — колонн
и ригелей — по первому и второму этажам имелись незамоноличенные стыки;
– плиты покрытия укладывались на ригели, не приваренные к монтажным
столикам колонн;
– в процессе производства сварочных работ (ванная сварка) не испытыва#
лись образцы#свидетели (3 %).
Железобетонные изделия, поставляемые заводом, также имели недостатки:
смещение выпусков арматуры на 25...30 мм, непрямолинейность боковых гра#
ней в панелях перекрытий до 20 мм, смещение закладных деталей.
Существенным недостатком, распространенным при монтаже
крупнопанельных зданий, является свободная установка крупно#раз#
мерных элементов конструкций, при которой точное фиксирование
на месте монтируемых деталей почти невозможно. Качество монтаж#
ных работ во многом зависит от опыта и квалификации строителей.
Неточность установки элементов конструкции при обычных при#
емах монтажа вызывает:
– несовпадение опорных плоскостей и уменьшение площади
опирания, что снижает прочность и несущую способность конструк#
ций;
– излишние утолщения швов, что облегчает проникновение влаги
и воздуха, а также увеличивает объем мокрых процессов и трудоем#
кость работ при заполнении швов;
– смещение стеновых панелей и перегородок одна по отношению
к другой;
– перекос стеновых панелей в плоскости, что снижает их несущую
способность, так как панель опирается в этом случае не по всей пло#
щади основания, а в отдельных точках;
370
– отклонение стеновых панелей от вертикали, что затрудняет осу#
ществление сопряжения с панелями вышележащих этажей и нару#
шает схему передачи нагрузки на панель;
– смещение стыков швов в плоскости стены, что не позволяет
обеспечить надежную герметизацию швов;
– образование щелей между стенами, перегородками и элемен#
тами перекрытий, что ухудшает звукоизоляцию помещений.
В связи с этими недостатками необходимо более активное внедре#
ние принудительного метода монтажа конструкций.
Для каркасных и каркасно#панельных зданий особое значение
приобретает вопрос о замоноличивании стыков, которое необходи#
мо проводить с незначительным отставанием от монтажных работ,
чтобы обеспечить пространственную жесткость смонтированной
части здания. Если же это требование не может быть выполнено, то
отставание замоноличивания стыков от монтажа не должно быть
более чем на один этаж.
Весьма характерным примером, иллюстрирующим это требование, явилось
полное обрушение железобетонного каркаса почти законченного склада редак#
ции газеты «Правда» в Москве в 1960 г. Авария сопровождалась многочислен#
ными человеческими жертвами. Проектом предусматривалось соединение ко#
лонн по высоте, панелей с колоннами и плит перекрытий с ригелями на сварке
с последующим замоноличиванием узлов. Результаты обследования показали,
что причиной аварии явилось невыполнение работ по замоноличиванию сты#
ков в процессе монтажа. Сварка закладных деталей в узлах была выполнена
неполностью. Работы по монтажу верхних этажей намного опередили работы
по замоноличиванию узлов. В результате из#за слабости узловых сопряжений
пространственная жесткость была нарушена, каркас потерял устойчивость и
здание обрушилось.
В 1965 г. на строительстве сталепроволочно#канатного завода в Москве про#
изошло обрушение сборных железобетонных ферм и колонн. Цех представлял
собой одноэтажное здание, состоящее из 7 пролетов по 24 м. Колонны, подкра#
новые балки, стропильные фермы и плиты покрытия были типовыми сборны#
ми железобетонными. Шаг колонн 6 м, плиты перекрытия 3 × 6 м.
Сборные железобетонные предварительно напряженные фермы, колонны,
подкрановые балки и плиты покрытий изготавливали в цехах и на полигонах
комбината производственных предприятий строительного треста.
В результате аварии 14 упавших ферм вместе с металлическими конструк#
циями фонарей и плитами покрытия оказались разрушенными и непригодны#
ми к дальнейшему использованию.
При рассмотрении обстоятельств аварии было установлено, что при изго#
товлении стропильных железобетонных ферм имели место отступления от про#
екта, недостаточно контролировалось выполнение отдельных операций, а опа#
371
лубочные формы были низкого качества. Каркасы растянутых раскосов ферм
выполняли не по проекту, в связи с чем анкеровка их в нижнем поясе была
уменьшена. Принятая фиксация закладных деталей не обеспечивала их проект#
ное положение.
Арматурные каркасы не имели соответствующих бирок и складировались на
земле в навал. При установке опорных закладных деталей в опалубку анкерные
стержни в отдельных случаях срезали, при этом их заменяли другими стержня#
ми или они отсутствовали вообще.
Имело место значительное отступление от проектной величины бетонного
защитного слоя. Внутренние щиты опалубки, выполненные из дерева, были
низкого качества, особенно в угловых сопряжениях, что приводило во многих
случаях к уменьшению сечения элементов ферм в местах вутов.
В обрушившейся части цеха подкрановые балки, являющиеся элементами,
обеспечивающими продольную устойчивость каркаса здания, не были смонти#
рованы. Колонны были замоноличены не на полную высоту стаканов фунда#
ментов.
Возведенные между колоннами на высоту 8,4 м кирпичные стены толщи#
ной 380 мм не были заанкерены к этим колоннам. Швы между железобетонны#
ми плитами покрытия не были замоноличены.
Кроме того, отмечен ряд серьезных нарушений строительных норм и пра#
вил: смонтированные конструкции не предъявляли к сдаче; отсутствовали акты
промежуточной приемки готовности возведенного участка здания к производ#
ству последующих строительно#монтажных работ; не проверяли соответствия
конструкций проекту, качество монтажных работ, правильность установки эле#
ментов конструкций, качество сварки и заделки швов.
В журнале производства работ не было обнаружено ни одной записи или
каких#либо замечаний как заказчика, так и проектной организации, что свиде#
тельствует об отсутствии с их стороны необходимого технического надзора.
В г. Тихвине (Ленинградская область) на строительстве блока цехов завода
«Центролит» обрушились кровельные конструкции площадью 2600 м2 в преде#
лах одного температурного отсека длиной 72 м: 7 металлических ферм проле#
том 36 м со сборными железобетонными предварительно напряженными пли#
тами покрытия размерами 1,5 × 12 и 3 × 12 м, а также подкрановые балки, связи
и другие конструкции.
В результате расследования причин аварии было выявлено много недопус#
тимых отклонений от действующих норм и правил.
Согласно СНиП монтаж конструкций надлежит вести комплектно, простран#
ственно, жесткими секциями или блоками, с установкой и полным закреплением
всех элементов конструкций, позволяющим вести на смонтированной секции
или блоке последующие строительные работы, обеспечивая на всех стадиях мон#
тажа устойчивость и прочность конструкций. В данном случае строители, не
обеспечив пространственную жесткость, приступили к устройству кровли.
Экспертизой было установлено, что работы по монтажу также были выпол#
нены с низким качеством. Записи в журналах выполненных работ велись с на#
372
рушением. Отсутствовал систематический авторский надзор со стороны про#
ектного института.
Причиной обрушения могли послужить и нагрузка от людей, занимавших#
ся укладкой утеплителя на кровле, и порывистый ветер, скорость которого до#
стигала в день аварии 7...8 м/с, а также дополнительные силовые воздействия
от эксцентриситетов, имевшие место при укладке тяжелых железобетонных
плит.
В результате обрушения все конструкции стропильных и фонарных ферм со
связями полностью деформировались и не подлежали восстановлению; сбор#
ные железобетонные плиты разрушились полностью.
4.3. Технология производства работ из монолитного бетона
и железобетона
4.3.1. Общие положения
Из железобетона возводят крупнейшие объекты гражданского,
промышленного и транспортного назначения: многоэтажные зда#
ния, дымовые трубы, тепловые и гидроэлектростанции, многопро#
летные мосты, спортивные сооружения и т.д.
Монолитный железобетон используется при реконструкции жи#
лых, общественных и производственных зданий (замена деревянных
перекрытий, усиления существующих фундаментов, колонн). При#
менение этого вида строительного материала обусловлено рядом
объективных факторов:
– практически неисчерпаемые запасы сырья для вяжущих и за#
полнителей бетона;
– экологическая рациональность использования для цемента и
заполнителей отходов промышленности (шлаки, опилки и т.п.);
– возможность замены природных заполнителей искусственными;
– конструктивная совместимость бетона практически со всеми
строительными и отделочными материалами;
– высокие по сравнению с металлоконструкциями эксплуатаци#
онные свойства;
– огнестойкость, морозостойкость, сопротивляемость химичес#
ки активным материалам и т.п.;
– возможность создавать сооружения, разнообразные по архитек#
туре (особенно из железобетона в монолитном исполнении) с при#
менением большого количества разнообразных отделочных матери#
алов, позволяющих создавать практически любую цветовую гамму.
373
В промышленном строительстве получили широкое применение
преднапряженные плиты покрытий пролетом до 30 м. Зарубежный
опыт показывает значительную эффективность применения предва#
рительного напряжения в монолитных фундаментах большой про#
тяженности, несущих монолитных конструкциях подземных произ#
водственных сооружений, в том числе многоэтажных.
Уникальным сооружением является Останкинская башня в Москве: ее ниж#
няя часть высотой 385 м выполнена из монолитного предварительно напряжен#
ного железобетона.
В зависимости от принципов конструирования и технологии
выполнения здания и сооружения подразделяются на сборные, мо#
нолитные и сборно#монолитные.
Сборные бетонные и железобетонные конструкции изготавлива#
ют на заводах строительной индустрии с последующей транспорти#
ровкой на строительную площадку.
Сборно!монолитные конструкции сооружают из отдельных кон#
струкций и элементов заводского изготовления и монолитного бето#
на, объединяющего эти конструкции в единое целое сооружение.
Примером могут служить сборно#монолитные опоры мостов, наруж#
ный контур которых выполняют из сборных элементов, а внутрен#
няя часть (ядро опоры) заполняют монолитным бетоном.
Монолитные конструкции возводят непосредственно на строй#
площадке.
Необходимыми условиями применения монолитного бетона и
железобетона являются:
– оснащение специализированной строительной техникой — ав#
тобетоносмесителями, мобильными бетонными заводами, установ#
ками для торкретирования, сверления в бетоне отверстий, механи#
зированным инструментом для затирки и шлифовки бетонных по#
верхностей;
– наличие эффективных технологий при работе в условиях отри#
цательных температур в комплексе с оборудованием для транспор#
тирования, приемки, укладки и твердения бетона;
– система контроля качества бетонной смеси.
В транспортном строительстве монолитный бетон занимает око#
ло 50 % общего объема бетона и имеет тенденцию к увеличению.
Это вызвано рядом обстоятельств: рассредоточенностью объектов
и удалением их от баз строительной индустрии, существующими
374
высокопроизводительными технологиями монолитного бетона. Кро
ме того, технологические процессы монолитного бетона не требуют
тяжелого кранового оборудования.
Из монолитного бетона возводят опоры мостов и фундаменты
водопропускных труб, пролетные строения, тоннельные обделки и
многие другие объекты транспорта.
В США полностью из монолитного железобетона построен небо
скреб «Уокербилдинг» высотой 290 м и общей полезной площадью
158 тыс. м2. Общий объем уложенного бетона составил 84 тыс. м3.
Комплексный процесс строительства из монолитного бетона и
железобетона состоит из заготовительных, транспортных и постро
ечных процессов.
Заготовительные и транспортные процессы включают изготовле
ние элементов опалубки и ее транспортирование к месту работ, из
готовление и перевозку арматурных изделий; изготовление и транс
портирование бетонной смеси на стройплощадку.
К построечным процессам относятся: монтаж опалубки; установ
ка арматурных каркасов и закладных деталей; транспортирование
бетонной смеси внутри стройплощадки, ее распределение и укладка
в опалубку; выдерживание и уход за свежеуложенным бетоном; де
монтаж опалубки.
Область эффективного применения монолитного бетона и желе
зобетона определяется экономическим расчетом.
Основными технологическими свойствами бетонных смесей яв
ляются:
– подвижность — способность бетонной смеси растекаться без
расслаивания под влиянием собственного веса или умеренного ме
ханического воздействия. Подвижность определяется осадкой кону
са, измеренной в миллиметрах. Различают подвижные, малоподвиж
ные и жесткие смеси. Последние дают экономию цемента 15—20 %.
В строительстве в основном применяют малоподвижные и жесткие
смеси с осадкой конуса соответственно 10...30 мм и 0...10 мм;
– удобоукладываемость — свойство бетонной смеси растекаться и
заполнять форму под действием вибрации. Она определяется по вре
мени вибрирования, необходимого для превращения конуса бетон
ной смеси в равновеликий по объему цилиндр.
375
4.3.2. Опалубочные работы
Опалубкой называется временная вспомогательная конструкция#
форма, повторяющая геометрические очертания возводимой бетон#
ной конструкции и служащая для ее устройства.
Основными элементами опалубки являются: собственно палуба,
т.е. та часть опалубки, поверхность которой непосредственно приле#
гает к бетонируемой конструкции; ребра жесткости; крепежные ус#
тройства, объединяющие отдельные щиты в плоские или простран#
ственные блоки.
Для обеспечения геометрической неизменяемости опалубочных
форм применяют распорки, схватки, тяжи.
Материалы исполнения опалубочных поверхностей достаточно
разнообразны: доска, многослойная водостойкая фанера, сталь, алю#
миний, полиуретан и т.д.
Трудоемкость опалубочных работ составляет примерно 40 % от
всего комплекса бетонных работ.
Требования, предъявляемые к опалубке: прочность и геометричес#
кая неизменяемость формы в процессе производства работ; индуст#
риальность изготовления; многократность использования (оборачи#
ваемость); удобство сборки и разборки; минимальная стоимость;
отсутствие щелей, ровность поверхности, прилегающей к бетону.
Опалубка классифицируется: по материалу исполнения — дере#
вянная, деревометаллическая, металлическая, железобетонная (фор#
ма#оболочка); по способу производства работ — разборно#перестав#
ная, скользящая, подъемно#переставная, катучая, надувная, объем#
но#блочная.
Разборнопереставная опалубка. Этот тип опалубки получил наи#
большее распространение. С помощью такой опалубки возводят са#
мые разнообразные сооружения: фундаменты различного типа, сте#
ны, перегородки, колонны, гидротехнические и транспортные соору#
жения и т.д. Ее основой являются щиты. При достижении бетоном
заданной прочности опалубку разбирают и переставляют на новое
место.
По площади щитов опалубку подразделяют на мелкощитовую и
крупнощитовую.
Мелкощитовую опалубку применяют для конструкций с неболь#
шими размерами опалубливаемых поверхностей с площадью отдель#
376
ных щитов 1,0...2,0 м2. Опалубку устанавливают вручную, поэтому
масса щита не должна превышать 50 кг.
Примером применения мелкощитовой опалубки может служить
опалубка подколонника.
Крупнощитовую опалубку выполняют в виде щитов больших раз#
меров либо в виде крупных опалубочных панелей, собранных из мел#
ких щитов. Применяют такую опалубку для возведения опор мостов,
колонн больших поперечных сечений, гладких стен, гидротехничес#
ких сооружений и т.п.
Обычно площадь щитов не превышает 20 м2. Размеры и массу
щитов определяют технологическими соображениями. Устанавлива#
ют щиты с помощью кранов.
В настоящее время в транспортном, промышленном и гражданс#
ком строительстве применяют разборно#переставную опалубку уни!
версального типа. На рис. 4.36 показаны примеры использования уни#
версальной опалубки фирмы «Meva» (ФРГ). Замкнутые контуры про#
филей рам, выполненных стальными или алюминиевыми, вместе с
ребрами жесткости (тоже выполненными из замкнутых профилей)
создают жесткую опалубочную систему. Оригинальный опалубочный
замок обеспечивает быстрое (достаточно удара молотка) соединение
двух деталей опалубки.
Аналогичная конструкция опалубки типа «Монолитстрой» разра#
ботана в России. Ее палуба выполнена из стального листа или водо#
стойкой фанеры. Опалубку выпускают в двух вариантах: мелко# и
крупнощитовой. В мелкощитовом варианте можно собирать формы
для любых бетонных и железобетонных конструкций: фундаментов,
колонн, стен, ригелей, плит перекрытий и покрытий и т.д. В круп#
нощитовом варианте щиты опалубки могут соединяться по любым
граням, а также доукомплектовываться мелкими щитами.
Блок#форма представляет собой пространственную конструкцию,
щиты которой объединяются между собой с помощью разъемных или
шарнирных соединений. Толщина листовой стали палубы 2 мм.
Если щиты опалубки между собой жестко зафиксированы свар#
кой, то для облегчения распалубки неразъемные формы выполняют
с конусностью. При распалубке отрыв формы от бетона осуществля#
ется домкратами. Прочность бетона к этому моменту должна быть не
менее 1...1,5 мПа.
377
Рис. 4.36. Щитовая опалубка системы «Meva»: а, б — мелкощитовая; в — круп#
нощитовая; 1 — щиты опалубки; 2 — стяжки; 3 — подкосы крепления опалуб#
ки; 4 — распорка; 5 — опорный башмак
Монтируют и демонтируют блок#формы краном. При правиль#
ной эксплуатации стальная опалубка может быть использована до
100 раз. Деревянная опалубка подколонника имеет оборачиваемость
в 8—10 раз меньшую.
Скользящая опалубка. Ее применяют для непрерывного бетониро#
вания элементов зданий и сооружений круглого или прямоугольного
поперечного сечения, имеющих вертикальные или наклонные стен#
ки толщиной более 12 см. К таким сооружениям относятся радиомач#
ты, телебашни, градирни, дымовые трубы, ядра жесткости зданий и др.
Скользящая опалубка при перемещении по высоте (в отличие от
подъемно#переставной опалубки) не отделяется от бетонируемой кон#
струкции, а скользит по ее поверхности, не образуя рабочих швов, что
значительно увеличивает срок службы сооружения, поскольку корро#
зия и разрушение бетона начинается именно с рабочих швов.
378
Современные технологии позволяют бетонировать конструкции
высотой свыше 100 м и диаметром до 80 м, изменять по высоте тол#
щину стенки и угол ее наклона к вертикали до 12,5о.
Опалубочные щиты имеют высоту 1,1...1,2 м, палуба выполнена
из стали. При подъеме опалубки для уменьшения сил трения щитам
придают конусность с уширением книзу. Величина образующегося
зазора между опалубкой и бетоном (в нижней части щита опалубки)
составляет несколько миллиметров.
Основным несущим оборудованием скользящей опалубки явля#
ются П#образные домкратные рамы, каждая из которых с помощью
гидравлических или электромеханических домкратов подвешена на
домкратном стержне. Гидравлические домкраты вертикального
подъема работают от насосных станций. Отдельная насосная стан#
ция приводит в работу механизм радиального сужения опалубки.
Домкратные стержни (они представляют собой стальную арматуру
диаметром 26...28 мм) размещены в стенке оболочки через 1,2...2,0 м.
После окончания работ стержни вытягивают с помощью специаль#
ных гидравлических домкратов.
Домкратные рамы, объединенные по периметру оболочки шар#
нирно#сочлененными конструкциями, образуют несущее кольцо, за
которое закреплены наружные и внутренние рабочие площадки с
двумя ярусами подвесных лесов. Щиты опалубки металлические.
Конструкция скользящей опалубки позволяет менять расстояние
между наружным и внутренним щитами, сокращать периметр несу#
щего кольца, уменьшая этим диаметр сооружения, а также изменять
угол наклона домкратных рам, меняя тем самым угол наклона стен#
ки оболочки. Оборудование опалубки сконструировано таким обра#
зом, что по мере уменьшения диаметра сооружения элементы насти#
лов рабочих площадок, подвесных лесов, ограждений и других кон#
струкций либо надвигаются один на другой, либо складываются, не
разрушаясь и не деформируясь.
Технологический процесс возведения оболочки дымовой трубы
высотой 180 м и диаметром в основании 28 м показан на рис. 4.37.
Оборудование комплекса разработано японской фирмой «Tobua#
hima».
Основу конструкции технологического комплекса составляют
металлические решетчатые балки#фермы 2, по которым уложен
сплошной рабочий настил 3.
379
Рис. 4.37. Вариант схемы бетонирования в скользящей опалубке: 1 — бетони#
руемое сооружение; 2 — решетчатые балки#фермы; 3 — рабочий настил; 4 — на#
клонные рессоры; 5 — башенный кран; 6 — подвесные подмости; 7 — болты для
регулировки толщины стенки; 8 — щиты опалубки; 9 — подъемные домкраты;
10 — хоппер с бетонной смесью; 11 — ковш для подъема бетонной смеси; 12 —
бункер для цемента; 13 — бетоносмеситель; 14 — бетононасос; 15 — бун#
кер#накопитель; 16 — самоходные тележки#раздатчики
В центре комплекса с помощью обоймы и рессор 4 закреплен ба#
шенный кран 5 с поворотным оголовком. Краном на рабочей настил
подают арматурные каркасы, необходимый инструмент и т.д.
Бетонную смесь приготавливают в смесителе 13 и подают бетоно#
насосом 14, расположенным на нулевой отметке за пределами опас#
ной зоны, по бетоноводу диаметром 100 мм в приемный бункер#на#
копитель 15. Из бункера#накопителя бетон загружается в ковш 11 для
подъема смеси, из которого он перегружается в хоппер 10. Хопер
распределяет бетон по самоходным тележкам#укладчикам вместимо#
стью 0,15 м3 каждая. Бетонную смесь равномерно укладывают по
периметру оболочки слоем 30 см и уплотняют глубинными вибрато#
рами, после чего с помощью гидросистемы весь комплект скользя#
щей опалубки поднимают на 35 см и снова заполняют бетоном. Па#
раллельно ведут установку арматуры, наращивание домкратных стер#
жней, контроль геометрических размеров сооружения, обслужива#
ние механизмов скользящей опалубки и т.д.
380
Скорость бетонирования в скользящей опалубке 2,5...3,0 м/сут.
При возведении градирни высотой 82 м на Южной ТЭЦ в г. Москве
ее оболочка (форма оболочки — гиперболоид вращения) была забе#
тонирована за 16 суток. Максимальная скорость возведения оболоч#
ки составила 6,65 м/сут.
Объемнопереставная опалубка применяется для возведения жи#
лых и общественных зданий любой этажности и протяженности с
монолитными стенами и перекрытиями.
Опалубка разработана для зданий с поперечными несущими сте#
нами и открытыми фасадами, необходимыми для ее извлечения
(в зданиях указанного типа фасадные части закрываются навесны#
ми панелями или кирпичной кладкой, с последующей декоративной
отделкой).
Объемно#переставная опалубка состоит из отдельных секций, из
которых собирают блок на полную ширину здания. При этом бо#
ковые панели служат опалубкой стен, а верхняя горизонтальная па#
нель — опалубкой плиты перекрытия.
Секции монтируются краном, образуя «туннель» (по этому при#
знаку опалубку иногда называют туннельной).
Пространственные металлические секции, составляющие осно#
ву опалубки, выполняются П# и Г#образными.
На рис. 4.38 представлена опалубка конструкции ЦНИИОМТП с
двумя Г#образными щитами 2 и центральной вставкой 1. Опалубка
Рис. 4.38. Объемно#переставная опалубка: а — конструкция опалубки; б — схе#
ма перестановки опалубки; 1 — центральная вставка; 2 — Г#образный щит;
3 — маяки; 4 — распалубочный винт; 5 — шарнирно#распалубочный механизм;
6 — регулируемый подкос; 7 — катки; 8 — винтовой домкрат; 9 — щит торцевой
стены; 10 — телескопическая наклонная стойка крепления торцевых щитов;
I, II, III — последовательность установки секций опалубки
381
полностью металлическая. На опалубочных щитах закреплены ме#
таллические листы толщиной 6 мм — палубы.
С внутренней стороны щитов опалубки устанавливаются элект#
рические нагревательные элементы для ускорения твердения бетон#
ной смеси.
Щиты опалубки соединены регулируемыми подкосами 6. При
распалубке центральная вставка 1 опускается вниз, шарнирно#рас#
палубочный механизм 5 отрывает Г#образные опалубочные щиты от
забетонированной конструкции и сдвигает их внутрь. Домкраты 8
опускают секцию на катки 7, после чего ее извлекают через торец
туннеля, образованного забетонированной конструкцией, выкаты#
вая на консольные подмости, укрепленные вдоль фасада возводи#
мого этажа.
Многолетний отечественный и зарубежный опыт эксплуата#
ции объемно#переставной опалубки показал ее высокую эффектив#
ность — 150—200#кратную оборачиваемость.
В условиях нового железнодорожного строительства, удаленного
от баз строительной индустрии, объемно#переставная опалубка мо#
жет найти применение при возведении административно#бытовых
зданий железной дороги, объектов инфраструктуры жилых поселков
железнодорожников.
Горизонтальноперемещаемая (катучая) опалубка предусматривает
непрерывное бетонирование линейно#протяженных объектов, таких
как стены коллекторов различного назначения, замкнутые в плане
емкости#хранилища и т.п.
Конструкция опалубки состоит из жесткого каркаса, образован#
ного двумя рамами, связанными между собой соединительной бал#
кой. Между этими рамами по направляющим стойкам вертикально
перемещаются металлические опалубочные щиты, что позволяет
бетонировать стены высотой до 6 м. Кроме того, конструкция опа#
лубки предусматривает бетонирование стен переменного по толщи#
не сечения в интервале от 12 до 60 см.
Вдоль оси бетонируемого сооружения опалубка перемещается по
рельсовому пути с помощью тележек, прикрепленных к направляю#
щим стойкам, от автономного механического привода или электро#
лебедкой, находящейся в конце бетонируемого участка. Подача бе#
тона в конструкцию осуществляется из бункера с вибратором, раз#
382
мещающегося на раме опалубки. Темп бетонирования одного яруса
6...8 м/ч.
Пневматическая опалубка представляет собой герметичную обо#
лочку, которая приобретает свою форму под действием нагнетаемо#
го внутрь нее сжатого воздуха.
Пневмоопалубку применяют в основном для бетонирования от#
дельностоящих сводчатых и купольных сооружений, а также оболо#
чек двоякой кривизны. При этом пролеты сводчатых сооружений
могут достигать 18 м, а купольных — 10 м.
Такую опалубку изготавливают из прочных синтетических пленок,
прорезиненных тканей, армированных полимеров и т.п. Технология
ее устройства заключается в следующем (рис. 4.39): опалубку 1 рас#
стилают на подготовленное основание и крепят ее к фундаменту 2
сооружения (если опалубка не замкнутая, то ее герметизируют по
опорному контуру). Затем компрессором через клапан 3 в опалубку
подают сжатый воздух до достижения расчетного давления и приня#
тия опалубкой проектного очертания. На следующем этапе устанав#
ливают арматуру 5, после чего ведут бетонирование методом «на#
брызг#бетона».
После набора бетоном необходимой для распалубки прочности
через клапан 3 снижают избыточное давление до атмосферного. Опа#
лубка#оболочка оседает на землю, ее очищают от остатков бетона,
сворачивают и транспортируют на новое место.
Основными достоинствами пневмоопалубки являются мобиль#
ность, незначительная масса и быстрота устройства, без использова#
ния кранового оборудования.
Рис. 4.39. Схема бетонирования конструкции в виде полусферы с использова#
нием пневматической опалубки: 1 — пневмоопалубка; 2 — фундамент сооруже#
ния; 3 — клапан для подачи сжатого воздуха и его выпуска; 4 — контур бетониру#
емого сооружения; 5 — арматура; 6 — пневмобетононагнетательная установка
383
4.3.3. Арматурные работы
Арматурой железобетонных конструкций называют стальные
стержни, проволоку и прокатные профили, предназначенные для
восприятия растягивающих и знакопеременных усилий.
Арматурная сталь по технологии ее изготовления подразделяется
на горячекатанную стержневую и холоднотянутую проволочную.
Горячекатанная стержневая арматура выпускается диаметром от
6 до 90 мм. По профилю арматурная сталь подразделяется на круг#
лую гладкую и периодического профиля.
Арматура периодического профиля обеспечивает лучшее сцепле#
ние с бетоном, чем гладкая.
Проволочная арматура диаметром 3...8 мм бывает обыкновенной
или высокопрочной. Из высокопрочной проволоки диаметром
1,5...5 мм вьют арматурные пряди, состоящие из 3, 7 и 19 проволок.
Такими прядями армируют предварительно напряженные железо#
бетонные конструкции.
В зависимости от механических свойств стержневая горячекатан#
ная арматурная сталь делится на пять классов: A#I—A#V. Сталь клас#
са A#I изготавливают круглой гладкой, а остальных классов — пери#
одического профиля.
Буквенные обозначения в марках стали характеризуют их хими#
ческий состав. Например, сталь класса A#II марки 18Г2С означает:
арматурная сталь периодического профиля с содержанием углерода
0,18 % и марганца — 2 %.
Некоторые виды арматурной стали показаны на рис. 4.40.
Заготавливают арматурные изделия, как правило, централизова#
но на заводах ЖБИ, специализированных полигонах или стройдво#
рах. На больших строительных объектах (гидроэлектростанции, пло#
Рис. 4.40. Виды арматурной стали: 1 — стержневая периодического профиля;
2 — стержневая гладкая; 3 — стержневая рифленая; 4 — проволочная (трех#
прядиевая)
384
тины и т.п.) при объемах арматурных работ, исчисляемых тысячами
тонн, и когда доставка готовых арматурных изделий экономически
нецелесообразна, создают припостроечные производства по их вы#
пуску.
На крупных предприятиях строительной индустрии процесс произ#
водства арматурных изделий полностью механизирован, а отдельные
технологические операции автоматизированы и роботизированы.
На строительную площадку арматура попадает в виде следующих
изделий (рис. 4.41): плоские и рулонные сетки, плоские и простран#
ственные каркасы, армоблоки.
Сетка представляет собой взаимно перекрещивающиеся под пря#
мым углом арматурные стержни, соединенные в местах пересечения
точечной сваркой. Сетки применяют для армирования плит перекры#
тия, сводов оболочек, тонких стен и т.п. Сетки могут быть плоские и
рулонные. Их изготавливают из арматуры диаметром 3...10 мм. Стер#
жни сетки в местах пересечения соединяют контактной точечной
сваркой. Ширина сеток — 2700 мм, размер ячеек в среднем состав#
ляет 100 × 100 мм.
Рис. 4.41. Виды арматурных изделий: 1 — плоская арматурная сетка; 2 — ру#
лонная сетка; 3, 4 — плоские каркасы; 5, 6 — пространственные каркасы
385
Плоские каркасы сваривают в виде отдельных фермочек с парал#
лельными верхними и нижними полосами. Они состоят из несколь#
ких продольных стержней, соединенных поперечными под прямым
углом или наклонными стержнями. Плоские каркасы использу#
ют при армировании ригелей, балок и других аналогичных конст#
рукций.
Пространственные каркасы образуют объединением плоских кар#
касов. Пространственными каркасами армируют балки пролетных
строений мостов, тяжелые колонны и подколонники, массивные
фундаменты под оборудование и т.п.
Технология изготовления арматурных изделий. При изготовлении
изделий из стержневой арматуры выполняют следующие технологи#
ческие операции: удаление ржавчины и окалины, правка арматуры
(если имеются местные неровности, образовавшиеся в процессе по#
грузочно#разгрузочных работ или транспортирования), контактная
стыковая сварка, резка стержней по заданному размеру, гнутье и свар#
ка плоских каркасов.
Очистку арматуры производят электрощетками, правку — на спе#
циальных станках. Гнут арматурные стержни в холодном состоянии
на гибочном станке. Следует иметь в виду, что при гнутье в местах
изгибов происходит растяжение стали и соответствующее удлинение
стержня: для отгиба под углом 180о — полтора диаметра; 90о — один
диаметр; 45о — половина диаметра.
Схема автоматизированного технологического процесса изготов#
ления арматурных сеток представлена на рис. 4.42.
Арматуру в мотках насаживают на вертушки 1, разматывают и по#
дают в правèльный барабан 2, где происходит очистка и правка. Пос#
ле этого арматура поступает к машине контактной точечной сварки 4.
Поперечные стержни на сварочную машину подаются из бункера 3.
Гильотинные ножницы 5 отрезают сетку заданной длины. Готовые
изделия укладывают в штабелер 6.
Технологический процесс изготовления плоских арматурных кар#
касов (рис. 4.43) выполняется в следующей очередности.
Арматурные стержни после очистки и правки поступают на склад
стержней 1. На стыковой сварочной машине 2 их удлиняют, после
чего режут по размеру на механических ножницах 3. По рольгангу
стержни подаются на гибочный станок 4 с числовым программным
управлением. Из накопителя 5 механизм подачи 6 перемещает согну#
386
Рис. 4.42. Схема технологического процесса изготовления арматурных сеток:
1 — вертушки с мотками арматуры; 2 — барабан для очистки и правки армату#
ры; 3 — бункер поперечных стержней; 4 — машина контактной точечной свар#
ки; 5 — гильотинные ножницы; 6 — штабелер готовой продукции
Рис. 4.43. Схема технологического процесса изготовления арматурных каркасов:
1 — склад стержней арматуры; 2 — стыковая контактная сварка; 3 — резка арма#
туры; 4 — гнутье арматуры; 5 — накопитель; 6 — механизм подачи; 7 — бункер
поперечных стержней; 8 — сварочная машина; 9 — штабелер плоских каркасов;
10 — плац для сборки пространственных каркасов
387
тые по проектному очертанию стержни на сварочную машину 8. Го#
товые плоские каркасы укладывают в штабелер 9.
На плацу 10 с помощью электродуговой сварки выполняют укруп#
нительную сборку плоских каркасов в пространственные.
Сварка арматуры. Основным способом соединения арматурных
стержней при изготовлении сеток и каркасов, а также при их монта#
же является электросварка. Сварные арматурные изделия обладают
большой жесткостью, что позволяет вести их монтаж плоскими и
пространственными каркасами, армоблоками.
При арматурных работах применяют контактную и электродуго#
вую электросварку.
Неразъемность сварного соединения достигается в результате вза#
имной диффузии атомов металла свариваемых элементов. Для воз#
никновения диффузии необходим нагрев свариваемых элементов,
поскольку с повышением температуры начинает разрушаться крис#
таллическая решетка металла и подвижность атомов возрастает.
Для соединения металлов, находящихся в твердом, хотя и нагре#
том состоянии, необходимо внешнее давление.
Нагретый до жидкого состояния металл (электродуговая сварка)
не требует внешнего давления, поскольку атомы свободно переме#
щаются в жидкой среде расплавленного металла и при его охлажде#
нии кристаллическая решетка восстанавливается, что дает прочное
сварное соединение (равнопрочное свариваемому металлу).
В рассматриваемых далее случаях источником тепла является элек#
трический ток (стыковая и точечная сварка) или электрическая дуга.
Контактная стыковая сварка. Ее применяют для соединения го#
рячекатанной арматуры по длине. Сущность процесса заключается
в том, что электрический ток подключают к свариваемым стержням,
которые приводятся в соприкосновение и образуют замкнутую элек#
трическую цепь (рис. 4.44, а).
Наибольшее электрическое сопротивление в цепи имеет стык
стержней, поэтому в этом месте тепло выделяется наиболее интен#
сивно, разогревая торцы стержней до пластического состояния.
Количество тепла в джоулях, выделяемое в стыке стержней, опре#
деляется по формуле Джоуля—Ленца:
Q = I 2R t,
(4.12)
где I — сила тока, А;
R — сопротивление, Ом;
t — время прохождения тока через стержни, с.
388
Рис. 4.44. Машины для контактной сварки арматуры: а — стыковая сварочная
машина; б — точечная сварочная машина; 1 — зажимы; 2 — свариваемые стерж#
ни; 3 — место сварки; 4 — трансформатор; 5 — токоведущие части; 6 — вторич#
ный виток; 7 — первичная обмотка трансформатора; 8 — сварочные электроды
Для получения сварного стыка обжимают место разогрева про#
дольным перемещением подвижного зажима. Усилие обжатия (осад#
ки) стержней колеблется от 30 до 80 МПа и выполняется механичес#
ким или гидравлическим механизмом. Общий припуск каждого стер#
жня на оплавление и осадку принимается равным 0,9...1,2 диаметра
свариваемого арматурного стержня. На аппаратах стыковой контакт#
ной сварки можно сваривать арматуру диаметром от 10 до 90 мм.
Контактная точечная сварка. Такую точечную электросварку ар#
матуры применяют для соединения пересекающихся стержней в сет#
ках и каркасах, а также для приварки внахлестку круглых арматур#
ных стержней к элементам проката — полосовой и уголковой стали.
Контактную точечную сварку выполняют на стационарных одно#
и многоточечных машинах. Принцип точечной сварки такой же, как
и у контактной стыковой.
Пересечение стержней 2 зажимается между электродами 8, к ко#
торым подводится электрический ток от вторичной обмотки свароч#
ного трансформатора 7 (рис. 4.44, б). Большие переходные сопротив#
ления в местах контакта вызывают быстрое расплавление металла до
пластичного состояния. Под действием сжимающего усилия элект#
родов, между которыми находятся пересечения стержней, происхо#
дит их сварка. Привод к подвижному электроду (обычно это верхний
электрод) пневматический или электрический. В зависимости от ди#
аметра свариваемых стержней время протекания тока от 0,1 с до не#
389
скольких десятков секунд. Многоточечные сварочные машины ра#
ботают в автоматическом режиме.
Электродуговая сварка производится с применением металличес#
ких электродов, т.е. с добавлением металла извне. Она более трудо#
емкая, чем контактная. При электродуговой сварке применяют пе#
ременный или постоянный ток. При этом один из проводников тока
присоединяют к свариваемым элементам (+), а электрод имеет от#
рицательный полюс (–).
Возникающая дуга расплавляет электрод и свариваемые части
металлических изделий. При остывании расплава образуется неразъ#
емное соединение. Применяется электродуговая сварка стержней
при объединении плоских каркасов в пространственные, стыкова#
нии стержней внахлестку и соединении их с закладными деталями
(рис. 4.45), при изготовлении сложных арматурных каркасов из стер#
жней большого диаметра. Для сварки пересечений стержней малых
диаметров (4...6 мм) этот вид сварки не применяют из#за возможно#
сти пережога стержней.
Разновидностью электродуговой сварки является ванная сварка.
Это, как правило, монтажная сварка, при которой стыкуемые стерж#
ни соосно укладывают горизонтально (реже — вертикально) в сталь#
ную желобчатую форму. Зазор между свариваемыми стержнями ра#
вен примерно 1,5 диаметра электрода, но не более 0,8d стержня.
Электрическая дуга, образуемая между электродом и формочкой,
расплавляет электрод и торцы свариваемых стержней. Образовав#
шийся расплав при остывании образует прочное неразъемное соеди#
нение (рис. 4.45, в).
Рис. 4.45. Виды сварных стыков арматурных стержней: а — стык с накладками
и фланговыми швами; б — стык внахлестку; в — ванно#шовная сварка стыка;
1 — свариваемые стержни; 2 — накладки; 3 — ванночка; 4 — сварной шов;
5 — точечная электроприхватка; 6 — зазор между свариваемыми стержнями
390
Приемка готовых арматурных изделий (контроль качества) осуще#
ствляется в месте их изготовления. С этой целью из 100 каркасов,
сеток или других изделий в каждой партии отбирают не менее 5 из#
делий для внешнего осмотра и 3 образца или узла для испытания
прочности сварных соединений. Допускаемые отклонения от проект#
ных размеров и допускаемые дефекты арматурных изделий регламен#
тируются СНиП. Примерные средние допускаемые отклонения в
размерах ±10 мм. При установке арматурных изделий в опалубку
необходимо обеспечить защитный слой бетона. Он предохраняет
арматуру от ржавления, воздействия на нее агрессивной среды и дру#
гих неблагоприятных факторов.
Для изготовления предварительно напряженных конструкций
применяют более сложные способы заготовки арматуры, зависящие
от вида напряженной арматуры (стержневая, прядевая и т.д.).
4.3.4. Приготовление бетонной смеси
Бетонную смесь приготовляют на бетонных заводах, которые по
признаку мобильности различают: немобильные (стационарные), мо!
бильные (с возможностью перебазирования на новое место с мини#
мальными затратами времени и труда) и высокомобильные (автобето#
носмесители, передвижные установки, смонтированные на специ#
альном шасси).
При строительстве новой железнодорожной линии основными
потребителями бетонной смеси являются объекты, возводимые на
железнодорожных станциях, приобъектные стройдворы, изготовля#
ющие железобетонные конструкции, искусственные сооружения
(мосты и трубы), расположенные на трассе.
Для этих целей снабжение бетонной смесью может быть органи#
зовано по различным схемам.
Стационарные бетонные заводы центральной базы обслуживают
объекты в радиусе 100 км, но не более расстояний, превышающих тех#
нологически допустимые для автомобильных перевозок. Они размеща#
ются в населенных пунктах и в районах с развитой дорожной сетью.
Приобъектные бетонные заводы обычно обслуживают одну круп#
ную строительную площадку (например, строящуюся железнодорож#
ную станцию) и функционируют в течение 4—5 лет. Такие заводы мо#
гут быть в мобильном исполнении (рис. 4.46). Управление процессом
приготовления бетонной смеси полностью автоматизировано.
391
Рис. 4.46. Мобильный бетонный завод фирмы «Stetter» производительностью
32 м3/ч: 1 — бетоносмеситель; 2 — весы для цемента; 3 — бункер для заполни#
телей; 4 — весы для заполнителей; 5 — пульт управления; 6 — погрузчик
Построечные бетоносмесительные установки располагаются глав#
ным образом в удаленных от центральной базы районах при невоз#
можности по дорожным условиям доставки смеси с базы.
При небольшой потребности в бетонной смеси строительного
объекта ее приготовление осуществляется в автобетоносмесителях,
загруженных на центральных установках сухой бетонной смесью.
Такая схема может быть экономически более эффективной, чем уст#
ройство приобъектного завода.
Передвижные высокомобильные бетоноприготовительные установ#
ки используют для обслуживания объектов рассредоточенного и ма#
лообъемного строительства. Их монтируют на специальных транс#
портных средствах — полуприцепах. Производительность таких
установок 15—20 м3/ч.
Основным агрегатом бетонного завода или установки является
бетоносмеситель циклического или непрерывного действия. В ин#
дустриально развитых странах с высокоэффективными технологи#
ями возведения объектов из монолитного бетона абсолютное боль#
шинство стационарных смесителей — циклические принудительно#
392
го действия. В Японии только 25 % бетона производится в гравита#
ционных смесителях, причем основную их часть составляют авто#
бетоносмесители. В ФРГ гравитационные смесители поставляют
только малой вместимости (100 л и менее). Это объясняется тем, что
бетоносмесители принудительного действия позволяют приготов#
лять различные по прочности бетонные смеси, обеспечивая получе#
ние однородных смесей при сокращенной продолжительности сме#
шивания.
Совершенствование технологии приготовления бетонных смесей
ведется по разным направлениям, в том числе путем совершенство#
вания конструкции бетоносмесителей. На рис. 4.47 показан смеси#
тель принудительного действия тарельчатого типа, представляющий
собой два смонтированных один над другим смесителя для двухста#
дийного приготовления бетонной смеси. По двухстадийной техно#
логии первоначально в быстроходных смесителях 1 приготавливается
цементно#песчаная смесь с неполной дозой воды. После предвари#
тельного смешивания смесь выгружается в тихоходный смеситель 2,
куда поступает крупный заполнитель и оставшаяся доза воды. Пос#
ле домешивания открывается секторный затвор 3 и готовая бетонная
смесь выгружается.
Рис. 4.47. Смеситель для двухстадийного приготовления бетонной смеси:
1 — быстроходный смеситель; 2 — тихоходный смеситель; 3 — секторный зат#
вор выгрузочного отверстия; 4 — электродвигатель с редуктором; 5 — загру#
зочные отверстия для инертных компонентов
393
Полный цикл составляет 60...90 с, так как процесс смешивания в
обоих смесителях происходит одновременно: в тихоходном смесите#
ле приготавливается один замес, а в быстроходном — другой (после#
дующий) замес цементно#песчаной смеси. Вместимость быстроход#
ного смесителя в 2—3 раза меньше вместимости тихоходного.
Работой смесителя управляет компьютер. За счет снижения рас#
хода воды (на 5—10 %) снижается расход цемента.
Применение такого смесителя позволяет повысить однородность
бетона.
Другим методом улучшения качества бетонной смеси является
обогащение (активизация) заполнителей. Сущность процесса заклю#
чается в том, что заполнители естественной влажности обрабатыва#
ют (обогащают) в специально созданных установках или в самом
смесителе. При обработке с поверхности заполнителей снимают не#
активные пленки, в результате чего улучшаются условия сцепления
цементного камня с очищенными поверхностями, увеличивая тем
самым прочность бетона.
Обогащение песка происходит по следующей схеме: песок прохо#
дит сверху вниз через систему расположенных один над другим вал#
ковых и вибрационных устройств. В результате динамического воз#
действия рабочих органов установки качество песка повышается
путем активизации поверхности зерен при обнажении свежих ско#
лов, имеющих повышенную адгезионную способность. Смесь, при#
готовленная на обогащенном песке, имеет лучшую подвижность, а
прочность бетона увеличивается на 10—20 %.
Повышение качества бетонной смеси и экономия цемента дости#
гается также при изменении последовательности загрузки составля#
ющих в смеситель: к крупному заполнителю добавляют воду, затем
цемент, а после перемешивания — песок. Эта технология обеспечи#
вает улучшение качества бетона в результате эффективного обвола#
кивания цементным тестом частиц крупного заполнителя и сокра#
щение времени цикла бетоносмесителя (технология предложена дат#
ской фирмой «Skako»).
Производительность циклического бетоносмесителя Пбс, м3/ч,
составляет
60qK вбс
(4.13)
П бс =
К ,
1000Т ц в
394
где q — геометрическая емкость смесительного барабана, л;
Квбс — коэффициент выхода бетонной смеси;
Кв — коэффициент использования бетоносмесителя по времени;
Тц — время цикла бетоносмесителя, мин.
Бетоносмесители непрерывного действия имеют более высокую
производительность, чем циклические. Однако их экономическая
эффективность может быть реализована при больших сосредоточен#
ных объемах работ (крупные мосты, тоннели и т.п.).
Конструктивно эти бетоносмесители представляют собой удли#
ненный цилиндр, с одного торца которого происходит загрузка ком#
понентов, а из другого выгружается готовая бетонная смесь. По спо#
собу перемешивания смеси бетоносмесители непрерывного действия
могут быть гравитационные и принудительного перемешивания.
4.3.5. Транспортирование бетонной смеси
Общими требованиями, предъявляемыми к процессу транспорти#
рования бетонной смеси, являются: ее защита от атмосферного воз#
действия, от расслоения, потерь цементного молока, а также мини#
мальное число перегрузок бетона.
Различают два типа машин для транспортирования бетонных и
растворных смесей: машины для доставки их от центрального заво#
да к строительным объектам и машины для внутрипостроечного
транспортирования, подающие смеси к месту укладки.
Транспортирование от бетонного завода до стройплощадки. Выбор
способов, средств и режимов доставки бетонной смеси к месту ее ук#
ладки зависит от объема укладываемой смеси, условий сохранения
ее качества, исходного состава и подвижности, дорожных и погод#
ных условий, необходимого темпа загрузки и выгрузки смеси, нали#
чия и видов внутриобъектного бетоноукладывающего оборудования.
Критериями выбора транспортных средств бетонной смеси мо#
гут быть экономические, энергетические, трудовые и другие пока#
затели.
К средствам транспортирования бетонной смеси предъявляются
требования максимального сохранения ее заданных свойств: подвиж#
ности, однородности, температуры, а также исключения потерь при
доставке от бетонного завода до строительной площадки. Поэтому
при организации доставки главное внимание уделяется тому, чтобы
при укладке смесь сохраняла свои свойства, а изготовленная конст#
395
рукция имела проектную марку по прочности, морозостойкости,
водонепроницаемости, истираемости и другим характеристикам.
Доставка бетонной смеси и определение технологически допус#
тимого расстояния перевозки должны осуществляться исходя из того,
чтобы фактическая потеря подвижности бетонной смеси не превы#
шала 2 см при соблюдении необходимого температурного режима
(потери тепла не должны превышать установленных норм).
Средствами доставки бетонной смеси от бетонного завода до
стройплощадки могут быть автобетоносмесители, автобетоновозы и
автобадьевозы.
Автобетоносмеситель (рис. 4.48, а) — это специализированная ма#
шина для перевозки сухих бетонных смесей, приготовления в пути
следования готовых бетонных смесей, а также для перевозки готовых
бетонных смесей с побуждением их в пути. Загрузка производится на
заводах товарного бетона.
Поскольку в результате абсорбции влаги из воздуха и естествен#
ной влажности инертных заполнителей качество сухих смесей, пере#
возимых в автобетоносмесителях, быстро ухудшается (начинается ча#
стичная гидратация цемента), дальность их транспортирования не
должна превышать 100 км, а время нахождения в пути — 2...2,5 ч.
Автобетоновоз — это специализированная машина для перевозки
готовых бетонных смесей и растворов на расстояние до 45 км. Кузов
их высокой, каплевидной формы (рис. 4.48, б), расположен в зоне
Рис. 4.48. Средства доставки бетонной смеси: а — автобетоносмеситель; б — ав#
тобетоновоз; в — автобадьевоз; 1 — смесительный барабан; 2 — бак для воды;
3 — загрузо#разгрузочное устройство; 4 — кузов автобетоновоза; 5 — крыш#
ка выгрузочного отверстия; 6 — бадья
396
наименьшей вибрации автомобиля, что обеспечивает сохранность
перевозимой бетонной смеси от расслоения и разбрызгивания. Ку#
зов имеет крышку для предохранения от воздействия осадков и тер#
моизоляцию от воздействия отрицательных температур.
Автобадьевоз — это автопоезд, скомпонованный из автомобиль#
ного седельного тягача КамАЗ#54112 и полуприцепа. Он предназна#
чен для транспортирования смесей в неповоротных бадях#бункерах
от заводов (бетоносмесительных установок) до строительных объек#
тов. На полуприцепе вдоль продольной оси расположены три бун#
кера (бадьи) вместимость 2 м3 каждый. Дальность транспортирова#
ния 20 км, средняя скорость движения 40 км/ч (рис. 4.48, в).
Бадья — емкость с жестким каркасом, снабженная двумя полу#
крышками и подпружиненным затвором, способным выдавать ра#
створ порциями. Крышка, открывающаяся вручную, предохраняет
бетонную смесь от атмосферного воздействия. Стенки емкости, об#
ложенные теплоизоляционным материалом, представляют собой
конус с углом 60о, что позволяет емкости саморазгружаться. В ниж#
ней части конуса расположен затвор челюстного типа.
Груженую бадью снимают с полуприцепа краном и переносят для
разгрузки или кратковременного хранения (не более 2 ч). Ее можно
установить на любую ровную поверхность, в том числе и на грунт.
Бадья оборудована электровибратором для улучшения выгрузки
смеси, с осадкой конуса менее 10 см. Вибрирующий элемент нахо#
дится внутри бадьи. Вибратор#побудитель смонтирован так, что его
воздействие не передается на канат крана.
Доставленную автобадьевозом смесь без перегрузок и потерь
укладывают в конструкцию. Таким преимуществом другие автотран#
спортные средства доставки не обладают. Кроме того, автобадьевоз
может доставлять одновременно смеси трех различных марок (по
числу бадей).
Транспортирование бетонной смеси в бадьях требует создания
большого оборотного парка бадей, что снижает экономическую эф#
фективность этого метода.
Транспортирование бетона в пределах стройплощадки. На стройпло#
щадке подача бетона к месту его укладки осуществляется бадьями с
помощью кранов, ленточными конвейерами, бетононасосами, пнев#
монагнетателями, самоходными бетоноукладчиками с телескопичес#
кой стрелой, автобетононасосами с распределительной стрелой и др.
397
Выбор способа механизации бетоноукладочных работ зависит от
ряда факторов, в том числе от особенностей технологического про#
цесса в конкретных условиях, от времени года, экономической эф#
фективности и т.д.
Автобетононасосы представляют собой мобильный вариант бето#
нонасоса. Насос устанавливается на шасси автомобиля или пневмо#
колесное шасси и оборудуется распределительной стрелой#манипу#
лятором, состоящей из трех шарнирно#сочлененных секций. По
стреле проходит бетоновод, заканчивающийся гибким раздаточным
шлангом, что позволяет с одной стоянки подавать бетон в конструк#
ции, расположенные не только ниже поверхности земли, но и на
высоту до 30 м, а также в радиусе 30—40 м по горизонтали.
Стрела#манипулятор освобождает от трудоемких работ по монта#
жу бетоноводов и ручной перекидке бетонной смеси при укладке.
Бетононасосы с распределительными стрелами могут быстро ма#
неврировать в пределах строительной площадки и в короткие сроки
перебрасываться с объекта на объект.
Эффективным средством подачи бетона являются самоходные
ленточные бетоноукладчики. Они создаются на базе экскаваторов,
тракторов и на пневмоходу. Один из них — полноприводный бето#
ноукладчик ЛБУ#20.
Транспортирующим органом бетоноукладчика является ленточ#
ный телескопический конвейер (транспортер), состоящий из основ#
ного (базового) конвейера и вдвижного. С одной рабочей позиции
бетонная смесь может подаваться в любую точку по горизонтали на
расстоянии от 3 до 20 м, обслуживая площадь более 300 м2.
Бетонную смесь к укладчику доставляют автобетоносмесителями
или другими транспортными средствами, обеспечивая при этом
практически непрерывный процесс укладки бетона в конструкцию.
Бетоноукладчики применяют для устройства монолитных фунда#
ментов под здания, сооружения и технологическое оборудование.
Универсальным оборудованием являются бетононасосы. Они осо#
бенно удобны при подаче бетона в стесненных условиях, обеспе#
чивая бесперегрузочное перемещение смеси от расходного бункера
до места укладки и при подаче бетона в густоармированные конст#
рукции.
Бетон движется по трубам под давлением бетононасоса или пнев#
монагнетателя. Современные бетононасосы способны транспорти#
398
ровать смесь на расстояние до 350 м по горизонтали и до 80 м по вер
тикали.
Пневматические бетоноукладчики (рис. 4.49) по сравнению с бе
тононасосами более надежны и долговечны. Пневмонагнетатель
имеет полезную емкость резервуара 150—800 л.
Пневмонагнетатель 2 после загрузки бетонной смесью закры
вается конусообразным затвором. Сжатый воздух через распредели
тель 6 поступает в резервуар, оказывая давление на бетонную смесь
сверху. Одновременно воздух подается к выходному колену, где бе
тонная смесь оказывает выходу из нагнетателя наибольшее сопротив
ление.
Подача бетонной смеси должна проходить равномерно, с медлен
ным продвижением в бетоноводе во избежание ее расслаивания (бе
тоновод представляет собой стальные тонкостенные трубы диамет
ром 150...200 мм. Длина каждого звена 3 м). В бетоноводе 3 смесь дви
жется со скоростью 0,5...5,0 м/с.
К конечному звену бетоновода присоединяется гаситель 4, кото
рый снижает скорость движения смеси и гасит ее турбулентность.
В гасителе же удаляются из бетонной смеси пузырьки воздуха. К ме
сту укладки бетон подается посредством резинотканевого рукава 5.
Производительность пневмонагнетательной установки колеблет
ся от 3,5 до 20 м3/ч. Бетонная смесь подается на расстояние до 200 м
по горизонтали или 35 м по вертикали. Высота подъема на 1 м экви
валентна горизонтальному перемещению на 8 м.
Рис. 4.49. Схема пневмонагнетательной установки: 1 — компрессор; 2 — пнев
монагнетатель; 3 — бетоновод; 4 — гаситель; 5 — резинотканевый рукав;
6 — распределитель воздуха
399
Производительность пневмонагнетателя определяется по формуле
П = 3,6V/Тц м3/ч,
где V — объем транспортируемого бетона, л;
Тц — продолжительность цикла, с.
В среднем на 1 м3 бетонной смеси расходуется около 12...15 м3
сжатого воздуха, расход которого зависит от подвижности бетонной
смеси, дальности и высоты ее перемещения.
Для транспортирования бетононасосами и пневмогнетателями
применяют пластичные смеси, не изменяющие своей однороднос#
ти, т.е. нерасслаивающиеся.
Высокопластичные смеси с осадкой конуса более 18 см из#за спо#
собности к отделению избыточной воды транспортировать по трубам
запрещено, так как после отделения воды щебень выпадает в осадок,
образуя в бетоноводе пробки.
Жесткие бетонные смеси с осадкой конуса 1...3 см также непри#
годны для транспортирования по трубам, поскольку перекачивать их
очень трудно. Оптимальной является бетонная смесь с осадкой ко#
нуса 5...8 см.
Транспортирование бетона по трубопроводам эффективно при
больших объемах работ и при технологии, исключающей частые пе#
рерывы в подаче бетона.
Созданы технические средства, со#
вмещающие транспортное и укладыва#
ющее устройства. К ним относится
АБС#4Т12 (рис. 4.50).
Рис. 4.50. Бетонотранспортная машина АБС#4Т12: 1 — бетоносмесительный
барабан; 2 — транспортер
400
Автобетоносмеситель АБС#4Т12 является универсальной бетоно#
транспортной машиной и предназначен для приема, транспортиро#
вания и подачи бетонной смеси транспортером в строительные кон#
струкции промышленных и гражданских зданий малой этажности и
сооружений из монолитного бетона преимущественно на рассредо#
точенных объектах, а при отрицательной температуре — для транс#
портировки готовой смеси и подачи ее лотком.
Наибольшая эффективность агрегата достигается при работе в
технологическом режиме: транспортирование бетона автобетоносме#
сителем и укладка транспортером.
Вместимость смесительного барабана — 4,0 м3, радиус подачи сме#
си вверх — 6 м, вниз — 5 м, рабочий угол поворота транспортера 265о,
максимальный вылет стрелы 12 м.
4.3.6. Укладка и уплотнение бетонной смеси
Укладка бетонной смеси включает подачу бетонной смеси в бето#
нируемую конструкцию, ее разравнивание и уплотнение.
Пред началом бетонирования определяют способы подачи, распре#
деления и уплотнения бетонной смеси; толщину и направление укла#
дываемых слоев, необходимую интенсивность подачи бетонной смеси.
Перед укладкой бетонной смеси необходимо проверить все кон#
структивные элементы, которые закрываются в процессе укладки
бетонной смеси (основание гидроизоляции, армирование, закладные
детали и т.п.); правильность установки и надлежащее закрепление
опалубки и поддерживающих ее конструкций.
Непосредственно перед укладкой бетонной смеси опалубку очи#
щают от мусора и грязи, а арматуру — от отслаивающейся ржавчи#
ны. Щели в деревянной опалубке заделывают. Поверхность обора#
чиваемой деревянной, фанерной и металлической опалубки покры#
вают смазкой, которая должна предотвратить сцепление с бетоном,
но не ухудшать прочностных качеств конструкций и не оставлять сле#
дов на их поверхности, ухудшающих внешний вид.
Поверхность бетонной, железобетонной и армоцементной опа#
лубки#облицовки смачивают, чтобы исключить потери влаги в укла#
дываемой бетонной смеси и ухудшение условий твердения и набора
прочности в слоях, прилегающих к облицовке.
Бетонную смесь укладывают на основание, подготовленное в со#
ответствии со следующими рекомендациями.
401
При подготовке грунтовых оснований с них удаляют все илис#
тые, растительные, торфянистые и прочие грунты органического
происхождения. Естественное и искусственное основание (насып#
ное грунтовое, дренажи, фильтры и др.) из нескальных грунтов дол#
жно сохранять физико#механические свойства, предусмотренные
проектом.
При подготовке бетонных оснований и рабочих швов их горизон#
тальные и наклонные поверхности очищают от цементной пленки,
вертикальные поверхности — от пленки, если это предусмотрено
проектом. Для удаления цементной пленки с поверхности бетона
используют металлические щетки, гидропескоструйную установку,
водяную или воздушную струю. Пользоваться ударными инструмен#
тами (отбойные молотки и т.п.) для удаления цементной пленки
нельзя, поскольку это приводит к ослаблению нижележащих слоев
бетона и ухудшает качество контакта между слоями бетона.
При укладке бетонной смеси ведут непрерывный контроль состо#
яния опалубки и конструкций, ее поддерживающих. Появившиеся
деформации или смещения немедленно устраняют.
Во время дождя бетонируемый участок защищают от попадания
воды в бетонную смесь, а размытый водой бетон удаляют.
Перекрытие предыдущего слоя бетонной смеси последующим
выполняют до начала схватывания цемента в предыдущем слое.
При подаче бетонной смеси в конструкцию высота свободного сбра#
сывания не должна превышать 2 м, а при подаче на перекрытие — 1 м.
Выбор толщины укладываемого слоя увязывают со средствами
уплотнения (вибраторами).
Уплотнение бетонной смеси — основная технологическая операция
при бетонировании, от качества которой в основном зависит плот#
ность и однородность бетона, а следовательно, его прочность и дол#
говечность.
Бетонная смесь — это пластично#вязкое тело, занимающее как бы
промежуточное положение между твердыми телами и истинными
жидкостями. Она оказывает сопротивление сдвигу, т.е. обладает оп#
ределенной прочностью структуры.
Бетонная смесь относится к дисперсным системам, т.е. состоящим
из множества мелких частиц, различных по своим свойствам, раз#
граниченных поверхностями раздела и находящихся в однородной
среде.
402
Дисперсные системы обладают тиксотропными свойствами —
способностью восстанавливать исходную структуру, разрушенную
механическим воздействием. На этих свойствах бетонной смеси ос
новано виброуплотнение, когда вследствие уменьшения сил сцепле
ния между отдельными зернами бетонная смесь приобретает свой
ства вязкой тяжелой жидкости хорошо заполняющей форму (опа
лубку).
Виброуплотнение увеличивает прочность бетона, его водонепро
ницаемость и морозостойкость.
Уплотнение бетонной смеси производится глубинными, поверх
ностными или наружными, навешиваемыми на опалубку вибратора
ми (рис. 4.51).
Область применения различных типов вибраторов зависит от раз
меров и формы бетонируемой конструкции, степени ее армирования
и требуемой интенсивности бетонирования.
Качество конструкции зависит от правильного выбора режима
вибрирования бетонной смеси. При недостаточной продолжитель
Рис. 4.51. Типы вибраторов: а — внутренний — вибробулава; б — внутренний с
гибким валом; в — поверхностный (площадочный); г — поверхностный — виб
рорейка; д — наружный (настенный); 1 — корпус; 2 — штанга; 3 — электродви
гатель; 4 — гибкий вал; 5 — площадка; 6 — опалубка; 7 — металлический брус
403
ности вибрирования может иметь место неплотная укладка бетонной
смеси, а при излишней возможно ее расслоение. Продолжительность
вибрирования на одной позиции зависит от подвижности бетонной
смеси и типа вибратора.
Глубинные вибраторы. Эффективность уплотнения бетонной сме#
си определяется радиусом действия вибратора, параметрами вибри#
рования (частота и амплитуда колебания), а также диаметром и дли#
ной вибронаконечника.
Вибратор выбирают в зависимости от характера бетонируемой
конструкции и ее армирования.
Вибраторы#вибробулавы (рис. 4.51, а) применяют для уплотнения
бетонных смесей, укладываемых в малоармированные и неармиро#
ванные массивные конструкции.
Для уплотнения бетонной смеси в густоармированных и тонко#
стенных конструкциях применяют внутренние вибраторы с гибким
валом (рис. 4.51, б).
Технологическая операция уплотнения бетонной смеси глубинны#
ми вибраторами состоит в следующем. Вибронаконечник быстро
опускают вертикально или с небольшим наклоном в уплотняемый
слой, захватывая на глубину 5...10 см ранее уложенный слой. Через
10...15 с его медленно извлекают из бетона, обеспечивая заполнение
пространства, освобождаемого вибронаконечником. Далее вибратор
переставляют на новое место, соблюдая условие: шаг перестановки
не должен быть более 1,5 радиуса его действия.
Поверхностные вибраторы рекомендуется применять при уплотне#
нии бетонной смеси, укладываемой в подготовку под полы, плиты
перекрытий, дорожные покрытия и тому подобные конструкции,
толщина которых не превышает 25 см для неармированных либо ар#
мированных легкой сеткой конструкций.
Поверхностные вибраторы, виброрейки и вибробрусья (рис. 4.51, в, г),
передают колебания бетонной смеси через рабочую площадку или
рейку (брус).
При толщине слоя более 5 см виброуплотнение проводят в два#
три прохода. Скорость перемещения поверхностного вибратора
0,5...1,0 м/мин.
Наружные вибраторы. Наружные вибраторы укрепляют на опалуб#
ке при помощи захватных устройств тискового типа, и они передают
колебания бетонной смеси через опалубку.
404
Область эффективного применения таких устройств — бетониро#
вание вертикальных тонкостенных конструкций (стены, ригели, ре#
зервуары и т.п.).
Наружное вибрирование рекомендуется применять совместно с
глубинным, в конструкциях насыщенных арматурой, в угловых эле#
ментах конструкции и в других случаях, когда невозможно провиб#
рировать бетонную смесь с помощью глубинных вибраторов.
При составлении ППР учитывают воздействие вибрации на кон#
структивные элементы опалубки. Шаг расстановки вибраторов на
опалубке определяют расчетом.
Уплотнение считают законченным, если оседание бетонной сме#
си прекратилось, крупный заполнитель покрылся раствором, а на по#
верхности уложенной смеси появилось цементное молоко; кроме
того, наблюдается прекращение выделения на поверхности больших
пузырьков воздуха.
Бетонную смесь укладывают горизонтальными слоями и, как пра#
вило, по площади всей бетонируемой конструкции (рис. 4.52, а). При
многослойной укладке для обеспечения монолитности бетонной
кладки по всей толщине конструкции укладывают свежую смесь на
уплотненный слой до начала в ней процесса схватывания цемента.
Толщина слоев бетонной смеси должна соответствовать (но не
превышать) установленным нормами пределам: при внутреннем виб#
рировании — 1,25 длины рабочей части вибратора; при поверхност#
Рис. 4.52. Способы укладки бетона: а — послойный; б — ступенчатый; в — на#
клонными слоями; 1 — уложенный бетон; 2 — вновь укладываемая бетонная
смесь; 3 — опалубка
405
ном вибрировании неармированных и армированных одиночной
арматурой конструкций — 250 мм; в конструкциях с двойной арма#
турой — 120 мм.
Если размеры конструкции не позволяют выполнить указанное ус#
ловие, то применяют ступенчатый способ укладки бетонной смеси
или укладку наклонными слоями (рис. 4.52, б, в), при которых зна#
чительно сокращается одновременно бетонируемая площадь. При
ступенчатом способе длина «ступени» должна быть не менее 3 м (для
удобства ведения работ). Наклонные слои укладывают при высоте
конструкции до 1,5 м и с соблюдением угла наклона не свыше 10о (во
избежание подвижек ранее уложенных и уплотненных слоев бетона).
При выдерживании уложенного бетона в начальный период его
твердения поддерживают благоприятный температурно#влажност#
ный режим, предотвращая значительные температурно#усадочные
деформации и предохраняя от механических повреждений.
Мероприятия по выдерживанию и уходу за бетоном прорабаты#
вают в проекте.
В летнее и особенно — в жаркое время поверхность свежеуложен#
ного бетона защищают от действия прямых солнечных лучей и вет#
ра. Это достигается укрытием бетона брезентом или мешковиной,
поддерживаемых во влажном состоянии. При отсутствии указанных
возможностей поверхность бетона закрывают слоем влажных опилок
или песка, которые насыпают через 3...4 ч после укладки бетона и
поливают рассеянной струей воды до 5 раз в день. Одновременно в
теплое и жаркое время увлажняют и деревянную опалубку. Уход дол#
жен продолжаться в течение 7—14 дней в зависимости от погоды и
вида применяемого цемента до достижения бетоном 50—70 % про#
ектной прочности.
При выполнении больших объемов работ (устройстве полов, по#
крытии дорог и т.п.) можно применять передвижные укрытия — кол#
паки из брезента, мешковины или пленки, которые надвигают на
свежеуложенный бетон по боковым ограждающим доскам.
После набора прочности 0,6...0,8 мПа поверхность бетона можно
укрыть опилками, песком или залить водой. Эти же колпаки защи#
тят свежеуложенный бетон от дождя. Колпаки должны быть закры#
ты со всех сторон, чтобы устранить сквозное продувание под ними и
не допустить быстрого высыхания бетона. При отсутствии материа#
лов для устройства укрытий поверхности бетона могут использовать#
406
ся специальные пленкообразующие составы. Для этой цели приме#
няют эмульсии на основе битумов. Пленкообразующие эмульсии на#
носят через 2...3 ч после укладки бетона.
В осеннее и весеннее время года при температуре воздуха +5 оС и
ниже, когда возможны заморозки, необходимо иметь материалы для
утепления открытых поверхностей бетона.
При опасности повреждения свежеуложенного бетона движущи#
мися грунтовыми водами его ограждают от размывания до достиже#
ния прочности не ниже 5 мПа.
Движение людей по забетонированным конструкциям, а также
установка на них лесов и опалубки для возведения вышестоящих кон#
струкций допускается при достижении бетоном прочности не ниже
1,5 мПа.
Движение автотранспорта и других машин по забетонированным
конструкциям разрешается после достижения бетоном прочности,
предусмотренной в ППР.
4.3.7. Бетонирование конструкций и их элементов
Бетонированию конструкций предшествуют определенные под#
готовительные работы: инструментальная проверка соответствия
геометрических размеров опалубки проектным, геодезический кон#
троль ее основных отметок, проверка качества опалубочных конст#
рукций и элементов, обеспечивающих ее жесткость и геометричес#
кую неизменяемость и т.д.
Установленные в опалубку арматурные изделия также проверяют на
правильность их установки в опалубку, закрепления от смещения при
укладке бетона и обеспечения защитного слоя бетона; правильность
выполнения стыков арматурных стержней, сеток, каркасов и т.п.
Готовность опалубки и арматуры к укладке бетонной смеси офор#
мляют актом на скрытые работы.
Бетонирование массивов и фундаментов. В больших массивах бе#
тона при его твердении возникают значительные напряжения, вы#
званные усадочными явлениями и экзотермическим разогревом. Оба
фактора приводят к образованию в бетоне трещин. С целью умень#
шения или исключения этого явления массивные сооружения бето#
нируют блоками.
Массивным считается сооружение, если его площадь более 100 м2,
а высота свыше 3 м.
407
Блоки образуются разрезкой массива сооружения поперечными,
а иногда и продольными швами. Высокие массивные сооружения
расчленяют по высоте на ярусы, а ярусы делят на блоки бетонирова#
ния. Площадь одного блока составляет 50...60 м2, а высота 1...1,2 м.
В каждом ярусе бетонируют блоки в шахматном порядке, а после ча#
стичной усадки бетона — промежуточные.
Фундаменты, воспринимающие динамические нагрузки, бетони#
руют без перерывов, а фундаменты, рассчитанные на статическую
нагрузку, допускается бетонировать с перерывами с образованием
рабочих швов.
В массивные фундаменты с густой арматурой бетонную смесь
укладывают слоями толщиной 0,3...0,4 м и уплотняют внутренними
вибраторами.
Бетонирование плоских конструкций. Под плоскими конструкци#
ями подразумеваются покрытия дорог, аэродромов, подстилающие
слои полов и т.п.
Плоские конструкции бетонируют бетоноукладочными машина#
ми. В местах, недоступных для их работы, или при незначительных
объемах бетонирование ведут средствами малой механизации.
При устройстве подготовки под полы используют жесткую бетон#
ную смесь с осадкой конуса 0...2 см. Бетонирование производят по#
лосами шириной 3—4 м через одну, устанавливая по их краям маяч#
ные доски. Промежуточные полосы бетонируют после твердения
бетона в ранее уложенных. Перед их бетонированием снимают ма#
ячные доски, а образовавшиеся по этим граням рабочие швы обра#
батывают соответствующим образом для обеспечения надежного
сцепления со свежеукладываемой бетонной смесью.
Бетонирование колонн. Колонн сечением 400 × 400 мм и более и
высотой до 5 м бетонируют сразу на всю высоту с подачей бетонной
смеси сверху непосредственно из автобетононасоса, бадьи или бето#
новода.
При невозможности опускания раздаточного шланга автобетоно#
насоса внутрь короба опалубки или при наличии перекрещивающих#
ся ветвей хомутов, вызывающих расслоение бетонной смеси при ее
падении, а также при сечении колонн менее 400 × 400 мм бетониро#
вание ведут ярусами высотой не более 2 м.
Бетон подают через окна, специально устраиваемые в опалубке.
Опалубку высоких колонн монтируют только с трех сторон, а с чет#
408
вертой стороны подают бетонную смесь. После ее укладки наращи#
вают очередной ярус.
Бетонирование стен и перегородок. Стены и перегородки высотой
до 10 м, возводимые в разборно#переставной опалубке, бетонируют
участками высотой не более 3 м.
Бетонную смесь спускают в опалубку с высоты более 3 м через
раздаточные или концевые шланги бетононасосов.
Стены и перегородки толщиной менее 150 мм бетонируют яруса#
ми высотой не более 2 м. При этом опалубку с одной стороны возво#
дят сразу на всю высоту и к ней крепят арматуру. Вторую сторону
опалубки возводят на высоту одного яруса сразу после окончания
бетонирования предыдущего яруса. Бетонную смесь в стенах и пере#
городках уплотняют внутренними или наружными вибраторами.
Бетонирование следующего яруса возобновляют только после
устройства рабочего шва.
Арки и своды пролетом менее 15 м бетонируют без переры#
вов одновременно с двух сторон — от пят к замку, а пролетом более
15 м — отдельными участками, расположенными симметрично от#
носительно поперечной оси сооружения. Рабочие швы заполняют че#
рез 5—7 дней после окончания бетонирования основных участков.
Устройство рабочих швов. Обеспечить непрерывное бетонирова#
ние монолитных конструкций не всегда представляется возможным
по разным причинам: по технологическим (большие массивы),
вследствие невозможности непрерывной подачи бетона, по метеоус#
ловиям и т.п.
Вследствие перерывов в бетонировании образуются рабочие швы.
Рабочим швом называется плоскость стыка между ранее уложенным
и полностью затвердевшим бетоном и свежеуложенным. Рабочий
шов является ослабленным местом конструкции, поэтому его жела#
тельно устраивать в местах, где стык старого и нового бетона не бу#
дет влиять на прочность конструкции, т.е. в нулевых точках расчет#
ных эпюр моментов.
В колоннах рабочие швы допускаются на уровне верха фундамен#
та, у низа прогонов, балок или подкрановых консолей; в рамных кон#
струкциях — между стойками и ригелями рам.
Для надежного сцепления бетона в рабочем шве поверхность ра#
нее уложенного бетона тщательно обрабатывают: кромку схвативше#
гося бетона очищают от цементной пленки и обнажают крупный за#
409
полнитель; продувают сжатым воздухом и промывают струей воды,
протирая проволочными щетками. Особенно тщательно обрабаты#
вают поверхность бетона вокруг выпусков арматуры; арматурные
стержни очищают от раствора. Очищенную поверхность стыка перед
началом бетонирования покрывают цементным раствором, имею#
щим такой же состав, как и укладываемая бетонная смесь.
Возобновлять бетонирование разрешается после того, как уложен#
ный бетон наберет прочность не менее 1,5 мПа, т.е. будет способен
воспринимать без разрушения технологические нагрузки, связанные
с возобновлением процесса укладки бетонной смеси.
4.3.8. Специальные виды бетонных работ
Вакуумирование бетона. Для процесса гидратации цемента необ#
ходимое количество воды составляет не более 20 % от его массы. Ос#
тальная вода служит для придания бетону технологических свойств:
подвижности и удобоукладываемости.
В процессе твердения бетона химически несвязанная вода испа#
ряется, оставляя в бетоне поры, снижающие его плотность, водоне#
проницаемость, сопротивление истиранию и химической агрессии.
Для снижения влияния миграции влаги на эксплуатационные ха#
рактеристики бетонных конструкций свежеуложенный бетон ваку#
умируют.
Вакуумирование — это процесс удаления свободной воды и воз#
духа из свежеуложенного бетона путем создания на внешних поверх#
ностях или внутри забетонированной конструкции пониженного дав!
ления.
Для эффективного вакуумирования достаточно понижения дав#
ления до 500...600 мм рт. ст. (70...80 кПа).
При вакуумировании между опалубкой и бетоном устраивают тон#
кую воздушную полость, в которой при помощи вакуум#насоса со#
здают разреженное пространство — вакуум. Полость образуется про#
кладкой двух слоев металлической тканой и плетеной сеток (либо из
штампованных пластмассовых), прикрепляемых на внутренней по#
верхности опалубки (рис. 4.53, в).
Во избежание уноса из бетонной смеси цементных частиц всю по#
верхность сетки, обращенную к бетону, покрывают фильтрующей
тканью из нейлона или капрона. Удаленные из бетонной смеси вода
и воздух поступают через отверстие вакуум#полости в центральный
410
Рис. 4.53. Схемы вакуумирования бетона: а — передвижная вакуум#установка;
б — стационарная вакуум#установка; в — конструкция вакуум#щита; 1 — ва#
куум#насос; 2 — стационарный водосборник; 3 — магистральная всасываю#
щая линия; 4 — передвижной водосборник; 5 — коллектор; 6 — всасывающие
рукава; 7 — вакуум#щит; 8 — вакуумируемая конструкция; 9 — центральный пат#
рубок; 10 — водостойкая фанера; 11 — плетеная сетка; 12 — тканая сетка;
13 — фильтровальная ткань
патрубок 9, далее — в гибкий всасывающий рукав 6, соединенный с
коллектором 5, затем — в водосборники 4 и 2 (рис. 4.53, а, б).
Плоские конструкции, такие как междуэтажные перекрытия, под#
готовка под полы и др., вакуумируют, применяя легкие переносные
вакуум#щиты, площадью до 1,0 м2. Вакуум#щиты укладывают с не#
большим зазором друг к другу на выровненную открытую поверх#
ность уложенного и уплотненного бетона. По окончании вакууми#
рования на поверхность щита в специально усиленные места ставят
вибратор. В результате устраняется направленная пористость и бетон
приобретает структуру повышенной плотности.
411
Стены, колонны и другие развитые по высоте конструкции ваку#
умируют со стороны боковых поверхностей. Для этого обычную опа#
лубку оборудуют по высоте горизонтальными изолированными друг
от друга вакуум#полостями (рис. 4.53, а), по мере укладки бетонной
смеси включают соответствующую вакуум#полость и производят ва#
куумирование.
Процесс вакуумирования в сочетании с дополнительным вибри#
рованием должен быть окончен до начала схватывания цемента.
Продолжительность вакуумирования бетона зависит от степени
разрежения в вакуум#полости, состава, плотности и подвижности
бетонной смеси, толщины вакуумированной конструкции и может
изменяться в широких пределах: от 5 до 50 мин.
После вакуумирования бетон приобретает прочность 0,3...0,4 мПа,
что позволяет в ряде случаев вести частичную или полную распалубку.
В строительстве применяют передвижные и стационарные ваку#
ум#установки. Первые — преимущественно для вакуумирования мо#
нолитных конструкций на стройплощадке, а вторые — на заводах и
полигонах по изготовлению сборных конструкций.
Для целей, аналогичных вакуумированию, применяют адсорбиро!
вание бетона — удаление излишней воды путем включения в состав
опалубки адсорбирующих материалов. Такими водопоглощающими
материалами могут быть древесно#волокнистые плиты, которыми
обшивают опалубку. Против схватывания с бетоном адсорбирующую
опалубку покрывают специальным раствором
Торкретирование. Это технологический процесс нанесения под
давлением сжатого воздуха слоя цементно#песчаного раствора (тор#
крета) на армированную или неармированную бетонную поверх#
ность.
Торкретированием исправляют дефекты бетонирования, ремонти#
руют коррозирующие поверхности железобетонных сооружений, со#
здают наружный водонепроницаемый слой в резервуарах и гидротех#
нических сооружениях, повышают износостойкость и кислотоупор#
ность бетонных конструкций. Кроме того, торкретирование исполь#
зуют для возведения тонкостенных железобетонных конструкций, в
том числе густоармированных по односторонней опалубке, нанесения
гидроизоляционных покрытий, замоноличивания стыков и т.д.
Торкрет наносят цемент#пушкой (рис. 4.54, а). Она имеет две
шлюзовые камеры: из нижней цементно#песчаная смесь расходует#
412
ся, а в верхнюю загружается. Таким образом обеспечивается непре#
рывность ее работы. Готовая цементная смесь пригодна к употреб#
лению в течение 2...3 ч. Хранение ее более продолжительное время
нежелательно, поскольку смесь слеживается, а получаемый из нее
торкрет не будет обладать достаточной прочностью.
Для лучшего сцепления раствора с торкретируемой поверхностью
ее прочищают сухим песком с помощью цемент#пушки или песко#
струйного аппарата, с последующей промывкой водой под давлением.
Принцип работы установки состоит в следующем: загруженная
сухая смесь цемента и песка под давлением сжатого воздуха (0,2...
0,35 мПа), поступающего от компрессора 1, подается к соплу 8, где
смешивается с водой, образуя торкрет. Вырываясь из сопла со ско#
ростью 60...80 м/с и ударяясь о торкретируемую поверхность, смесь
образует плотный защитный слой.
Рис. 4.54. Схемы торкретирования поверхностей: а — торкретирование с пред#
варительным приготовлением смеси; б — торкретирование готовыми смесями;
1 — компрессор с воздухосборником; 2 — воздухоочиститель; 3 — пневматичес#
кие шланги; 4 — цемент#пушка; 5 — водяной бачок; 6 — шланг для подачи це#
ментно#песчаной смеси; 7 — шланг для подачи воды; 8 — сопло; 9 — шланг
для подачи готовой смеси; 10 — готовая смесь
413
Торкретирование может выполняться готовой смесью (рис. 4.54, б)
без подачи воды в сопло.
При нанесении раствора сопло располагают на расстоянии
0,7...1,0 м от торкретируемой поверхности под прямым углом к ней.
Торкретирование ведется послойно. Чтобы избежать сплывания
слоя торкрета, его одновременно наносимая толщина не должна
быть более 25 мм для вертикальных армированных поверхностей и
15 мм для потолочных или вертикальных неармированных поверх#
ностей.
Первый слой торкрета наносят толщиной 10...15 мм с выдержи#
ванием 24 ч. Второй слой толщиной 5...10 мм наносят на поверхность,
предварительно смоченную водой. Вертикальные поверхности начи#
нают торкретировать с нижних участков, перемещая сопло вверх по
мере образования необходимого слоя. При нанесении растворных
смесей на горизонтальные поверхности сверху вниз толщина слоя не
ограничивается.
Число, толщина слоев и характеристика цементно#песчаной сме#
си определяются проектом.
Минимальный перерыв между нанесением на данной захватке
смежных слоев торкрета определяется из следующего условия: под
действием струи свежей смеси не должен разрушаться предыдущий
слой. Максимально допустимый перерыв (примерно 1...2 ч) назна#
чают из условия втапливания свежего слоя в предыдущий и хороше#
го сцепления между ними.
Разновидностью торкретирования является шприц#бетон или
набрызг#бетон. Его сущность состоит в следующем: с помощью на#
брызг#установки по одному шлангу под давлением подают отдози#
рованную сухую бетонную смесь с крупностью фракций не более
20...25 мм, а по второму шлангу — воду с напором не менее 0,6 мПа.
Увлажненную смесь, перемешанную в смесительной камере, нано#
сят на торкретируемую поверхность.
Набрызг#бетон используют как для обычного торкретирования,
так и для бетонирования тонкостенных железобетонных конструк#
ций сложной конфигурации, сводов и оболочек.
При набрызг#бетоне применяют метод послойного нанесения
смеси. Толщина бетонных смесей, наносимых на вертикальные по#
верхности, не должна превышать 75 мм, а на горизонтальные пото#
лочные — 50 мм.
414
Подводное бетонирование. Его производят в пресных или минера#
лизованных водах при положительных и отрицательных температу#
рах наружного воздуха. Оно является способом ведения бетонных
работ без водоотлива, что позволяет:
– бетонировать сооружения в условиях, при которых н е в о з м о#
ж е н или н е ц е л е с о о б р а з е н водоотлив, например на морских
открытых рейдах, на водоемах большой глубины;
– сократить сроки строительства и стоимость подводных конст#
рукций в результате отказа от устройства водонепроницаемых ограж#
дений и водоотлива;
– производить ремонт подводных сооружений без вывода их из
эксплуатации;
– широко использовать в строительстве рациональные конструк#
ции: сваи#оболочки, опускные колодцы и т.д.
Особенностями подводного бетонирования являются: удален#
ность оператора от места производства работ и поэтому — сложность
визуального контроля технологического процесса; необходимость
учета погодных и географических условий (штормы, приливно#от#
ливный цикл и т.п.); необходимость удаления верхнего слоя бетона,
подвергающегося эрозии.
К бетонной смеси при подводном бетонировании предъявляют
следующие требования: способность к самоуплотнению; устойчи#
вость к расслоению и вымыванию цемента; потери прочности не
должны превышать 10 % проектной.
Для достижения этих целей в состав бетонной смеси вводят при#
родные и синтетические полимеры, неорганические порошки, по#
верхностно#активные вещества.
Подводное бетонирование применяют при строительстве опор
мостов, днищ опускных колодцев и других сооружений, возводимых
в водоемах, в условиях высокого уровня грунтовых вод или на сла#
бых водонасыщенных грунтах.
Наиболее распространенными технологиями подводного бетони#
рования являются метод вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) и
метод восходящего раствора (ВР).
Метод вертикально перемещаемой трубы. Бетонирование методом
ВПТ (рис. 4.55, а) применяют на глубинах до 50 м в сооружениях, где
необходима массивность и монолитность в сочетании с высокой
прочностью.
415
Рис. 4.55. Подводное бетонирование: а — метод вертикально перемещаемой
трубы; б — метод восходящего раствора; в — метод втрамбовывания бетонной
смеси; 1 — ограждающая конструкция (опалубка); 2 — вливающая труба с во#
ронкой; 3 — бетоновод; 4 — шланг; 5 — стреловой кран; 6 — рабочая эстакада;
7 — растворонасос; 8 — втрамбованная бетонная смесь; 9 — контур зоны втрам#
бовывания; 10 — рабочий настил; 11 — ограждающие шахты; 12 — каменная
наброска
416
В качестве ограждения 1 могут быть шпунтовые стенки, деревян#
ные, металлические или железобетонные водонепроницаемые без#
донные ящики (как правило, они служат опалубкой).
Технологическое оборудование размещается на рабочей эстака#
де 6 и рабочем настиле 10, опирающемся на ограждающую конструк#
цию. На открытых рейдах оборудование размещают на плавучих
средствах: понтонах, баржах и т.п. Опускание и подъем труб осуще#
ствляют краном 5 или лебедкой. Стальные трубы 2 диаметром
200...300 мм состоят из отдельных звеньев длиной 1...3 м, оснащен#
ных быстроразъемными водонепроницаемыми соединениями. Тру#
бы имеют по всей длине разметку через 5...10 см яркой несмываемой
краской, что позволяет вести визуальный контроль над величиной
подъема трубы в процессе бетонирования.
Технологический процесс состоит в следующем. Бетонная смесь
с осадкой конуса 15...20 см подается бетононасосом через загрузоч#
ную воронку в трубу 2, опущенную краном 5 до дна с минимальным
зазором, позволяющим свободный выход бетонной смеси. Трубу пер#
воначально бетонной смесью заполняют с предохранительным уст#
ройством: донным клапаном или пыжом, который под тяжестью бе#
тонной смеси опускается к устью трубы, вытесняя из нее воду.
Бетонирование продолжается до тех пор, пока бетонная смесь не
образует у устья трубы холмик#затвор, предохраняющий трубу от
прорыва в нее воды.
В зависимости от глубины бетонирования (давления столба воды)
высота холмика#затвора не должна быть меньше 0,80...1,5 м.
При подъеме трубы на новый уровень бетонирования подачу бе#
тона прекращают, а верхнее ее звено демонтируют, после чего тех#
нологический процесс возобновляют. Число труб, необходимых для
технологического процесса, определяют с учетом взаимного пере#
крытия зонами их действия. Радиус действия трубы не может превы#
шать 6 м.
Сооружение бетонируют до отметки, превышающей проектную не
менее чем на 10 см.
По окончании бетонирования сооружения верхний слой бетона,
постоянно соприкасавшийся с водой, удаляют. К этому моменту под#
водный бетон должен иметь прочность 2...2,5 мПа.
Метод восходящего раствора. Бетонирование методом ВР приме#
няют в тех случаях, когда по условиям производства работ или раз#
417
мерам бетонируемой конструкции невозможно или экономически
нецелесообразно применять метод ВПТ. К таким случаям относят#
ся: бетонирование малогабаритных или густоармированных, а так#
же заполнение массивных пустотелых конструкций.
Бетонирование методом ВР является р а з д е л ь н ы м способом
бетонирования и заключается в заливке цементного или цементно#
песчаного раствора через трубы в пустоты крупного заполнителя,
предварительно засыпанного в опалубку конструкции (рис. 4.55, б).
Если в качестве заполнителя использовать камень или крупный ще#
бень, то в заливочные трубы подается ц е м е н т н о#п е с ч а н ы й
р а с т в о р. В этом случае глубина бетонирования не превышает
20 м. Если заполнитель — мелкий щебень, то в трубы подается
ц е м е н т н ы й р а с т в о р, а бетонирование ведется на глубинах
20...50 м.
При методе ВР используют стальные трубы ∅ 38...100 мм, собран#
ные из звеньев длиной до 1 м с водонепроницаемыми быстроразъ#
емными соединениями. Радиус действия каждой трубы не более 3 м.
Заглублять трубы в цементный раствор необходимо на 0,8 м по тем
же соображениям, что и при методе ВПТ.
Бетонирование методом ВР может быть двух видов — безнапор#
ным и напорным.
При безнапорном (гравитационном) бетонировании трубы устанав#
ливают в ограждающие шахты 11, сваренные из арматурной стали с
образованием ячеек 20 × 20 или 30 × 30 см. Раствор растекается с ук#
лоном 1/5...1/7 в пустотах крупного заполнителя под действием соб#
ственного веса, благодаря высокой подвижности.
При напорном (инъекционном) бетонировании вливающие трубы
устанавливают без шахт, а заполнение пустот осуществляется за счет
давления, развиваемого растворонасосом 7 и веса столба раствора,
находящегося в трубе.
Принцип и порядок бетонирования методом ВР аналогичен ме#
тоду ВПТ: после устройства ограждения 1 устанавливают шахты 11
(при безнапорном способе) и трубы 2. Далее устраивают каменную
наброску 12 и подачу раствора в трубы 2.
Уровень бетонирования доводят на 10...20 см выше проектной от#
метки, а раствор, подвергшейся размыву воды, удаляют.
Втрамбовывание бетонной смеси (рис. 4.55, в). Метод втрамбовы#
вания применяют при глубине воды менее 1,5 м для конструкций
418
большой площади, бетонируемых до отметки выше уровня воды. При
таком способе бетонирования сначала создают бетонный островок
в одном из углов конструкции. Смесь подают по трубам или кюбе#
лем (ящиком с открывающимся дном). При этом островок должен
возвышаться над поверхностью воды не менее чем на 30 см.
Последующее втрамбовывание новых порций бетонной смеси 8
будет увеличивать контур зоны втрамбовывания 9, пока не будет
охвачена вся площадь бетонирования.
Втрамбовывание смеси в островок производят равномерно, с интен#
сивностью, не нарушающей процесс твердения уложенного бетона.
Очередную порцию бетонной смеси укладывают и трамбуют не ближе
20...30 см от уреза воды, чтобы не допустить контакта смеси с водой.
4.4. Зимнее бетонирование
4.4.1. Общие положения
Схватывание и твердение бетона представляет собой сложное фи#
зико#химическое явление. Образование и твердение цементного кам#
ня в процессе взаимодействия воды и цемента (процесса гидратации)
последовательно проходит две стадии: стадию формирования коагу#
ляционной структуры и стадию формирования кристаллической
структуры.
Находящаяся в цементном тесте или в бетоне вода может быть:
химически связанной — вошедшей в гидратацию с минералами це#
ментного клинкера; физически связанной — находящейся в виде
пленок на поверхности зерен составляющих материалов, а также в их
капиллярах; свободной — заполняющей поры между отдельными
зернами составляющих бетона.
В первой стадии образования коагуляционной или связной струк#
туры вода, обволакивая мелкодисперсные частицы цемента, образует
вокруг них сольватные оболочки, которыми частицы сцепляются
друг с другом.
Во второй стадии в цементном тесте возникают мельчайшие оча#
ги кристаллизации, которые по мере интенсификации процесса гид#
ратации превращаются в сплошную кристаллическую решетку.
Процесс кристаллизации определяет механизм образования и
твердения цементного камня, т.е. рост прочности бетона. Этот про#
цесс может ускоряться, замедляться или приостанавливаться вооб#
419
ще в зависимости от температуры бетонной смеси и наружного воз#
духа, а также адсорбирующей способности цемента.
Наиболее благоприятная для твердения бетона положительная
температура воздуха находится в интервале от 15 до 20 оС.
При наступлении отрицательных температур не прореагировав#
шая с цементом вода переходит из жидкой фазы в твердую (лед) и как
твердое тело в химическое соединение с цементом не вступает.
В результате этого прекращается реакция гидратации и, следователь#
но, бетон не твердеет.
Одновременно в бетоне развиваются значительные силы внутрен#
него давления, вызванные увеличением объема воды (примерно на
9 %) при переходе в лед.
В результате нарушаются кристаллические новообразования, ко#
торые при наступлении положительных температур уже не восстанав#
ливаются.
Кроме того, после оттаивания вновь появляется свободная вода,
которая обволакивает пленкой крупный заполнитель, препятствуя
сцеплению между компонентами бетона. Из#за этого нарушается
монолитность бетона.
При раннем замораживании и последующем оттаивании резко
снижается сцепление бетона с арматурой. Раннее замораживание
бетона ведет к необратимым последствиям: уменьшается его проч#
ность, морозостойкость и плотность; снижаются водонепроницае#
мость бетона и сопротивление воздействию агрессивных сред.
На определенном этапе твердения бетона, когда он набрал неко#
торую прочность, бетон может быть заморожен, если такая необхо#
димость возникает.
Минимальная прочность, при которой замораживание бетона уже
не может нарушить его структуру и повлиять на расчетную прочность,
называется критической.
Бетон, набравший критическую прочность к моменту замерзания,
попав после оттаивания в нормальные условия твердения, должен
набрать проектную прочность.
Величина критической прочности зависит от марки бетона, вида
и условий эксплуатации конструкций.
Для конструкций, подвергающихся сразу после затвердевания
многократному замораживанию и оттаиванию или действию расчет#
420
ного давления воды, а также удовлетворяющих специальным требо#
ваниям газо# и водонепроницаемости, критическая прочность рав#
на 100 %. Бетон сборных конструкций к моменту монтажа должен
иметь проектную прочность.
Прочность бетона к моменту замерзания указывается в ППР.
На рис. 4.56 показаны сравнительные кривые набора прочности
бетона, полученные при различных температурных условиях тверде#
ния. Эксперимент проводился в лабораторных условиях при поло#
жительной температуре 15 оС и отрицательной –15 оС.
Анализ результатов испытаний показывает, что замораживание
бетона в раннем возрасте (кривая 3) приводит к потере прочности
примерно на 40 %, которая не восстанавливается при последующем
твердении в условиях положительной температуры.
Замораживание бетона после набора критической прочности
(кривая 2) практически не отражается на его механических характе#
ристиках.
Скорость остывания бетона, уложенного в конструкцию, зависит
от массивности этой конструкции.
Массивность конструкции определяется модулем поверхности
М = F/V (1/см), где F — развернутая площадь боковых поверхностей,
м2, а V — объем, м3, бетонируемой конструкции.
Рис. 4.56. Кривые набора прочности бетона М300 на портландцементе марки 500:
1 — твердение в лабораторных условиях; 2 — замораживание через 7 дней;
3 — твердение после замораживания свежеуложенного бетона
421
При бетонировании в зимних условиях решают следующие тех#
нологические задачи:
– обеспечение режима приготовления бетонной смеси с заранее
обусловленной температурой выхода смеси;
– создание условий для минимального охлаждения бетонной сме#
си в процессе ее транспортирования и укладки;
– подготовка опалубки, арматуры и оснований под укладку бетон#
ной смеси;
– обеспечение тепловлажностного режима выдерживания уло#
женной в конструкцию бетонной смеси, позволяющее ей в макси#
мально короткие сроки набрать заданную прочность с возможнос#
тью восприятия расчетной нагрузки.
4.4.2. Приготовление, транспортирование
и укладка бетонной смеси
Для поддержания нормальных условий твердения бетона при низ#
ких температурах создают запас тепла в бетоне и условия его сохра#
нения. Запас тепла в бетоне складывается из тепла, получаемого в ре#
зультате химической реакции твердения цемента и подогревом со#
ставляющих бетонной смеси: воды, песка и крупного заполнителя.
Для их подогрева на бетонном заводе используют пар, горячую воду,
горячий воздух.
Основной особенностью приготовления бетонной смеси в зимних
условиях является обеспечение установленной расчетом температу#
ры смеси по выходе ее из бетоносмесителя.
Бетонную смесь в зимних условиях готовят с учетом следующих
особенностей:
– продолжительность перемешивания, как правило, следует уве#
личивать в 1,5 раза;
– при применении только подогретой воды в смеситель одновре#
менно с началом ее подачи загружают крупный заполнитель, а пос#
ле заливки примерно половины требуемого количества воды и не#
скольких оборотов барабана смесителя — песок, цемент и оставшу#
юся воду.
Заполнители для бетонов перед загрузкой в смеситель не должны
содержать смерзшихся комьев, кусков льда, наледи на крупном за#
полнителе. Для уменьшения или исключения возможностей смеши#
вания заполнителей со снегом их необходимо складировать высоки#
422
ми штабелями на возвышенных местах, защищенных от снежных
заносов.
Размораживание, оттаивание и подогрев заполнителей проводят
в открытых и закрытых штабелях, бункерах, сушильных барабанах и
других устройствах с помощью дымовых газов и горячего воздуха. По#
догрев воды для бетонной смеси наиболее просто и эффективно ве#
сти пуском пара в холодную воду.
Наиболее важен подогрев воды, теплоемкость которой значитель#
но выше инертных.
Температура воды и заполнителей должна быть такой, чтобы бе#
тонная смесь к моменту ее укладки имела расчетную температуру с
учетом потерь при перемешивании и транспортировке.
Наибольшие допустимые температуры подогрева составляющих
бетонной смеси: вода — до 90 оС, заполнителей — до 60 оС.
Температура подогрева составляющих подобранного состава бе#
тона в зависимости от заданной температуры бетонной смеси при
выходе из бетоносмесителя определяется по формулам или номо#
граммам.
Максимальная температура бетона на выходе из бетоносмесите#
ля должна быть не более 45 оС.
В условиях зимнего бетонирования применяют цементы повы#
шенных марок и быстротвердеющие цементы.
Бетонную смесь транспортируют в закрытой утепленной таре. Ме#
ста погрузки и выгрузки бетона защищают от ветра и снегопада.
Теплопотери, связанные с транспортировкой смеси от завода до
стройплощадки, транспортирования внутри стройплощадки, а так#
же от возможных перегрузок смеси, должны быть минимальными.
Выполнение этих условий позволит обеспечить температуру бетона
в момент укладки, необходимую для принятого способа выдержива#
ния бетона.
Бетонную смесь укладывают в зимних условиях с учетом следую#
щих особенностей:
– мерзлые основания из пучинистых грунтов до укладки бетон#
ной смеси для предотвращения замерзания бетона в местах контак#
та с основанием должны быть отогреты до положительной темпера#
туры на глубину не менее 50 см и защищены от промерзания;
– отогревание грунтовых, бетонных, каменных оснований и кон#
тактных поверхностей возможно в местных тепляках из брезента, по#
423
лиэтилена и т.п. Для обогрева тепляков применяют различные теп#
лоносители: горячий воздух, пар низкого давления и т.д.;
– не допускается оттаивание мерзлых грунтов оснований с помо#
щью пара либо поливкой горячей водой или растворами хлористых
и других солей. Мерзлые грунты отогревают горячим воздухом.
При производстве бетонных работ с выдерживанием бетона в кон#
струкции по способу термоса слой старого бетона, каменных и дру#
гих конструкций в месте стыка с бетонируемой конструкцией до
укладки теплой бетонной смеси, как правило, должен быть отогрет
на глубину, определяемую расчетом, и укрыт от замерзания до при#
обретения вновь уложенным бетоном требуемой прочности.
Бетонная смесь при термосном выдерживании может быть уло#
жена на неотогретый старый бетон, скалу или непучистый грунт, если
по расчету в зоне контакта со старым бетоном (основанием) на протя#
жении расчетного периода выдерживания бетона будет обеспечена
температура выше 0 оС.
Укладка бетонной смеси с последующим прогревом допускается
на мерзлые непучистые основания или на неотогретый старый бетон
(скалу), очищенные от снега и наледи, при условии, что к началу
электропрогрева температура бетона в стыке (в зоне контакта) со
старым бетоном будет не ниже +2 оС; при этом примыкающие к сты#
ку открытые поверхности грунта или старого бетона укрывают теп#
лоизоляционным материалом.
Для предотвращения замерзания бетона, уложенного на неото#
гретое основание до начала прогрева бетона, допускается вводить в
бетон нитрит натрия до 10 % от веса цемента.
Опалубку и арматуру перед бетонированием очищают от снега и
наледи, например, струей горячего воздуха под брезентовым или
полиэтиленовым укрытием с высушиванием поверхностей. Не до#
пускается снимать наледь паром или горячей водой.
Арматуру диаметром более 25 мм, прокатный профиль и заклад#
ные детали при температуре ниже –10 оС перед укладкой бетона ото#
гревают до положительной температуры.
Все открытые поверхности укладываемого бетона после оконча#
ния бетонирования или по мере бетонирования отдельных участков,
а также на время перерывов в бетонировании тщательно укрывают
пароизоляционным материалом и утепляют в соответствии с тепло#
техническим расчетом.
424
Температура в уложенном слое до его перекрытия следующим не
должна снижаться менее предусмотренной в технологическом про#
цессе.
Порядок бетонирования монолитных конструкций, а также раз#
мещения рабочих швов при прогревных методах выдерживания бе#
тона должны исключать возникновение температурных напряжений,
превышающих расчетные.
4.4.3. Выдерживание бетона способом термоса
Способ термосного выдерживания конструкций состоит в том, что
уложенный в утепленную опалубку бетон при строго определенных
условиях (начальной температуре бетона, температуре наружного
воздуха, скорости ветра, коэффициенте теплоотдачи опалубки) при#
обретает заданную прочность за время своего остывания.
Метод термоса обеспечивает замедленное остывание бетона. При
этом используют тепло подогретых составляющих бетонной смеси
(кроме цемента, он не подогревается) и экзотермическое тепло, вы#
деляемое цементом в процессе гидратации.
Количество тепла в бетоне должно быть не менее теплопотерь при
остывании конструкции до конечной температуры, т.е. до получения
заданной прочности бетона.
В этом методе невозможно активно регулировать процесс осты#
вания уложенного бетона, поэтому необходимо строго соблюдать ус#
ловия, принятые в теплотехническом расчете и обеспечивающие не#
обходимую продолжительность остывания бетона.
Метод термоса прост, экономичен и экологически чист. Область
его применения: конструкции с модулем поверхности 25 ≥ М ≥ 3.
Теплотехнический расчет ведут по формуле проф. Б.Г. Скрам#
таева.
Количество тепла Q1, Дж/м3, в бетоне за счет подогрева состав#
ляющих и экзотермии:
Q1 = cδ γ δ (θбн − θбк ) + ЦЭ,
(4.14)
где сδ — удельная теплоемкость бетона, Дж/(кг·K);
γδ — плотность бетона, кг/м3;
θбн, θбк — начальная и конечная температура бетона соответственно, оС;
Ц — расход цемента, кг/м3;
Э — тепловыделение цемента, Дж/кг.
425
Теплопотери Q2, Дж/м3, бетона при остывании до температуры
θбк:
Q2 = MK т τ (θб.ср − θнв ),
(4.15)
где М — модуль поверхности, 1/м ;
Кт — коэффициент теплоотдачи опалубки, Вт/(м2·К);
τ — время остывания бетона от θбн до θбк, ч;
θб.ср — средняя температура бетона за время остывания, град.;
θнв — температура наружного воздуха, град.
Приравнивая (4.14) и (4.15), определяют продолжительность осты#
вания бетона τ.
Если теплотехнический расчет не удовлетворяет требованиям
производства работ, т.е. расчетное время остывания бетона не обес#
печивает необходимую прочность конструкции, то расчет повторя#
ют, варьируя параметрами: изменяют конструкцию опалубки, умень#
шая значение коэффициента теплоотдачи Кт, увеличивают расход
цемента на 1 м3 бетона или принимают другой вид цемента с боль#
шим экзотермическим тепловыделением, повышают начальную тем#
пературу бетона в пределах допустимых значений.
Среднюю температуру бетона за время его остывания в конструк#
ции определяют по эмпирической формуле
Qб.ср = Qбк +
(Qбн − Qбк )
1,03 + 0,181M + 0,006(Qбн − Qбк )
.
(4.16)
4.4.4. Электротермообработка бетона
Электротермообработка бетона — это метод искусственного про#
грева, суть которого сводится к повышению температуры свежеуло#
женного бетона до максимально допустимой и поддержанию ее в те#
чение времени, за которое конструкция наберет критическую или за#
данную в проекте прочность.
К методам электотермообработки относятся: электродный про#
грев, индукционный нагрев, метод греющего провода и т.п.
Электротермообработку бетона при возведении монолитных кон#
струкций в зимних условиях применяют для предотвращения замо#
раживания бетона и ускорения его твердения при любой температу#
ре наружного воздуха.
426
Такую обработку бетона наиболее эффективно вести до приобре#
тения им прочности 50—60 % от проектной. Дальнейшая тепловая об#
работка малоэффективна, поскольку нарастание прочности идет
медленно, а расход электроэнергии резко возрастает.
Температурные режимы электротермообработки бетона характе#
ризуются скоростью подъема температуры, температурой изотерми#
ческого выдерживания и его продолжительностью, скоростью осты#
вания разогретой конструкции.
Для массивных конструкций в зависимости от модуля поверхно#
сти скорость подъема температуры 8...10 оС/ч. В тонкостенных кон#
струкциях и в конструкциях, возводимых в скользящей опалубке,
скорость подъема температуры 15 оС/ч.
Изотермический прогрев ведут при максимально допустимой тем#
пературе: при модуле поверхности до 10 и в зависимости от вида це#
мента от 75 до 90 оС, а при М > 10 — в пределах 70—80 оС.
Продолжительность изотермического прогрева может определять#
ся по графикам.
Во всех случаях разогрев бетона ведут при его температуре не ниже
2 оС.
Режимы электротермообработки бетона приведены на рис. 4.57.
Рис. 4.57. Температурные режимы электротермообработки бетона: а — разо#
грев и изотермический прогрев; б — разогрев, изотермический прогрев и осты#
вание; в — разогрев и остывание; г — ступенчатый подъем температуры; τ1 —
продолжительность подъема температуры; τ2 — продолжительность изотерми#
ческого прогрева; τ3 — продолжительность остывания
427
Наивысшая допустимая температура бетона при электротермооб#
работке 90 оС для конструкций с модулем поверхности М ≤ 10 и
80 оС при модуле поверхности более 10.
На рис. 4.57, а показан разогрев и изотермический прогрев, при
котором требуемая прочность достигается к моменту окончания изо#
термического выдерживания.
Дополнительный прирост прочности за время остывания не учи#
тывается. Данный режим рекомендуется для конструкций с М ≤ 10.
Режим разогрева, изотермического выдерживания и остывания
(рис. 4.57, б) рекомендуется для конструкций с 6 ≤ M ≤ 15. Требуемая
прочность бетона наступает к моменту его остывания.
Если технологический процесс ограничен по времени, то может
быть использован режим «разогрев#остывание», минуя этап изотер#
мического выдерживания (рис. 4.57, в). Такой режим применяют для
массивных конструкций с модулем поверхности не более 8.
Для предварительно напряженных конструкций применяют сту#
пенчатый подъем температуры (рис. 4.57, г). Сначала поднимают
температуру до 40...50 оС, затем проводят изотермическое выдержи#
вание в течение расчетного времени (τ2 = 1...3 ч). После этого созда#
ют быстрый подъем температуры до 80...90 оС (или максимально до#
пустимой для данной конструкции) с изотермическим выдержива#
нием.
Заданная прочность может достигаться как к концу этого этапа
изотермического выдерживания, так и к моменту остывания конст#
рукции за период τ3.
Поскольку термоэлектрообработка — процессc энергоемкий, не#
обходимо стремиться к его наименьшей продолжительности, исполь#
зуя быстротвердеющие цементы, составы бетона с минимальным
водоцементным отношением (В/Ц), применяя ускорители тверде#
ния, учитывая набор прочности бетона при его остывании.
Процесс термоэлектрообработки бетона требует повышенных мер
электробезопасности. Электропрогрев армированных конструкций
ведут при напряжении не выше 127 В, а для неармированных конст#
рукций, греющей опалубки и в ряде других случаев допускается про#
изводство работ при напряжении до 380 В.
Сущность теплотехнического расчета при электротермообработ#
ке бетона заключается в определении удельной мощности необходи#
мой для разогрева 1 м3 бетона до необходимой заданной температу#
428
ры Р1 и мощности Р 2, требуемой для изотермического прогрева
1 м3 бетона.
Мощность Р1, кВт/м3, определяется по формуле
P1 = Pδ + Pо + Pвп − Р4 =
+
сδ γ δ ρ
860
КМ (θи + θбн − 2θнв )
860 ⋅ 2
+
со γ о δМ
860
+
(4.17)
− 0,8,
где Рδ, Ро, Рвп — мощности, необходимые соответственно для нагревания бето
на, опалубки и восполнения теплопотерь в окружающую среду;
Р4 = 0,8 кВт/м3 — среднее значение мощности, эквивалентное экзотерми
ческому теплу, выделяемому 1 м3 бетона;
ρ — скорость подъема температуры бетона, град/ч;
со — удельная теплоемкость материала опалубки, кДж/(кг·К);
γо — плотность материала утеплителя опалубки, кг/м3;
θи — температура изотермического выдерживания, град;
δ — толщина стенок опалубки, м.
Остальные обозначения те же, что и при теплотехнических расчетах метода
термоса.
Значение мощности Р2 определяют по формуле
Р2 = 1,16·103·К М(θи — θнв).
(4.18)
Требуемый расход электроэнергии W, кВт·ч на 1м3 бетона, может
быть рассчитан по формуле
W = P1τ1 + P2 τ2 = P1
θн − θбн
ρ
+ P2 τ2 ,
(4.19)
где τ1 и τ2 — соответственно время разогрева бетона до заданной расчетной тем
пературы изотермического выдерживания θи и время изотермического выдер
живания, ч.
Электродный прогрев. Наиболее эффективным методом электро
прогрева является электродный прогрев. Его применяют в ходе воз
ведения монолитных конструкций при любой температуре наружно
го воздуха.
При этом методе бетонную конструкцию включают в электричес
кую цепь п е р е м е н н о г о тока как сопротивление, в результа
те чего электрическая энергия внутри бетона преобразуется в теп
ловую.
429
Количество выделяемого при этом тепла определяют по формуле
Q = 3,6I 2Rt,
(4.20)
где Q — количество выделяемого тепла, кДж;
I — сила тока, А;
R — сопротивление прогреваемого бетона, Ом;
t — время, ч;
3,6 — количество тепла, выделяемое током мощностью 1 Вт в 1 ч, кДж.
По виду и способу укладки электроды могут быть внутренними и
поверхностными.
В первом случае используют внутренние электроды — стержне#
вые и струнные. Стержневые электроды (рис. 4.58, г и 4.58, д) изго#
тавливают из круглой арматурной стали диаметра 6...10 мм, которые
устанавливают в конструкцию через отверстие в опалубке или заби#
вают в момент бетонирования или после окончания укладки бетона.
После прогрева такие электроды не извлекают, оставляя в конст#
рукции, что ведет к перерасходу металла.
Струнные электроды изготавливают так же из арматурной ста#
ли, как и стержневые, и применяют для слабоармированных конст#
рукций.
Струнные электроды (рис. 4.58, е) представляют собой отдельные
прутки, устанавливаемые в бетоне вдоль оси конструкции. Приме#
няют такие электроды для колонн, прогонов, балок и тому подобных
конструкций. Струнные электроды оставляют в забетонированной
конструкции.
Их закладывают до начала бетонирования звеньями по 2,5...3,5 м
и закрепляют в опалубке. Концы звеньев струнных электродов загиба#
ют под прямым углом и выводят наружу через отверстия в опалубке.
Такой тип электродов создает неравномерное температурное поле.
Использовать вместо струн в качестве электродов арматуру про#
греваемой конструкции можно, но не рекомендуется из#за того, что
происходит пересушивание прилегающих к арматуре слоев бетона и,
как следствие, уменьшается сцепление арматуры с бетоном.
Поверхностные электроды могут быть пластинчатыми, полосовы#
ми, нашивными и плавающими.
Пластинчатые электроды изготовляют из кровельной стали, кре#
пят к деревянной опалубке и располагают снаружи бетона на двух
противоположных плоскостях конструкции (рис. 4.58, а), расстояние
между которыми В = 40 см.
430
Рис. 4.58. Виды электродов и схемы их расстановки в бетонируемых конструк#
циях: а — пластинчатые; б — полосовые со сквозным прогревом; в — полосо#
вые с периферийным прогревом; г — стержневые в виде плоских групп; д — оди#
ночные стержневые; е — струнные; 1 — пластинчатый электрод; 2 — полосовой
электрод; 3 — стержневой электрод; 4 — струнный электрод; 5 — метал#
лическая опалубка
Они обеспечивают равномерное температурное поле. Область при#
менения пластинчатых электродов — конструкции неармированные
или с негустой арматурой (колонны, балки, перегородки, стены и т.п.).
Полосовые электроды размещают так же, как и пластинчатые, сна#
ружи бетона. Их изготовляют из полосовой стали шириной 2...5 см
и крепят к внутренней поверхности деревянной опалубки. Электри#
ческий ток проходит между соседними разноименными электро#
дами.
431
При сквозном прогреве полосовые электроды располагают с двух
сторон обогреваемой конструкции (рис. 4.58, б), а при периферий#
ном — с одной стороны (рис. 4.58, в).
Полосовые электроды по сравнению с пластинчатыми позволя#
ют экономить металл, обеспечивая при этом достаточно равномер#
ное температурное поле.
Периферийный прогрев применяют для прогрева внешних слоев
бетона массивных конструкций с модулем поверхности М < 6. Тем#
пература при периферийном прогреве не превышает +40 oС. Этой
температуры достаточно, так как масса бетона содержит значитель#
ный запас тепла, полученного при прогреве составляющих, и тепла
экзотермического.
Толщина прогреваемого слоя при периферийном обогреве зави#
сит от расстояния между электродами и равна половине этого рас#
стояния.
Периферийный прогрев конструкций толщиной от 30 до 80 см
можно осуществлять полосовыми электродами с двухсторонним раз#
мещением, при этом температура периферийных слоев бетона не
должна превышать температуру ядра конструкции во избежание об#
разования трещин на поверхности бетона.
Областью применения двустороннего периферийного прогрева
могут быть также колонны, балки, ленточные фундаменты, плиты
перекрытий толщиной 30...40 см и т.п.
При электропрогреве особое значение имеет размещение электро#
дов. Равномерность прогрева конструкции достигается правильной
расстановкой электродов в бетоне. Неправильное их размещение и
фазировка при подключении к электрической сети могут привести к
нарушению заданного теплового режима и перегреву бетона, что вы#
зовет выпаривание влаги из бетона и снижение его прочности.
При определении количества и размещения электродов необхо#
димо исходить из соображений экономии электроэнергии и металла
электродов.
Если арматурные стержни конструкции расположены вдоль на#
правления движения тока, то во избежание искажения электричес#
кого, а значит, и температурного поля необходимо строго соблюдать
расстояния между ними и стержневыми электродами. С этой целью
применяют изоляторы — пластмассовые, текстолитовые, цемент#
ные и другие, которые крепят с одной стороны к арматурному стер#
432
жню, а с другой — к электроду, жестко фиксируя расстояние между
ними.
При бетонировании горизонтально расположенных бетонных или
имеющих большой защитный слой железобетонных конструкций
применяют плавающие электроды — арматурные стержни, втапли#
ваемые в поверхность.
Метод греющего провода и индукционный прогрев. Одним из перс#
пективных способов обогрева бетона с использованием электроэнер#
гии является обогрев греющим проводом: в обогреваемую конструк#
цию до начала ее бетонирования устанавливают стальной провод в
пластиковой оболочке, через который в процессе обогрева подают
электрический ток низкого напряжения. Диаметр провода 1,1...2,0 мм.
Греющий провод должен выдерживать нагрузки, которым он под#
вергается в процессе бетонирования, противостоять воздействиям
отрицательных и высоких положительных температур и обладать
достаточной упругостью. Этот провод должен быть полностью скрыт
в бетоне, чтобы обеспечить ему полную передачу тепла.
Для обеспечения равномерного прогрева необходимо обеспечить
достаточно короткий межпроволочный шаг. В деревянной опалубке
такой шаг должен быть не более двукратной толщины конструкции,
или 30 см. Для гарантии достаточности обогрева в конструкции
предусматривают установку не менее двух греющих проводов.
Метод греющего провода позволяет сократить расход стали
в 7—10 раз по сравнению с традиционными методами электротермо#
обработки и значительно сократить расход электроэнергии. Способ
прост и универсален. С его помощью можно вести прогрев стыков
сборных железобетонных конструкций, предохранять грунтовые и
искусственные основания от замерзания, возводить монолитные
конструкции независимо от их толщины и степени армирования.
Расчет греющих проводов выполняется по специальной методике.
Еще одной разновидностью термоэлектрообработки бетонных кон#
струкций является индукционный прогрев — метод, основанный на вы#
делении тепла при протекании вихревых токов в стальной опалубке и
арматуре конструкций, находящихся в электромагнитном поле индук#
тора (рис. 4.59). При этом вокруг прогреваемого железобетонного эле#
мента устраивают спиральную обмотку из изолированного провода —
индуктора и включают его в сеть переменного тока. Роль сердечника
(соленоида) выполняет арматура конструкции. Переменный элект#
433
Рис. 4.59. Схема индуктивно#
го прогрева железобетонной
конструкции: а — шаг между
витками индуктора; 1 — ин#
дуктор; 2 — стержневая арма#
тура; 3 — жесткая арматура;
4 — металлическая опалубка
рический ток, проходя через индуктор,
создает переменное электромагнитное
поле. Электромагнитная индукция вызы#
вает в металле (арматуре и стальной опа#
лубке), находящемся в этом поле, вихре#
вые токи. В результате этого металл нагре#
вается, передавая свое тепло бетону.
Индукционный прогрев в основном
применяют для конструкций небольшо#
го сечения: колонн, балок, а также бето#
на в стыках сборных конструкций.
Наиболее эффективен индукцион#
ный метод при бетонировании густоар#
мированных конструкций с модулем по#
верхности М > 5.
Расчет параметров индукционного
электрообогрева заключается в определе#
нии числа витков и силы тока в индукторе.
4.4.5. Термоактивная опалубка и инфракрасный обогрев бетона
В последние годы получило свое дальнейшее развитие такое на#
правление зимнего бетонирования, как применение термоактивных
опалубок (контактный нагрев бетона), в состав которых включены
греющие элементы. Теплоносителем может быть электрический ток,
пар, разогретые минеральные масла и т.п.
Применение термоактивной опалубки рационально для перифе#
рийного прогрева тонкостенных конструкций с большими поверхно#
стями. На рис. 4.60 показано поперечное сечение коробчатого блока
пролетного строения автодорожного моста. Термоактивная опалуб#
ка состоит из дискретных греющих элементов, которые могут объе#
диняться в независимые группы, что позволяет подводить различное
количество теплоты к отдельным частям обогреваемой конструкции.
Греющие элементы 1 размещены по боковым поверхностям, в ниж#
нем поясе и на консолях верхней плиты. Необогреваемые поверхно#
сти снабжены теплоизоляцией. Температура изотермического прогре#
ва 70 оС, скорость разогрева бетона 10 оС/ч, теплоноситель — пар.
Описываемая конструкция термоактивной опалубки в сочетании
с местной теплоизоляцией позволяет управлять температурным ре#
434
Рис. 4.60. Термоактивная опалубка блока пролетного строения автодорожного
моста: 1 — греющий щит; 2 — теплоизоляция; 3 — сеть теплоносителя
жимом изделия не только во времени на всех этапах тепловой обра#
ботки, но и выравнивать или изменять температурные градиенты в
отдельных узлах или частях конструкции.
Одним из направлений развития термоактивных (греющих) опа#
лубок является покрытие из полипропилена, в состав которого вклю#
чают токопроводящий наполнитель и добавки, улучшающие физи#
ко#механические характеристики этого покрытия.
Для обогрева открытых бетонных поверхностей, возводимых из
монолитного бетона (перекрытия, полы, дорожные основания и т.п.)
при температурах до –50 оС применяют различные конструкции тер#
моактивных гибких покрытий (ТАГП) с электронагревателями на
основе углеродистых тканей. Они совмещают в себе функции нагре#
вательного и паротеплоизоляционного покрытия.
ТАГП могут изготавливаться горячим прессованием и вулканиза#
цией пакета исходных материалов, в состав которых входит сырая ре#
зина.
По сравнению с электропрогревом, «плавающими» электродами
и электродными панелями ТАГП значительно сокращают расход ста#
ли и удельный расход электроэнергии (более чем на 20 %), а также
снижают трудоемкость работ примерно на 0,5 чел.#дн. на 1 м3 моно#
литного бетона.
Инфракрасный обогрев. В условиях отрицательных температур бе#
тон, уложенный в неутепленную опалубку, можно обогревать инфра#
красным излучением. В этом случае используют способность тела по#
435
глощать инфракрасные лучи и преобразовывать их в тепловую энер#
гию, повышая температуру этого тела, в нашем случае — бетона.
Тепло от источника инфракрасного излучения к нагреваемому
телу передается непосредственно без какого#либо дополнительного
устройства или переносчика тепла.
В качестве генератора инфракрасного излучения используют раз#
личные источники: электроспирали, кварцевые излучатели и т.д. Для
создания направленного потока тепла излучатели заключают в плос#
кие или параболические рефлекторы. В Финляндии широкое распро#
странение получили системы инфракрасного излучения с использо#
ванием малогабаритных установок, работающих на сжиженном газе.
Газ испаряется в емкостях и через предохранительные клапаны по#
дается к горелке с излучателем. В излучателе предусмотрено устрой#
ство, которое не допускает подачу газа в погасший излучатель. Мощ#
ность одного излучателя 1—1,2 кВт/м2.
Температура бетона при инфракрасном обогреве с использовани#
ем электроспирали с рефлектором может повышаться до 60—80 оС,
при этом продолжительность обогрева составляет примерно 15 ч, в
том числе изотермическое выдерживание — 5 ч. При использовании
в качестве инфракрасного излучателя электроспирали расход элект#
роэнергии в зависимости от характера конструкции составляет
60—140 кВт⋅ч на 1 м3 бетона.
Инфракрасный прогрев применяют при следующих технологи#
ческих процессах: отогрев бетонных поверхностей, промороженных
оснований, прогрев стыков омоноличивания, ускорение твердения
бетона при устройстве междуэтажных перекрытий, возведение стен,
возведение высотных тонкостенных сооружений в скользящей опа#
лубке и другие случаи, когда контактный метод прогрева затруднен
либо нецелеосообразен.
Инфракрасный обогрев допустим только тогда, когда имеются
необходимые технические средства контроля продолжительности
обогрева и его температурного режима.
4.4.6. Паропрогрев бетона
Паропрогрев бетона начали активно применять в нашей стране в
середине 20#х гг. ХХ в., когда остро встал вопрос о круглогодичности
строительства. В настоящее время метод паропрогрева бетонных кон#
струкций в построечных условиях практически не применяется.
436
Суть обогрева бетона паром состоит в создании тепловлажност#
ных условий, необходимых для сохранения положительной темпера#
туры бетонной смеси, приготовленной на подогретых составляющих
и уложенной в конструкцию. Паропрогрев ведут паром низкого дав#
ления.
Разновидностями паропрогрева являются паропрогрев в тепляках,
паровая рубашка, паропрогрев в капиллярной опалубке и пар, про#
пускаемый по трубам, заложенным внутри бетонируемой конст#
рукции.
Тепляки представляют собой временные ограждающие сооруже#
ния. Они могут быть объемными, т.е. охватывать всю конструкцию,
и секционными, ограждая только часть бетонируемой конструкции.
Наиболее эффективны тепляки в виде легких надувных конструк#
ций, которые возводят и демонтируют за несколько часов с мини#
мальными затратами труда.
Температура в тепляках поддерживается в пределах +5...10 оС, по#
этому процесс набора прочности бетоном достаточно продолжителен.
Применение тепляков допускается в исключительных случаях при
соответствующем технико#экономическом обосновании.
Применение тепляков может быть технологически и экономичес#
ки оправдано в следующих случаях: для предотвращения попадания
атмосферных осадков в зону бетонирования при возведении моно#
литных густоармированных конструкций с большой открытой гори#
зонтальной поверхностью; при наличии дешевых энергоресурсов,
например вторичных, на месте строительства; в целях создания бла#
гоприятных условий работающему персоналу в районах с сильными
ветрами и суровыми климатическими условиями.
В этих случаях применяют инвентарные сборно#разборные теп#
ляки с каркасом из облегченных конструкций и утепленным покры#
тием или пневматические тепляки.
По данным ЦНИИОМТП, общие затраты теплоты при бетониро#
вании в тепляках соотносятся следующим образом: на нагрев бето#
на — 8 %, на нагрев тепляка и теплопотери — 92 %.
Паропрогрев, однако, до сих пор используется при изготовлении
сборных железобетонных конструкций в заводских условиях. Для
ускоренного твердения бетона и быстрой оборачиваемости опалубоч#
ных форм забетонированные конструкции прогревают в пропароч#
ных камерах.
437
Паровая рубашка. Паропрогрев в паровых рубашках состоит в том,
что в монолитных конструкциях пар пропускают в пространство меж#
ду наружной поверхностью основной опалубки и поверхностью теп#
лоизоляционной рубашки, ограждающей опалубку со всех сторон.
При устройстве паровых рубашек, образующих с опалубкой за#
мкнутое пространство, необходимо стремиться к уменьшению зазо#
ра между ними (не более 15 см). Пар в огражденное пространство
впускают в рубашку снизу по трубам и подают непрерывно.
Бетонирование конструкций ведут без значительных перерывов
во избежание замерзания ранее уложенного бетона. Температура бе#
тонной смеси, укладываемой в конструкцию, к началу пропаривания
должна быть не менее 5 оС.
4.4.7. Бетоны с противоморозными добавками
Использование бетона с противоморозными добавками, так назы#
ваемого «холодного» бетона, основано на введении в воду затворения
бетонной смеси солей хлористого натрия и хлористого кальция, благо#
даря которым значительно понижается точка замерзания воды, повы#
шаются подвижность и удобоукладываемость бетонной смеси. Введе#
ние солей в состав бетонной смеси позволяет последней твердеть при
отрицательной температуре. Метод «холодного бетона» требует строго#
го выполнения технологии приготовления бетонной смеси, состав ко#
торой определяется соответствующими нормативными документами.
Соли в состав бетона вводят только в виде водных растворов со#
ответствующей концентрации.
Для приготовления бетонной смеси применяют как подогретые,
так и неподогретые материалы, но без примесей снега, льда и смерз#
шихся комьев песка и щебня. При работе на холодных заполнителях
сначала загружают щебень и песок и одновременно заливают рабо#
чий раствор с добавлением пластификатора. После их перемешива#
ния в течение 1,5...2 мин загружают цемент. Общая продолжитель#
ность перемешивания не должна быть менее 5 мин. Температура бе#
тона после укладки и уплотнения должна быть выше температуры за#
мерзания раствора затворения не менее чем на 5 оС.
Противоморозные добавки по#разному влияют на свойства бетон#
ной смеси. Общее количество солей хлористого кальция или натрия
не должно превышать 7 % от массы цемента. Количество солевых
добавок зависит от температуры наружного воздуха.
438
Применение бетонов с повышенным содержанием хлористых
солей допускается в том случае, если в течение 15 суток твердения его
температура не упадет ниже –15 оС, при этом критическая прочность
бетона устанавливается не ниже 25 % от проектной, но не менее
5 мПа.
Режим выдерживания «холодного» бетона определяют расчетом
в зависимости от концентрации растворов хлористых солей.
Если температура «холодного» бетона в течение первых 15 суток
его твердения опускается ниже расчетной, то его следует утеплять или
обогревать.
Применение бетонов с противоморозными добавками имеет опре#
деленные ограничения. Их нельзя применять в следующих случаях: в
конструкциях, подверженных динамическим нагрузкам; в предвари#
тельно напряженных конструкциях; в конструкциях, находящихся в
непосредственной близости от высоковольтных линий электропере#
дачи и трансформаторных подстанций (не ближе 100 м); в конструк#
циях, соприкасающихся с агрессивными водами; в конструкциях, рас#
положенных в зоне переменного уровня воды; в конструкциях, под#
вергающихся систематическому нагреванию в период эксплуатации до
60 оС; при возведении дымовых и вентиляционных труб.
Применение в зимних условиях бетонов с повышенным содержа#
нием хлористых солей, твердеющих при отрицательной температу#
ре, допускается в неармированных конструкциях или с нерасчетной
арматурой.
Укладывают и уплотняют бетоны с противоморозными добавка#
ми так же, как и обычные бетоны.
4.4.8. Предварительный разогрев бетонной смеси
Сущность бетонирования с предварительным разогревом бетон#
ной смеси состоит в быстром подъеме ее температуры до 40—80 оС
перед укладкой в конструкцию, укладке ее в горячем состоянии и
твердении бетона до заданной прочности (в процессе его остывания)
в утепленной опалубке.
Предварительный разогрев бетонной смеси, кроме технологичес#
ких аспектов (увеличивается допускаемая продолжительность транс#
портирования смеси), имеет еще и экономический: отпадает необ#
ходимость в подогреве составляющих на бетонном заводе и соответ#
ственно в технологическом оборудовании для этого процесса.
439
Долгое время единственным способом предварительного разо#
грева бетонной смеси был электроразогрев. В последние годы по#
явился не менее эффективный способ — пароразогрев.
Электроразогрев. Его ведут вблизи места укладки бетонной смеси
переменным электрическим током промышленной частоты и напря#
жением 220 или 380 В в бункерах, бадьях и другой таре. В бетонную
смесь погружают электроды, число которых и расстояние между
ними определяют расчетом.
Максимальную температуру разогрева смеси определяют расче#
том при следующих ограничениях: смесь на портландцементах — не
более 80 оС, а на шлакопортландцементах — до 90 оС.
Мощность Р, кВт/м3, необходимая для электроразогрева смеси,
составляет
C γV ρ
P = 1,2 б б б ,
(4.21)
860
где Сб — удельная теплоемкость бетонной смеси;
γб — плотность бетонной смеси с учетом разрыхления, определяемая экс#
периментально, кг/м3;
Vб — объем бетонной смеси в таре, где производится разогрев, м3;
ρ — скорость разогрева, град/ч.
Скорость разогрева
ρ = 60
θбк − θбн
τ
,
(4.22)
где θбк — конечная температура разогрева смеси, град;
θбн — начальная температура бетонной смеси перед разогревом;
τ — продолжительность разогрева, мин.
Следует отметить, что процесс электроразогрева бетонной смеси
весьма энергоемкий. Так, например, для разогрева 1 м3 смеси до тем#
пературы 60 oС за 15 мин требуется 240 кВт, а за 10 мин — 360 кВт.
Кроме того, электроразогрев требует соответствующего электрообо#
рудования, токоподводящих устройств и т.д.
При электроразогреве бетонной смеси выполняют целый комп#
лекс мероприятий по электробезопасности.
Паропрогрев. Появление автобетоносмесителей позволило ис#
пользовать для разогрева бетонной смеси не только электроэнергию,
но и другие теплоносители: технологический пар низкого давления,
получаемый от стационарной котельной или передвижного пароге#
440
нератора. Пароразогрев основан на непосредственном вводе пара в
смесь при перемешивании. Для введения пара в смесительный бара#
бан используют гибкий термостойкий шланг.
Разогрев бетонной смеси паром, поступающим в барабан автобе#
тоносмесителя, происходит теплом фазового перехода, выделяю#
щимся при конденсации пара во время соприкосновения с бетонной
смесью и стенками барабана смесителя. При конденсации 1 кг пара
выделяется примерно 2300 КДж. Образующийся конденсат становит#
ся частью воды затворения.
Пароразогрев ведут по следующим схемам: загрузка автобетоно#
смесителя с теплоизолированным барабаном уже разогретой смесью
на бетонном заводе; разогрев бетонной смеси на пункте пароразо#
грева бетонного завода или в пути следования у специального пунк#
та пароразогрева; разогрев бетонной смеси на стройплощадке от пе#
редвижного парогенератора.
Есть опыт применения предварительного пароразогрева бетонных
смесей непосредственно в пневмонагнетателях, т.е. сочетания дос#
тоинств предварительного разогрева и трубопроводного транспорта.
4.5. Каменные работы
4.5.1 Общие сведения о каменной кладке
Каменная кладка — это конструкция из камней, уложенных на
строительных растворах с соблюдением определенных правил.
При строительстве жилых, культурно#бытовых, производственно#
технических и других зданий и сооружений на железнодорожном
транспорте применяют различные виды кладки в зависимости от
условий, в которых она будет находиться, срока службы сооружения,
экономической целесообразности и типа камней.
Для кладки используют естественные обработанные (пиленые и
тесаные) и необработанные камни твердых и мягких пород массой
до 16 кг и искусственные камни, керамический и силикатный кир#
пич плотный, пустотелый и пористо#пустотелый пластического или
полусухого прессования; искусственные крупные блоки, изготов#
ленные из бетона, кирпича или керамических камней. Керамичес#
кий кирпич получают из глины формованием, сушкой и последую#
щим обжигом в специальных печах; силикатный — из смеси извес#
ти, воды и кварцевого песка формованием и последующей автоклав#
441
ной обработкой. Размеры стандартного кирпича, мм: обычного —
250 × 120 × 65, утолщенного — 250 × 120 × 88. Изделия более круп#
ных размеров называют камнями. Размеры керамических и силикат#
ных камней, мм: обычного — 250 × 120 × 138, укрупненного — 250 ×
× 250 × 138.
Керамическую кладку выполняют на строительных растворах,
представляющих собой смесь вяжущего вещества (цемента, извести,
цемента с глиной, извести с цементом, извести с гипсом), мелкого
заполнителя (песка, шлака) и воды. Воздушный раствор твердеет на
воздухе, гидравлический — в воде. По консистенции различают же#
сткие и подвижные растворы. Для экономии раствора и улучшения
его качества используют различные минеральные добавки и супер#
пластификаторы, что позволяет сократить расход вяжущего на 10—
15%. Приготовляют растворы на заводах в растворосмесительных
установках, а при малых объемах — непосредственно на строитель#
ных площадках с использованием растворомешалок и вручную.
Кладку из керамического кирпича пластического прессования
применяют при возведении несущих наружных стен и столбов зда#
ний и сооружений, дымовых труб, подземных сооружений, посколь#
ку она обладает хорошей сопротивляемостью воздействию влаги, мо#
розостойкостью и высокой прочностью.
Кладки из силикатного, керамического кирпича полусухого прес#
сования и керамического пустотелого кирпича непригодны для воз#
ведения конструкций, работающих во влажных условиях.
Керамический пустотелый и пористо#пустотелый кирпич облада#
ет малой теплопроводностью, что позволяет уменьшить толщину
наружных стен на 20—25 % и снизить массу на 20—30 % по сравне#
нию с массой стен из полнотелого кирпича.
Керамические (силикатные) камни и блоки применяют для клад#
ки как наружных, так и внутренних стен и перегородок зданий. Кам#
ни и блоки из тяжелого бетона используют также для кладки фунда#
мента и других подземных конструкций зданий и сооружений. На#
ружные стены зданий из пустотелых и легкобетонных камней вслед#
ствие плохой морозостойкости необходимо штукатурить.
Бутовая и бутобетонная кладки весьма трудоемки, но при нали#
чии местных каменных материалов могут применяться для устрой#
ства фундаментов.
442
Камни хорошо сопротивляются только сжимающим усилиям.
Чтобы использовать это свойство каменных материалов и обеспечить
надежную работу конструкции, необходимо камни в кладке распо#
лагать в соответствии с п р а в и л а м и р а з р е з к и.
Для того чтобы избежать изгиба и скалывания, камни нужно ук#
ладывать один на другой так, чтобы они соприкасались возможно
большей площадью — наибольшими гранями (рис. 4.61, а). При ук#
ладке камней неправильной формы для обеспечения наилучшего
прилегания устраивают расщебенку, или верхний камень кладут на
раствор (рис. 4.61, б). При этом если поверхность соприкосновения
их перпендикулярна действующему на камни усилию, то камни бу#
дут работать только на сжатие. Из этого следует п е р в о е п р а в и л о
р а з р е з к и к л а д к и: постели камней должны быть перпендикуляр!
ны силам, действующим на кладку, а камни в кладке должны распола!
гаться рядами (слоями).
Если боковые поверхности камней в кладке имеют отклонение от
вертикали, то такие камни выполняют роль клина (рис. 4.61, в) и
будут стремиться раздвинуть кладку. Отсюда следует в т о р о е п р а#
в и л о р а з р е з к и к л а д к и: массив кладки должен расчленяться
вертикальными плоскостями (швами), параллельными наружной поверх!
ности кладки (продольными швами), и плоскостями, перпендикулярны!
ми наружной поверхности (поперечными швами).
Продольные и поперечные вертикальные швы в кладке не долж#
ны быть сквозными по высоте конструкции, поскольку при этом вся
кладка окажется расчлененной на отдельные неустойчивые столби#
ки (см. рис. 4.61, б), что может привести к ее разрушению под воз#
действием нагрузки. Отсюда т р е т ь е п р а в и л о р а з р е з к и
к л а д к и: плоскости вертикальной разрезки каждого ряда кладки дол!
жны быть сдвинуты относительно плоскостей смежных с ним рядов,
т.е. под каждым вертикальным швом данного ряда кладки нужно рас!
полагать не швы, а камни (см. рис. 4.61, а).
Рис. 4.61. Кладка из природного камня
443
Элементы каменной кладки. Кирпич или камень (рис. 4.62, а) имеет
шесть граней. Две противоположные (наибольшие) грани 3, которы
ми кирпич (камень) кладут на раствор, называют постелями (нижней
и верхней), длинные боковые грани 1 — ложками, короткие 2 —
тычками. Кладку ведут горизонтальными ложковыми 14 и тычковы
ми 15 рядами. В каждом ряду различают наружную 4 (со стороны
фасада) и внутреннюю 5 версты, забутовку 6, вертикальные продоль
ные 11, поперечные 12 и горизонтальные 10 швы. Средняя толщина
горизонтального шва 12 мм, вертикального — 10 мм.
Толщину стен делают кратной половине кирпича (камня), следо
вательно, толщина стены в один кирпич — 25 см, в полтора — 38 см,
в два — 51 см, в два с половиной — 64 см. Перегородки в зданиях вы
кладывают в полкирпича или в четверть кирпича, т.е. толщиной 12 и
6,5 см. Из кирпича толщиной 65 мм на 1 м кладки по высоте прихо
Рис. 4.62. Элементы каменной кладки: а — кирпич обычный; б — силикатный
и керамический пустотелый камень; в — кладка стены: 1 — ложок; 2 — тычок;
3 — верхняя постель; 4 — наружная верста; 5 — внутренняя верста; 6 — забутов
ка; 7 — четный ряд; 8 — нечетный ряд; 9 — раствор; 10 — горизонтальный шов;
11 — вертикальный продольный шов; 12 — вертикальный поперечный шов;
13 — фасад; 14 — ложковый ряд; 15 — тычковый ряд
444
дится 13 рядов, а из кирпича толщиной 88 мм — 10 рядов. На
1 м длины и 1 м высоты стены толщиной 51 см из обычного кирпича
потребуется 208 кирпичей, а из утолщенного — 160 кирпичей.
Каменные стены зданий выкладывают сплошными и с проемами
для окон и дверей. Сплошные называют гладкими. Стены с проема#
ми и выступающими элементами могут иметь напуски, пояски, об#
резы, уступы, пилястры.
4.5.2. Кирпичная кладка
Система перевязки кладки
Система перевязки — это порядок укладки кирпичей (камней) от#
носительно друг друга. Перевязкой называют смещение вертикальных
швов вышележащего ряда кирпичей по отношению к смежному ни#
жележащему. Она должна соответствовать правилам разрезки клад#
ки, обеспечивать кладку от продольного и поперечного расслоения
и неравномерного распределения нагрузки. Основными система#
ми перевязки кирпичной кладки стен являются (по системе проф.
Л.И. Онищика): однорядная (цепная), многорядная, трехрядная пе#
ревязка.
Однорядная (цепная) система (рис. 4.63, а) характеризуется по#
следовательным чередованием тычковых и ложковых рядов. Попе#
речные швы в смежных рядах сдви#
нуты относительно друг друга на чет#
верть кирпича, а продольные — на
полкирпича. О характере ряда (тыч#
ковый или ложковый) судят по ха#
рактеру его наружной версты. Тычко#
вые ряды в кладке должны уклады#
ваться из целых кирпичей. Независи#
мо от принятой системы перевязки
швов укладка тычковых рядов явля#
ется обязательной в нижнем (первом)
и верхнем рядах, а также на уровне
обрезов стен и столбов, в выступаю#
Рис. 4.63. Кирпичная кладка:
щих рядах кладки (карнизах, поясах
а — с перевязкой швов; б — без
и т.д.).
перевязки швов
445
Вертикальный обрез стены 2 (в оконном или дверном проеме) по#
лучают укладкой в начале стены трехчетверток.
Прямые углы выкладывают по схемам (рис. 4.64), а примыкание
стен и их пересечение — по схемам, приведенным на рис. 4.65, а, б и в.
Рис. 4.64. Кладка углов при цеп#
ной перевязке стен толщиной:
а — 2 × 2 кирпича; б — 2,5 × 2,5
кирпича
Рис. 4.66. Многорядная система
перевязки кладки
446
Рис.4.65. Цепная система перевязки стен:
а — примыкание стены толщиной 1,5 кирпи#
ча к стене толщиной в 2 кирпича; б — то же
стены в 2 кирпича к стене в 2,5 кирпича;
в — пересечение стен толщиной в 2 кирпича
Многорядная система перевязки
(рис. 4.66) имеет шестикратную по#
вторяемость рядов обычного кирпича
толщиной 65 мм и пятикратную по#
вторяемость рядов утолщенного кир#
пича толщиной 88 мм. Два первых
ряда укладывают по правилам цеп#
ной системы перевязки, остальные —
ложками с перевязкой поперечных
швов на половину кирпича. Продоль#
ные вертикальные швы 5 (4) ложко#
вых рядов раствором не заполняются
и перевязываются только 6#м (5#м)
тычковым рядом. Такая кладка
проще и обладает меньшей тепло#
проводностью.
Для кладки столбов и простен#
ков применяют трехрядную систе#
му перевязки, разработанную
проф. Л.И. Онищиком (рис. 4.67).
Простенки шириной более 4 кир#
пичей (1 м) допускается уклады#
вать и по многорядной системе.
Ввиду того что столбы и простен#
ки обычно нагружены больше
стен, выкладывать их в пустошов#
ку не разрешается. Столбы и про#
стенки шириной не более 2,5 кир#
пича следует выкладывать только
из отборного целого кирпича. Если
к столбам примыкают тонкие
стенки, их соединяют выпущен#
ной из столба штрабой или сталь#
ными стержнями, закладываемы#
ми в столбы.
Рис. 4.67. Кладка столбов по систе#
ме проф. Л.И. Онищика сечением:
а — 2 × 2 кирпича; б — 2 × 2,5
кирпича
Конструкция стен
Конструкция стен, усиленных стальной арматурой. Предел прочно#
сти при сжатии кирпичной кладки, выполненной даже на весьма
прочном растворе, при обычных методах возведения составляет не
более 50 % от предела прочности кирпича. Для усиления стен в швы
между кирпичами на растворе укладывают стальную арматуру в виде
сеток или отдельных стержней. Поперечное армирование выполняют
отдельными стержнями диаметром от 2,5 до 8,0 мм и сетками прямо#
угольной или зигзагообразной формы. Диаметр арматуры в прямо#
угольных сетках должен быть не более 5 мм, а в зигзагообразных —
не более 8 мм. Для предохранения от коррозии арматурные сетки
сверху и снизу защищают слоем раствора толщиной не менее 2 мм.
Расстояние между стержнями в сетках должно быть в пределах от 30
до 120 мм. Стержни сеток сваривают или связывают между собой вя#
зальной проволокой. Сетки укладывают не реже чем через пять ря#
447
дов кладки. Зигзагообразные сетки укладывают попарно в двух смеж#
ных рядах, с перпендикулярным расположением стержней один к
другому.
Продольное и вертикальное армирование кладки применяют для
восприятия растягивающих усилий в изгибных и внецентренно сжа#
тых конструкциях: в столбах, тонких стенках и перегородках.
Конструкция облегченных стен. Большая плотность каменных ма#
териалов увеличивает теплопроводность кладки. Поэтому нередко
приходится наружные стены зданий делать толще, чем требуется по
условиям прочности и устойчивости. С целью экономии материала
наружные стены зданий выкладывают из пустотелых и пористых кам#
ней, из обычного кирпича с облицовкой теплоизоляционными плит#
ками или (вместо кирпичей забутки) внутреннюю часть стеновой
конструкции заполняют теплоизолирующим материалом или остав#
ляют воздушную прослойку. Наибольшее распространение получи#
ли конструкции облегченных стен систем Н.С. Попова и А.С. Вла#
сова.
Облегченная кирпично!бетонная кладка системы Н.С. Попова со#
стоит из двух стенок толщиной в половину кирпича и легкого бето#
на, укладываемого между ними. Эти стенки связывают между собой
тычковыми кирпичами, расположенными в одном ряду (рис. 4.68, а)
или вразбежку в шахматном порядке (рис. 4.68, б), а также армиро#
ванными растворными диафрагмами (рис. 4.68, в) толщиной
30...40 мм. Кирпично#бетонную кладку применяют при строитель#
стве зданий высотой до 4 этажей.
Облегченная колодцевая кладка А.С. Власова (рис. 4.68, г) состоит
из двух продольных стенок 1 толщиной в полкирпича каждая, соеди#
ненных между собой через каждые 650...1200 мм по длине попереч#
ными стенками 2 толщиной также в половину кирпича. Поперечные
стенки с продольными перевязывают через один ряд по высоте. Об#
разующиеся между стенками колодцы заполняют легким бетоном,
блочными вкладышами, шлаком или другими легкими теплоизоли#
рующими материалами. Чтобы засыпка со временем не осела, ее ук#
ладывают слоями толщиной 100...150 мм с обязательным трамбова#
нием и поливают раствором через каждые 100...500 мм по высоте. При
необходимости диафрагмы армируют стальными прутками.
Для повышения теплоизолирующих свойств стены из обычного
кирпича, уложенной по однорядной или многорядной системам пе#
448
Рис. 4.68. Конструкции облегченных стен: а — при расположении тычков в од#
ной плоскости; б — то же в разбежку; в — армированные растворными диаф#
рагмами; г — колодцевая кладка
(размеры даны в мм)
ревязки швов, стену с внутренней стороны утепляют пеносиликат#
ными и другими плитами, которые устанавливают либо вплотную к
кладке, либо с отступлением от нее на 30 мм, создавая воздушную
прослойку между кладкой и плитами.
С этой же целью применят кладку с уширенными швами. Уширен#
ный шов (50...80 мм) располагают ближе к наружной поверхности
стены. Заполняют его неорганическими теплоизоляционными мате#
риалами или раствором (если кладку ведут на легких растворах, при#
готовляемых на пористых заполнителях).
Конструкция перемычек. Часть стены, перекрывающая оконный или
дверной проем, называется перемычкой. Различают сборные желе#
зобетонные, рядовые, клинчатые, лучковые и арочные (рис. 4.69, а)
перемычки. Рядовые перемычки выкладывают из кирпича с соблюде#
нием правил перевязки. Высота рядов кладки над проемом — от 4 до
6, а длина перемычки на 50 см больше ширины проема. Под нижний
ряд кирпичей в перемычке в слое раствора толщиной 2...3 см уклады#
вают металлические стержни диаметром не более 6 мм из расчета по
одному стержню сечением 0,2 см2 на каждые полкирпича толщины
449
стены. Концы стержней пропускают за границы проема на 25 см и за#
гибают вокруг кирпича.
В последнее время при строительстве зданий часто применяют
клинчатые (при пролетах до 2 м), лучковые и арочные (до 4 м) пере#
мычки, которые одновременно являются архитектурными украше#
ниями здания.
Все эти перемычки выкладывают из обычного керамического
кирпича с образованием клинообразных швов (рис. 4.69, б), толщи#
на которых внизу перемычки должна быть не менее 5 мм, вверху —
не более 25 мм. Кладку ведут поперечными рядами по опалубке 4,
удерживаемой кружалами 5, одновременно с двух сторон от пяты к
замку 3 так, чтобы в замке она заклинивалась центральным нечетным
кирпичем. Ряды кладки размечают на опалубке. Правильность на#
правления швов проверяют шнуром, один конец которого закрепля#
ют в точке пересечения сопрягающихся линий опорных частей (пят).
Клинчатые перемычки имеют горизонтальный нижний пояс, лучко#
вые представляют собой среднюю часть арочных перемычек. Сроки
выдерживания арочных и клинчатых перемычек на опалубке в зави#
симости от марки раствора и температуры наружного воздуха колеб#
лются от 5 до 20 суток. Равномерное опускание опалубки достигает#
ся постепенным ослаблением клиньев 6, устанавливаемых под кру#
жалами 5 (рис. 4.69, а).
Рис. 4.69. Арочная перемычка: 1 — стена; 2 — пята; 3 — замковый кирпич;
4 — доска опалубки; 5 — кружала; 6 — клинья; 7 — доски; 8 — стойка
450
Организация производства кирпичной кладки
Организация рабочего места звена каменщиков. Рабочее место зве#
на каменщиков состоит из трех зон: 1 — рабочего места каменщика:
часть стены с прилегающей к ней полосой шириной 0,7 м; 2 — скла#
дирования кирпича, раствора и закладных деталей шириной 1,5 м;
3 — перемещения такелажников (ширина 0,8 м). Для ослабления фи#
зической нагрузки на рабочего и уменьшения потерь раствора ящики
с раствором располагают не дальше 2 м от места его укладки. Запас
кирпича (камня) на рабочем месте должен соответствовать 2...4#часо#
вой потребности. При кладке стен с проемами поддоны с кирпичем
располагают против простенков, а ящики с раствором — против про#
емов.
Подмостки. Производительность каменщиков зависит от высоты
кладки (рис. 4.70). Как видно из графика, при высоте кладки до
1,2 м производительность каменщика не падает ниже 50 %, что и оп#
ределяет размер яруса. Для
организации рабочих мест на
требуемом уровне применяют
подмости, леса, навесные пло#
щадки и другие средства подма#
щивания. Подмости представ#
ляют собой рабочие площадки
в виде настила на инвентарных
опорах, позволяющие переме#
щаться по фронту работ и раз#
мещать на них необходимые
Рис. 4.70. Зависимость производитель#
материалы, приспособления и
ности P каменщика от уровня кладки h
инструмент. При ширине поме#
щения до 8 м устраивают сплошное замащивание, а при ширине по#
мещения более 8 м — ленточное. Применяют стоечные, инвентарно#
блочные, шарнирно#блочные и другие подмости.
Стоечные подмости монтируют из раздвижных трубчатых телеско#
пических стоек высотой до 3,2 м, устанавливаемых вдоль стены че#
рез 1,5...2 м и объединяемых прогонами, раскосами и щитами насти#
ла. Применяются такие подмости редко, поскольку монтировать их
приходится вручную. Инвентарные блочные подмости (рис. 4.71) со#
стоят из металлических ферм, объединенных в блок размером
5,3 × 2,5 × 1,0 м. При возведении второго яруса кладки подмости
451
устанавливают нижним поясом
ферм на междуэтажное пере#
крытие (рис. 4.70, а), для возве#
дения третьего яруса — на от#
кидные опоры (рис. 4.70, б).
Подмости на металлических
треугольных опорах состоят из
панели, опирающейся на две
треугольные опоры#фермы,
деревянного настила и ограж#
дения. Опоры крепят с помо#
щью шарнира и при подъеме
Рис. 4.71. Инвентарные блочные под#
подмостей краном могут быть
мости: а — при кладке второго яруса;
установлены для кладки на вто#
б — при кладке третьего яруса; 1 — пе#
рекрытие; 2 — металлическая ферма
ром или третьем ярусах. При
блока; 3 — диагональные связи для за#
высоте стены более 3 м под#
крепления откидных опор; 4 — опор#
мости устанавливают друг на
ный брус; 5 — откидные опоры
друга.
Леса — многоярусная конструкция с рабочими местами на мно#
гих горизонтах, позволяющая вести кладку и облицовку стен высо#
той более 5 м. Наибольшее распространение получили трубчатые
безболтовые леса (рис. 4.72), состоящие из стоек 1 и ригелей 2, соеди#
Рис. 4.72. Трубчатые безболтовые леса: а — вид спереди; б — вид сбоку; в — уз#
лы соединения
452
няемых с помощью крюков 4 и патрубков 5. Первый ряд стоек уста#
навливают на расстоянии 55...60 см от стены, второй ряд — на рас#
стоянии 2 м от первого. Расстояние между стойками в ряду — 2 м. На
верхних концах стоек заделаны трубчатые коротыши 3, наружный
диаметр которых чуть меньше внутреннего диаметра стойки, что
обеспечивает их легкое наращивание. К стойкам через каждый метр
по высоте приварены четыре патрубка 5 из труб диаметром 19 мм. По
ригелям укладывают щиты из досок толщиной 50 мм. Для устойчи#
вости леса крепят к стене анкерами 6. С помощью таких лесов мож#
но возводить стены здания высотой до 40 м.
Замена жестких патрубков хомутами на болтах расширяет возмож#
ности трубчатых лесов.
Леса из объемных элементов состоят из вертикальных 4#стоечных
этажерок и панелей рабочего настила. Их монтируют и демонтиру#
ют краном.
Универсальные самоходные леса состоят из гусеничной тележки и
поворотного крана. Такие леса представляют собой самомонтирую#
щуюся установку.
Подъемно!подвесные леса!люльки подвешивают к временным опор#
ным кронштейнам и перемещают по высоте лебедками, установлен#
ными в люльке или на земле.
Транспортирование материалов кладки. Наибольшее распростра#
нение получил пакетный способ транспортировки кирпича на под#
донах двух видов: на брусках и с крюками, размером 520 × 1030 мм
для керамического кирпича, керамических и шлакобетонных кам#
ней и 520 × 1740 мм для силикатного кирпича. Кирпич на поддоне
укладывают с перекрестной перевязкой или 2 «в елку» с наклоном
к центру пакета под углом 45о, что предохраняет кирпич от разва#
ливания при перевозке. На поддон размером 520 × 1030 мм укла#
дывается 200 кирпичей, а на поддон для силикатного кирпича —
450 кирпичей. Выгрузка кирпича из автосамосвалов опрокидыва#
нием кузова запрещается. Пакеты кирпича на транспортные сред#
ства грузят вилочным (поддоны на брусках) или клещевым под#
хватами (поддоны с крюками). Для разгрузки и подачи на рабочие
места пакетов применяют соответственно подхват# и захват#фут#
ляры.
Раствор с завода или смесительного узла доставляют на строи#
тельную площадку автосамосвалами или авторастворовозами с пор#
453
ционной выдачей раствора. Второй способ предпочтительней. При
транспортировке автосамосвалами выгрузку раствора ведут в ра
створные ящики, раздаточные бадьи, установленные в ряд по не
сколько штук емкостью 2 м3 в зависимости от ширины кузова ав
тосамосвала, или в установки для приема, подогрева, перемешива
ния и порционной выдачи раствора. На рабочее место каменщика
раствор подают краном в раздаточных бадьях емкостью 1 м3 или в
растворных ящиках емкостью 0,15...0,25 м 3. Раствора из одного
ящика хватает для работы каменщика в течение 40...60 мин. При
кладке стен из штучного кирпича раствор занимает 23 % объема
кладки.
При строительстве многоэтажных зданий предпочтительно пода
вать раствор растворонасосами или пневмонагнетателями по трубо
проводам.
Технология производства кирпичной кладки
Процесс кладки состоит из рабочих операций, выполняемых в сле
дующем порядке: установка порядовок; натягивание причалок; по
дача и раскладка кирпичей на стене; перемешивание раствора в ящи
ке; подача раствора на стену и расстилание его под наружную вер
сту; укладка наружной версты; подача и растилание раствора под
внутреннюю версту; укладка внутренней версты; подача и растила
ние раствора под забутку; укладка забутки; проверка правильности
выложенного ряда кладки. Кроме того, каменщикам приходится ру
бить и тесать кирпич, расшивать швы.
Инструмент и приспособления. При выполнении этих операций
используют следующий инструмент: кельму, растворную лопату
(рис. 4.73, в), расшивку, лоток растворный (рис. 4.73, г), молоток
кирку. Кельма (рис. 4.73, а) — стальная лопатка с деревянной ручкой
предназначена для разравнивания и подрезки раствора, заполнения
вертикальных швов и прижима кирпичей; расшивка (рис. 4.73, д) —
для придания лицевым швам округлой выпуклой или вогнутой фор
мы; молотоккирочка (рис. 4.73, б) — для рубки и тески кирпичей.
Для контроля за качеством кладки используют складной метр,
рулетку, угольник, строительный уровень, правèло, причалку, поря
довку, отвес (рис. 4.73, ж) и нивелир. Правèло (рис. 4.73, е) — дере
вянная (длиной до 2 м) и дюралюминиевая (длиной до 1,2 м) рейка
предназначена для проверки прямолинейности кладки. Причалка —
454
Рис. 4.73. Инструмент и приспособления для кирпичной кладки
(размеры даны в мм)
крученый шнур диаметром 2...3 мм натягивают между порядовками
и маяками и служит для обеспечения горизонтальности рядов клад#
ки. Порядовка — деревянная рейка сечением 50 × 50 мм или метал#
лический уголок 60 × 60 × 5 мм длиной до 2 м с нанесенными через
77 мм (для кирпича толщиной 65 мм) или 100 мм (для кирпича тол#
щиной 88 мм) делениями. Порядовки применяют для разметки ря#
дов кладки и фиксирования отметок низа и верха оконных и двер#
ных проемов, перемычек, прогонов, плит перекрытий и других эле#
ментов здания. Порядовки устанавливают с наружной стороны стен
с помощью металлических скоб с поперечной планкой с делениями,
обращенными внутрь здания. К порядовкам зачаливают шнур#при#
чалку с помощью двойной скобы.
455
Способы кирпичной кладки. Кладку верст ведут тремя способами:
вприжим, с использованием кельмы для заполнения раствором вер#
тикального поперечного шва; вприсык (впритык) и вприсык с под#
резкой раствора, а забутки — вполуприсык. Способ вприжим наибо#
лее трудоемкий и применяется на жестком растворе (осадка конуса
7...9 см) с полным заполнением и расшивкой швов. Способом впри!
сык ведут кладку на пластичных растворах (осадка конуса 12...3 см).
Этот способ применяют при кладке стен под штукатурку, для чего
грядку раствора располагают с отступлением на 2...3 см от наружной
вертикальной поверхности стены, чтобы при кладке раствор не вы#
жимался на лицевую сторону. Он менее трудоемкий и позволяет ук#
ладывать кирпич как левой, так и правой рукой. Способ вприсык с под!
резкой раствора применяют при возведении стен с полным запол#
нением вертикальных и горизонтальных швов и их расшивкой. Ра#
створ применяют более жесткий (осадка конуса 10...12 см). Грядку
раствора располагают, как и при способе вприжим, на расстоянии
10...15 мм от лицевой поверхности стены. Этот способ более трудо#
емкий, чем второй, но менее трудоемкий, чем первый. Способом впо!
луприсык выполняют кладку забутовки. Каменщик работает двумя ру#
ками и укладывает сразу два кирпича. Кладку забутовки ведут камен#
щики 2#го, а кладку верст — 4—5#го разрядов. При этом способе клад#
ки вертикальные поперечные швы полностью заполняют лишь после
растилания раствора под следующий ряд кладки.
Последовательность кладки. Кладку стен, столбов, обрезов, напус#
ков начинают и заканчивают укладкой тычкового ряда. Укладку ря#
дов кирпича начинают с наружной версты. Различают порядный,
ступенчатый и смешанный способы кладки. Порядный способ приме#
няют в случае кладки стен при однорядной системе перевязки. Спо#
соб простой, но трудоемкий. К кладке последующего ряда присту#
пают лишь после укладки верст и забутовки предыдущего ряда кир#
пичей. Однако для облегчения работы каменщика кладку следует ве#
сти в порядке, показанном на рис. 4.74, а. Ступенчатый способ
(рис. 4.74, б) применяют при многорядной системе перевязки клад#
ки. Максимальная высота ступени — 6 рядов. При смешанном спосо!
бе первые 7—10 рядов кладки выкладывают порядно, остальные —
ступенчатым способом (рис. 4.74, в). При этом для удобства при
укладке кирпичей наружной версты каменщик опирается коленом на
нижние ступени кладки, выложенные порядно.
456
Рис. 4.74. Последовательность укладки кирпича (указана цифрами): а — при
однорядной системе перевязки; б — при многорядной системе ступенчатым
способом; в — то же смешанным способом
Организация труда каменщиков. Звенья каменщиков по числу ра"
бочих называются «двойками» (основа любого звена), «тройками» и
т.д. В звене «двойка» один каменщик 2"го, другой — более высокого
(3—5) разряда. Кирпичная кладка ведется поточным методом. Зве"
ном «двойка» обычно ведут кладку столбов, перегородок толщиной
в половину кирпича, стен толщиной в полтора кирпича, а также стен
с большим количеством архитектурных деталей. Звеном «тройка»
ведут кладку стен толщиной в два кирпича; звеном «пятерка» — клад"
ка стен толщиной более двух кирпичей.
Звено «двойка» ведет работу следующим образом: каменщик 4"го
или 5"го разряда устанавливает шнуры"причалки для наружной и
внутренной верст, ведет их кладку, осуществляет контроль. Камен"
щик 2"го разряда подает и раскладывает кирпич на стену и рассти"
лает раствор, выкладывает забутовку. Звено «пятерка» состоит из двух
«двоек» и каменщика 2"го разряда. Первая «двойка» ведет кладку на"
ружной версты, вторая «двойка» ведет кладку внутренней версты. Пя"
тый каменщик 2"го разряда ведет кладку забутовки.
457
4.5.3. Бутовая и бутобетонная кладка
Бутовая кладка — это кладка из природных камней. Для бутовой
кладки применяют необработанные камни, имеющие две примерно
параллельные постели, и предварительно обработанные под парал#
лелепипед камни массой до 30 кг. При обработке (плинтовке и при#
колке) камней используют прямоугольную кувалду массой 4,8 кг и
молоток#кулачок массой 2,3 кг. В отличие от кирпичной кладки, для
обеспечения надлежащей перевязки швов камни в ряду и в верстах и
в забутовке укладывают поочередно тычком и ложком, камни под#
бирают и укладывают так, чтобы обеспечить высоту ряда кладки в
пределах 20...25 см и горизонтальность швов. Бутовую кладку выпол#
няют «под лопатку», «под залив», а также с применением виброуп#
лотнения.
Кладка «под лопатку» выполняется рядами с подбором и прикол#
кой камней, расщебенкой пустот и перевязкой швов. Первый (ниж#
ний) ряд кладки выкладывают насухо из крупных постелистых кам#
ней с трамбованием для плотного прилегания к основанию. Кладку
фундаментов начинают с пониженных участков. Переход от одной
глубины заложения фундамента к другой выполняют уступами. Вы#
сота уступа зависит от размеров камня. В каждом уступе должно быть
уложено не менее двух рядов кладки. Пустоты первого ряда камней
заполняют мелким камнем или щебнем и заливают жидким раство#
ром (осадка конуса 13...15 см). Каждый последующий ряд начинают
с укладки верст, предварительно установив маячные камни на раствор
через 4...5 м по длине стены. По маячным камням натягивают при#
чалки. Камни верстовых рядов вначале укладывают насухо. Опреде#
лив устойчивое положение, камень приподнимают, настилают ра#
створ пластичной консистенции (осадка конуса 4...6 см) и осажива#
ют камень молотом. Затем приступают к кладке забутовки. Для обес#
печения высокой прочности кладки камни не должны соприкасаться
один с другим без раствора. Раствор под забудку расстилают с излиш#
ком, чтобы при укладке камней он выдавливался в вертикальные
швы. После осаживания камней молоточком или трамбовкой выпол#
няют расщебенку ряда осаживанием в раствор мелких камней и щеб#
ня. Поверхность ряда в местах углублений выравнивают раствором
и переходят к укладке следующего ряда. Для получения гладких по#
верхностей обеих сторон стены кладку ведут в опалубке.
458
Кладка «под залив» выполняется необработанным камнем разно#
го размера без выкладки верстовых рядов. Кладку обычно ведут в опа#
лубке, но можно вести и без опалубки враспор при плотном грунте и
глубине траншеи до 1,25 м. Первый слой бутового камня укладыва#
ют насухо и уплотняют трамбованием. Промежутки между камнями
заполняют щебнем. Уложенный слой заливают жидким раствором и
укладывают камни следующего ряда. Толщина рядов 20...25 см. Каж#
дый ряд заливают раствором. Бутовая кладка «под залив» обладает
невысокой прочностью и применяется при устройстве фундаментов
зданий высотой до 10 м.
Бутобетонная кладка состоит из бетонной смеси и бутового кам#
ня. Бетонная смесь должна иметь подвижность, соответствующую
осадке конуса на 5...7 см, а размер заполнителя (гравия или щебня)
не должен превышать 3 см. Камень для бутобетонной кладки приме#
няют тех же размеров, что и для бутовой кладки (до 30 см). Бетон#
ную смесь и камни укладывают последовательно горизонтальны#
ми слоями. Сначала расстилают слой бетонной смеси толщиной не
более 25 см. Затем в него втапливают камни на глубину более поло#
вины их высоты. Между камнями и опалубкой, а также между сосед#
ними камнями должны быть промежутки величиной 4...6 см, запол#
ненные бетонной смесью. Затем расстилают следующий слой бетон#
ной смеси, уплотняют его вибраторами и заполняют бутовым кам#
нем. Далее процесс повторяется.
4.5.4. Производство каменных работ зимой
Известно, что с понижением температуры процесс твердения це#
ментного и известкового растворов замедляется, а при отрицатель#
ных температурах вовсе прекращается и вновь продолжается при
наступлении положительных температур. Раствор в зимней кладке
замерзает, не успев набрать достаточную прочность. Это происходит,
во#первых, потому, что замерзшая вода в растворе не вступает в хи#
мическую реакцию с вяжущими веществами, и, во#вторых, из#за уве#
личения объема воды при замерзании (на 10 %) структура раствора
разрушается и он частично теряет накопленную до замерзания проч#
ность. Прочность раствора зимней кладки иногда уменьшается до
50 % от его марочной прочности. При быстром оттаивании раствора
весной возможны неравномерные осадки и нарушение устойчивос#
ти каменной кладки.
459
Каменную кладку зимой ведут тремя способами: замораживани#
ем, с использованием противоморозных добавок, с применением
последующего прогрева. Каменные работы зимой требуют специаль#
ного контроля за состоянием раствора и выполнения требований
СНиП и технических указаний. Наибольшее распространение полу#
чил первый способ.
Способом замораживания кладку ведут на открытом воздухе из
холодного кирпича или других камней на растворе, имеющем поло#
жительную температуру на момент укладки его в сооружение. При
этом методе раствор в кладке твердеет в основном весной (после от#
таивания) и лишь частично зимой (до замерзания). Этим методом
допускается возводить каменные конструкции высотой до 15 м. Тем#
пература раствора во время его укладки в конструкцию должна быть
не ниже 5 оС при температуре воздуха до –10 оС; 10 оС — при темпе#
ратуре воздуха от –10 до –20 оС; 15 оС — от –20 оС и ниже. При ско#
рости ветра более 6 м/с температура раствора должна быть повыше#
на против указанной на 5 оС.
Сочетание же нескольких технологических нарушений создает
угрозу долговечности и надежности возводимого объекта или при#
водит к его разрушению.
4.6. Восстановление поврежденных зданий при ликвидации
чрезвычайных происшествий
Технология восстановительных работ. Необходимость в них воз#
можна по следующим причинам:
– из#за стихийных бедствий;
– в результате техногенных катастроф, в том числе аварийных
взрывов;
– из#за неправильной эксплуатации объекта (взрывы бытового
газа, пожары и т.п.)
– в результате террористического акта, а также по другим причинам.
Из техногенных чрезвычайных ситуаций (ЧС) наиболее разруши#
тельными для транспортных являются аварийные взрывы перевози#
мых опасных грузов.
К опасным грузам относятся вещества, материалы, изделия, от#
ходы производства, которые в силу присущих им свойств, при нали#
чии определенных факторов, в процессе погрузочно#разгрузочных
работ, транспортирования и хранения могут послужить причиной
460
взрыва, пожара или повреждения транспортных средств, зданий и со#
оружений, а также гибели людей и нанесения вреда окружающей
среде.
Наиболее существенный ущерб при возникновении ЧС на желез#
нодорожном транспорте наносится станциями на которых сосредо#
точены большие материально#технические и человеческие ресурсы.
Даже самые тяжелые катастрофы, произошедшие на перегонах,
несопоставимы по своим последствиям с катастрофами на станциях.
Железнодорожные станции, как технические объекты (ТО), явля#
ются потенциальными источниками ЧС. Ежедневно через раздель#
ные пункты железных дорог России проходят десятки тысяч единиц
подвижного состава, перевозящих сотни тысяч тонн горючих и взры#
воопасных материалов. При перевозке опасных грузов, таких как
газы, легковоспламеняющиеся, взрывоопасные, ядовитые и радио#
активные вещества, могут возникать такие чрезвычайные ситуации,
как взрывы и пожары. Ликвидировать такие аварии очень сложно.
Рассмотрим примеры крупнейших аварий за всю историю желез#
нодорожного транспорта нашей страны.
На ст. Арзамас 4 июня 1988 г. в 300 м от вокзала в результате не#
соблюдения ПТЭ взорвались три вагона с промышленной взрывчат#
кой. Уничтожены локомотив, 11 вагонов, 250 м железнодорожных пу#
тей, разрушены вокзал и 185 близлежащих зданий.
По тем же причинам в октябре того же года произошел взрыв под#
вижного состава на ст. Свердловск#Сортировочный. Были разруше#
ны и сильно повреждены пешеходный мост, локомотивное и вагон#
ное депо, другие сооружения станции, пострадали жилые дома, рас#
положенные вокруг станции.
Восстановление инфраструктуры железнодорожной станции при
ликвидации последствий чрезвычайной ситуации ведется поэтапно:
краткосрочное восстановление, временное восстановление, капи#
тальное восстановление.
Разборка завалов при капитальном восстановлении объектов ин#
фраструктуры железнодорожной станции отличается от аналогичной
работы, проводимой при спасении людей тем, что ведется не круг#
лосуточно, а в обычном режиме функционирования строительной
организации.
Поскольку под завалами нет погребенных людей, при производ#
стве работ используют тяжелую технику: мощные гидромолоты для
461
дробления бетона и железобетона, мультипроцессоры с различными
типами сменного оборудования и т.д.
Разборка завалов. Завалы, образовавшиеся при разрушении зда#
ний и сооружений, представляют собой хаотическое нагромождение
крупных и мелких обломков конструкций стен, перекрытий, пере#
городок, крыш, санитарно#технического и технологического обору#
дования, мебели и т.п.
В результате обрушения конструкций зданий и сооружений во#
круг них образуются зоны поражения — завалы.
Радиусы зон поражения при полном разрушении зависят от кон#
струкции, этажности и высоты здания. В среднем радиус завала имеет
порядок высоты здания.
Полная ликвидация завалов может потребоваться при производ#
стве инженерно#спасательных работ, а также при расчистке терри#
тории для нового строительства или восстановления поврежденных
зданий и сооружений. Частичную разборку завалов ведут для спасе#
ния людей, оказавшихся под обломками разрушенных сооружений,
и в сооружениях с поврежденными и заваленными входами, а также
для устройства проездов или извлечения особо ценного оборудова#
ния. При плановых восстановительных работах территорию станции
полностью освобождают от разрушенных конструкций.
Разборку завалов целесообразно вести поточным методом, кото#
рый позволяет быстро вводить в действие имеющиеся силы и сред#
ства и наиболее полно и равномерно использовать их в течение все#
го периода восстановительных работ. В непосредственной близости
от завала, подлежащего разборке, расчищают проезжую часть улицы,
идущей от завала, из завала извлекают крупноразмерные элементы
конструкций, разрезают арматуру, трубы и т.п., расчищают площад#
ку для установки техники (инженерных машин разграждения, авто#
кранов, экскаваторов и т.п.). Неустойчивые конструкции и крупно#
габаритные обломки закрепляют или удаляют из зоны спасательных
работ. Конструкции и обломки массой до 2 т удаляют манипулято#
ром инженерной машины разграждения, экскаваторами, крановым
оборудованием путепрокладчика, растаскивают бульдозерами клас#
са тяги не ниже 10 или лебедками автомобилей.
Конструкции и обломки массой более 2 т удаляют автомобильны#
ми кранами типа КС#3676, КС#5363ВАМ, а также растаскивают ле#
бедками тяжелых машин БАТ#М, БАТ#2, БРЭМ, БТС. Для увеличе#
462
ния тягового усилия лебедок применяют полиспасты. Блоки поли#
спастов с тросами от лебедок подают на завалы автокранами или ав#
томобильными вышками.
Бульдозерно#рыхлительный агрегат на базе трактора Т#35.01Я
(рис. 4.75) имеет мощную тяговую лебедку, которой растаскивают
обломки конструкций. Мощность двигательной установки агрегата
38 кВт (520 л.с.).
Рис. 4.75. Бульдозерно#рыхлительный агрегат с тяговой лебедкой
Крепление неустойчивых конструкций и обломков проводят с
помощью распорок, домкратов, созданием дополнительных точек
опоры. Стены высотой до 6 м крепят установкой деревянных или
металлических подкосов под углом 45...60о к горизонту.
В целях обеспечения безопасности личного состава при ведении
работ по разборке завалов наряду с креплением неустойчивых кон#
струкций практикуют их обрушение.
Обрушению подлежат свисающие элементы крыш, стен (балки,
стропила, плиты, карнизы) и стены (участки стен), имеющие откло#
нение от вертикали, превышающее 1/3 их толщины. Обрушение не#
устойчивых конструкций ведут с помощью манипуляторов, инженер#
ных машин разграждения и лебедок. Длина троса при обрушении
должна быть не менее двух высот обрушаемой конструкции.
Группы (отряды) разграждения или разборки завалов целесообразно
комплектовать универсальными мшинами по выполнению различных
видов работ, в том числе машинами с дистанционным управлением.
Инженерная машина разграждения ИМР#3 предназначена для
проделывания проходов в каменных и лесных завалах. Машина имеет
463
следующие характеристики: мощность двигателя 618 кВт (840 л.с.);
максимальная скорость движения 50 км/ч; темп ведения земляных ра#
бот 300—400 м3/ч; экипаж — 2 чел. При проделывании проходов в ка#
менных завалах производительность ИМР#3 достигает 300—500 м/ч.
Находящаяся на вооружении инженерных войск Министерства
обороны России инженерная машина разграждения ИМР#2М так#
же используется при проделывании проходов в каменных завалах.
Машина имеет следующие тактико#технические характеристики:
мощность двигателя 618 кВт; максимальная скорость движения
60 км/ч. Остальные параметры ИМР#2М близки к уже описанной мо#
дели ИМР. Отличие состоит в том, что ИМР#2М способна вести ра#
боты на радиоактивно зараженной местности.
Наибольшую сложность представляют работы по разъединению
арматуры обломков железобетонных конструкций. Такие работы
возникают при проделывании проходов в завалах во время аварий#
но#спасательных работ, при сплошной разборке завалов в процессе
подготовительных работ на этапе капитального восстановления и
ремонта зданий и сооружений, при сносе зданий и т.п.
Резку арматуры и металлоконструкций ведут мощными гидравли#
ческими ножницами (рис. 4.76).
Гидроножницы являются сменным оборудованием базовой ма#
шины#носителя (как правило, такой машиной служит гидравличес#
кий экскаватор). Сменное оборудование крепят к стреле базовой ма#
шины посредством мультипроцессора. Бетоноломы используют для
разрушения кирпичных, бетонных и железобетонных конструкций
при сносе зданий или их реконструкции.
Рис. 4.76. Гидроножницы для резки арматуры и металлоконструкций
464
Дробящие элементы могут быть выполнены в виде одной подвиж#
ной и одной неподвижной челюстей или в виде двух подвижных че#
люстей. Привод челюстей гидравлический.
При разборке зданий исполь#
зуют также в качестве сменно#
го оборудования специальные
грейферные полноповоротные
ковши (рис. 4.77).
Одной из наиболее трудоем#
ких работ является разборка бе#
тонных фундаментов. Для их
разрушения используют различ#
ные по мощности и производи#
тельности гидравлические моло#
ты (рис. 4.78).
Гидромолоты широко приме#
няют для дробления скальных по#
род, в том числе при проходке
Рис. 4.77. Грейфер с полноповорот#
тоннелей, для вскрытия бетон#
ным ковшом
ных и асфальтовых покрытий,
разрушения армированного бе#
тона, безвзрывной добычи гор#
ных пород и т.п.
Гидромолоты оснащают систе#
мами автоматики, обеспечиваю#
щими управление частотой уда#
ров и их энергией в зависимости
от конкретных условий работы.
В качестве сменного инстру#
мента гидромолотов применяют
выполненные из специальной
высокопрочной стали долота
Рис. 4.78. Гидромолот для разрушения
бетонных конструкций
(разрушение бетона; проходка
тоннелей, т.е. среда, в которую
инструмент внедряется), кирковочные инструменты (такие же усло#
вия работы), тупоконечные инструменты (разрушение валунов, вы#
сокопрочных бетонов, т.е. среда, в которую инструмент не внедря#
ется), трамбовочные плиты (уплотнение грунтов).
465
Обследование зданий и сооружений. Решение усилить поврежден#
ные в результате аварий или стихийного бедствия здания и сооруже#
ния выносят группы обследования. В их состав входят научные ра#
ботники (для ситуаций, связанных с землетрясениями, — специали#
сты в области сейсмостойкого строительства), инженеры#строители
из проектных и строительных организаций и представители заказчи#
ка — учреждения, на балансе которого находятся здания и сооруже#
ния, требующие усиления.
Группы обследования устанавливают перечень ремонтно#восста#
новительных работ; оценивают объем и характер повреждений и раз#
рушений, качество строительно#монтажных работ, качество матери#
алов и их соответствие проекту; берут пробы материалов, из которых
построены здания для лабораторных исследований; определяют фи#
зические объемы работ.
Методы усиления. Для усиления и восстановления поврежденных
зданий и их конструкций применяют различные конструктивные
решения и методы. К наиболее широко применяемым методам от#
носятся: инъецирование в трещины цементного раствора; торкрети#
рование; силикатизация фундаментных оснований; устройство же#
лезобетонных обойм и рубашек; наращивание рабочих сечений; за#
мена невосстановимых конструкций новыми.
Инъецирование в трещины цементного раствора осуществляется
введением цементного теста в каменную кладку под давлением
0,1…0,4 мПа. Его применяют при восстановлении зданий, в которых
деформации снизили первоначальную прочность кладки без смеще#
ния основных узлов и конструкций.
Инъецирование эпоксидных полимерных растворов используют
для конструкций или кирпичной кладки при ширине трещин в кон#
струкциях от 0,3 до 5 мм введением состава в трещины под давлени#
ем. Для конструкций из бетона при ширине трещин более 5 мм и для
кирпичных стен при ширине трещин 2 мм применяют инъецирова#
ние полимерцементных растворов. Такой метод обеспечивает полное
восстановление монолитности поврежденных конструкций.
Наряду с использованием чисто полимеррастворов могут приме#
няться полимеррастворные армированные шпонки (рис. 4.79, а) и
полимеррастворные армированные шпонки со скобой (рис. 4.79, б).
Для установки шпонок или шпонок со скобой по обе стороны
стыка (трещины) устраивают штрабу. Варианты усиления внутрен#
466
Рис. 4.79. Конструкции шпонок усиления: 1 — стыкуемые элементы; 2 — арма#
турный каркас; 3 — штраба; 4 — арматура в виде скобы; 5 — отверстие, запол#
ненное полимер#раствором
них стен с помощью стеклоткани и железобетонными шпонками
показаны на рис. 4.80.
Кирпичные стены можно усилить торкретированием. Перед этим
с поверхности поврежденного участка удаляют штукатурку, а трещи#
ну промывают водой под давлением.
Рис. 4.80. Восстановление несущей способности внутренних железобетонных
стен: а — стеклотканью; б — железобетонными шпонками; 1 — деформирован#
ная стена; 2 — трещина; 3 — стеклоткань, наклеенная на бетон; 4 — железо#
бетонная шпонка
467
Более прочной является заделка трещины 3 с армированием по#
врежденного участка (рис. 4.81). В этом случае торкрет наносят на ар#
матурную сетку 5.
Для усиления кирпичных простенков и железобетонных внецен#
тренно сжатых, а также изгибаемых элементов устраивают железо#
бетонную обойму. Она охватывает поврежденный элемент по всему
периметру.
Рис. 4.81. Усиление каменных стен торкретированием: 1 — деформирован#
ная стена; 2 — неповрежденная стена; 3 — трещина; 4 — отверстие в стене;
5 — арматурная сетка; 6 — Z#образные анкера; 7 — Г#образные анкера
Эффективным способом усиления колонн является устройство
термонапряженной обоймы. Продольные элементы обоймы из сталь#
ного уголка устанавливают на колонну, обжимают их специальными
поперечными хомутами.
Хомуты представляют собой планки из полосовой стали, которые
перед установкой на месте нагревают до температуры 200—400 оС,
а затем приваривают к уголкам. После остывания планок образуются
замкнутые преднапряженные хомуты.
Изгибаемые элементы (балки, ригели) могут быть усилены пред#
варительно#напряженными конструкциями или установкой термо#
напрягаемой арматуры в растянутой зоне восстанавливаемого эле#
мента. В первом случае опоры усиливаемого элемента стягивают
стальными затяжками. После натяжения устанавливают контргайки,
которые приваривают. Во втором случае напрягаемую арматуру при#
варивают к одной опоре конструкции со стороны растянутой зоны,
468
Рис. 4.82. Способы усиления основания (а) и фундамента (б): 1 — существую#
щая кладка; 2 — монолитный бетон; 3 — поперечные балки; 4 — арматурные
сетки; 5 — штыри
а затем нагревают и (по достижении требуемого удлинения) прива#
ривают к другой опоре. Уровень напряжения регулируется темпера#
турой нагревания.
При повреждении фундаментов может возникнуть необходимость
расширения площади его опирания и усиление самой конструкции
фундамента. На рис. 4.82 показаны два способа повышения несущей
способности фундамента.
Глава 5. ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
5.1. Организация энергоснабжения при электрификации
железных дорог
Наиболее распространенным видом энергии на строительстве
является электрическая, а наиболее экономичным способом элект
роснабжения — подключение к сетям государственной энергосис
темы, для чего обычно приходится сооружать линию электропере
дачи (ЛЭП), подключающую стройку к районной сети, и трансфор
маторную подстанцию, а от нее сеть низкого напряжения 220/380 В.
Промышленность выпускает комплексное оборудование к трансфор
маторным подстанциям мощностью 180, 320 и 560 кВт, рассчитан
ное на напряжение 6—10 кВ.
При железнодорожном строительстве в отдельных районах обыч
но бывает необходимо организовать самостоятельное (местное) элек
троснабжение. При этом используют передвижные электростанции с
бензиновыми и дизельными двигателями, смонтированными на ав
томобильном прицепе или в железнодорожном вагоне; полустацио
нарные локомобильные и дизельные электростанции и энергопоезда.
Для быстрой организации электроснабжения на подвижных ли
нейных объектах удобны дорожные электростанции ЭСД или ДЭС,
смонтированные в автоприцепах. Такие электростанции вырабаты
вают трехфазный ток напряжением 230 В и имеют первичный ди
зельный двигатель внутреннего сгорания. Промышленность выпус
кает ЭСД мощностью 5, 10, 20, 27, 30, 50, 75 и 100 кВт.
Дизельные электростанции полустационарного типа, монтируе
мые в вагонах или отдельных временных помещениях, имеют комп
лектное оборудование и мощность от 50 до 750 кВт.
Энергопоезда располагают энергетическими установками мощ
ностью от 1000 до 5000 кВт.
Наряду с такими мощными установками для питания локальных
потребителей в ходе строительства широко применяют электростан
470
ции малой мощности (от 2 до 10 кВт), которые являются, по суще
ству, переносными.
Выбор устройств электроснабжения зависит от категории потре
бителей. К I категории относят потребителей, нарушение питания
которых создает опасность для жизни людей, наносит ущерб народ
ному хозяйству или приводит к массовому браку продукции. К этой
категории относятся установки водоотлива, подземных работ, вен
тиляции загазованных помещений и т.д. К потребителям II катего
рии относят основное технологическое оборудование и устройства,
непосредственно потребляющие электроэнергию (электросварка,
электропрогрев бетона или грунта и т.д.). К III категории относят
точки освещения и электроинструмент. Питание потребителей I ка
тегории всегда дублируют независимыми источниками энергии.
Если, например, потребитель подключен к районной сети, преду
сматривается питание и от аварийной электростанции. Потребите
ли II категории на строительстве чаще всего имеют несколько ис
точников питания и во многих случаях тоже дублируются. Часто от
дельные потребители, отличающиеся особым режимом потребления
энергии, имеют самостоятельные электростанции.
В проектах организации строительства общий расход электро
энергии определяют по укрупненным показателям (на 1 руб. смет
ной стоимости строительномонтажных работ). Мощность электри
ческих установок обычно составляет 50—100 кВт, в мотопоездах —
250—400 кВт, в тоннельных отрядах — 300—2500 кВт, в строительно
монтажных поездах — 150—300 кВт. В подразделениях управления
гидромеханизации мощность электроустановок колеблется от 1000
до 3500 кВт.
Для ведения работ по электроснабжению и связи используют как
воздушные линии, так и кабельные. ВЛ обеспечивают передачу сиг
налов связи и электроэнергии по проводам, расположенным на от
крытом воздухе и прикрепленным при помощи изоляторов и арма
туры к опорам. ВЛ электропередачи напряжением до 1000 В широко
используют для наружного освещения. Местности, по которым про
ходят ВЛ, подразделяются на населенные, ненаселенные и трудно
доступные.
Населенными считаются местности в пределах территории горо
дов, поселков, деревень, промышленных предприятий, железнодо
рожных станций, общественных парков, бульваров в границах их
471
реального и перспективного развития. Ненаселенными являются
незастроенные местности, хотя часто посещаемые людьми и доступ
ные для транспорта: огороды, сады, местности с отдельно стоящими
строениями и временными сооружениями. Труднодоступными на
зываются местности, недоступные для транспорта и сельскохозяй
ственных машин.
В зависимости от характера местности, по которой проходит ВЛ,
наименьшие допустимые расстояния по вертикали между провода
ми линии и поверхностью земли составляют при прохождении ВЛ
по населенной и ненаселенной местности 6 м, по труднодоступной
местности — 5 м. Переходы ВЛ через различные сооружения, на
пример железные и автомобильные дороги, водные пространства,
выполняют посредством анкерных опор с двойным креплением про
водов на штыревых изоляторах. При этом наименьшее расстояние
по вертикали от провода:
– до головки рельса неэлектрифицированной железной дороги
должно быть 7,5 м;
– до полотна автомобильной дороги — 7 м;
– до провода связи — 1,25 м;
– до уровня высоких вод судоходных рек — 6 м;
– до уровня высоких вод несудоходных рек — 2 м.
При взаимных пересечениях двух ВЛ соблюдают общее правило:
провода ВЛ электропередачи с более высоким напряжением распо
лагают над проводами ВЛ более низкого напряжения. На опорах мо
жет применяться любое взаимное расположение проводов.
Для ВЛ используют голые алюминиевые или сталеалюминевые
провода. Провода в изоляции применяют только для временных ВЛ
и ответвлений к вводу в здание.
Взаимным расположением проводов называют расстояние меж
ду проводами и порядок их размещения на опоре. Расстояние по вер
тикали между проводами должно быть в пределах от 40 до 60 см. При
горизонтальном расположении проводов расстояние между ними
должно составлять 20—40 см. Большие расстояния берут только в
том случае, если в данной местности имеет место повышенное голо
ледообразование.
При подвеске алюминиевых проводов совместно со стальными
последние размещают ниже, потому что алюминиевые провода при
колебаниях температур имеют большую стрелу провеса. Если рас
472
положить алюминиевые провода ниже стальных, то в зимнее время
провода в пролете могут приблизиться друг к другу на недопустимое
расстояние или даже коснуться друг друга.
Для ВЛ применяются опоры следующих типов (расположение их
показано на рис. 5.1):
концевые 1, устанавливаемые в начале и конце ВЛ; эти опоры вос
принимают натяжение всех смонтированных на них проводов;
промежуточные 2, размещаемые на прямых участках трассы; при
нормальных условиях работы они не воспринимают усилий, направ
ленных вдоль ВЛ;
перекрестные 3, на которых осуществляется скрещение двух на
правлений ВЛ;
анкерные 4, устанавливаемые на прямых участках, когда ВЛ пере
секает различные сооружения; эти опоры воспринимают усилия от
натяжения проводов;
ответвительные 5, на которых выполняется ответвления от ВЛ;
угловые 6, которые устанавливают в местах изменения направле
ния трассы ВЛ; эти опоры находятся под действием результирую
щего натяжения проводов смежных пролетов, действующего по бис
сектрисе внутреннего угла поворота линии.
Опоры для ВЛ изготовляют из дерева или железобетона. Деревян
ные опоры устанавливают на железобетонные стулья (сваи). Для из
готовления деревянных опор используют сосну и лиственницу, реже
ель и пихту. Бревна, из которых делают опоры, предварительно про
питывают специальным составом, предохраняющим древесину от
загнивания. Такой состав называется антисептическим.
Рис. 5.1. Железобетонные опоры для ВЛ до 1000 В: а — промежуточная; б —
анкерная; в — угловая анкерная, концевая с оттяжкой; г — угловая анкерная,
концевая с подкосом
473
Последнее время преимущественно применяют железобетонные
опоры. Промежуточные железобетонные опоры для ВЛ напряжени
ем до 1000 В имеют длину стойки 9 м. Эти опоры заделывают в зем
лю на глубину 1,6 м. Длина стоек анкерной, угловой анкерной и кон
цевой опор с оттяжкой и подкосом (см. рис. 5.1) составляет 11 м.
Глубина заделки этих опор в землю — 2,2 м. Оттяжки или подкосы,
повышающие сопротивление опор опрокидыванию, оснащают за
крепленными в земле железобетонными брусьями (анкерами). Та
кие же анкеры устанавливаются и в основании опор (см. рис. 5.2).
Опоры ВЛ устанавливают в котлованы, которые разрабатывают
буровой машиной и имеют диаметр на 10 см больше диаметра ниж
него конца опоры. Опоры устанавливают монтажными кранами на
автомобильном и гусеничном ходу.
Монтаж ВЛ напряжением до 1000 В предусматривает выполне
ние следующих основных операций:
– раскатка и подъем провода на опору;
– соединение проводов;
– натяжение и закрепление проводов на опоре;
– устройство ответвлений;
– устройство вводов и заземлений.
Рис. 5.2. Виды опор контактной сети: а — железобетонные длиной 13,6 м с фун
даментной частью; б — железобетонные длиной 13,6 м на трехлучевом стакан
ном фундаменте; в — металлические из двутавра № 30; УОФ — условный обрез
фундамента; ОФ — обрез фундамента; ВГР — верх головки рельса; 1 — кон
тактный провод; 2 — несущий трос; 3 — струна; 4 — кронштейн; 5 — фиксатор;
6 — консоль; 7 — заземление; 8 — рельсовая цепь (размеры даны в мм)
474
Основной вид СМР при электрификации железной дороги — уст
ройство контактной сети (КС), включая опоры, консоли и попере
чины жесткие (рис. 5.3) и гибкие (рис. 5.4).
Рис. 5.3. Вид жесткой поперечины для станционного парка: 1 — опора; 2 —
жесткая поперечина; 3 — фиксирующий трос; 4 — фиксатор; 5 — треугольный
подвес; 6 — наклонный подвес; Г — габарит установки опор жесткой попере
чины; Н0 — номинальная высота подвеса контактного провода над верхом го
ловок рельсов (ВГР); Вм — расстояние между осями смежных путей
Рис. 5.4. Вид гибкой поперечины на станции: 1 — опора; 2 — поперечные не
сущие тросы; 3 — верхний фиксирующий трос; 4 — нижний фиксирующий
трос; 5 — фиксатор; 6 — наклонный подвес; 7 — струна гибкой поперечины;
8 — нейтральная вставка; 9 — электрический заземлитель; Н0 — номинальная
высота подвеса контактного провода над верхом головок рельсов (ВГР)
(размеры даны в мм)
475
Опоры КС могут быть железобетонные (в том числе бесфунда
ментные), устанавливаемые «с пути» и «с поля».
Раскатку и подъем проводов на опору выполняют одним из двух
способов:
– барабан с проводом устанавливают на козлы на расстоянии
5—10 м от первой концевой или анкерной опоры; раскатку выпол
няют ручным или механизированным способом в направлении вто
рой концевой опоры;
– раскатку провода производят с барабанов, установленных на
специальной раскаточной тележке или автомобиле. В этом случае
прежде всего прикрепляют провод к левой (первой) концевой или
анкерной опоре.
Провода на крюки или траверсы при небольшом сечении и не
больших пролетах поднимают при помощи штанг. В противном слу
чае подъем осуществляют с опор с помощью веревок.
Соединяют провода сразу после их раскатки. Соединение выпол
няют так, чтобы в этом месте у провода обеспечивались:
– надежный электрический контакт;
– механическая прочность.
Провода натягивают вручную, при помощи лебедки или авто
мобиля. Это делают либо поочередно, либо сразу по несколько штук,
используя различные приспособления. Провода натягивают до
тех пор, пока стрела провеса провода в пролете между опорами
не достигнет значения, заданного в монтажных кривых или таб
лицах.
При натяжении провода стрелу провеса регулируют в одном из
средних пролетов между промежуточными опорами.
При вертикальном расположении проводов регулировку стрелы
провеса начинают с верхнего провода, а при горизонтальном распо
ложения — со среднего провода. Остальные провода натягивают по
уже натянутому первому проводу. Натянув провода, их закрепляют
на второй анкерной опоре, а затем прикрепляют вязкой к шейкам
изоляторов на промежуточных опорах.
Для электроснабжения нетяговых потребителей, расположенных
в непосредственной близости от железнодорожного полотна, соору
жают линии электропередачи (ЛЭП) напряжением 10 и 25 кВ. Про
вода этих линий почти на всей их протяженности монтируют на опо
рах контактной сети железной дороги с полевой стороны.
476
Монтаж проводов ЛЭП включает:
– раскатку проводов по фронту работ;
– подъем проводов на опоры;
– крепление проводов на опорах;
– вытяжку проводов;
– анкеровку.
Раскатка проводов может вестись одним из следующих спо
собов:
– автомобилем или трактором с полевой стороны опор;
– с дрезины на обочину пути с последующей перекидкой за опо
ры или прошивкой участками 700—800 м вручную;
– с дрезины в «окно» с одновременной перекидкой за опоры вруч
ную.
Тот или иной способ раскатки применяют в зависимости от мест
ных условий.
Раскатку провода автомобилем или трактором ведут в том случае,
если есть подъезд. После подготовки барабана с проводом и уста
новки его на козлы с барабана сматывают 50—60 м провода, на кон
це его делают петлю, которую надевают на крюк автомобиля или
трактора. Раскатку провода с барабана выполняют со скоростью 3—
4 км/ч, при этом подтормаживая барабан, чтобы не создавались пет
ли (изза неравномерного движения транспортного средства) и про
вод не перехлестывался.
Раскатку провода с дрезины с последующей перекидкой его за
опоры применяют там, где подъезд автомобиля или трактора со сто
роны поля невозможен. Раскатку ведут до установки консолей с даль
нейшей перекидкой провода за опоры на кронштейны.
Наибольшей производительностью обладает способ раскатывания
провода с дрезины с одновременным перебрасыванием его за опоры
контактной сети. В зависимости от размеров опор монтажную пло
щадку после подъема разворачивают на угол 60—90о. Монтеры, на
ходящиеся на монтажной площадке, перебрасывают провод по мере
его раскатки за опоры на кронштейн специальным приспособлени
ем. Для перекидки провода дрезину останавливают возле каждой опо
ры. Скорость раскатки этим способом составляет 3—4 км/ч.
После раскатки провода и выполнения постоянных стыковок
выполняют его вытяжку и анкеровку. Для вытяжки провод с одной
стороны анкеруют постоянно и на расстоянии 1—1,5 км от анкеров
477
ки укрепляют на проводе полиспаст. После вытяжки провод времен
но анкеруют на нижней части ближней опоры. Далее вновь на рас
стоянии 1—1,5 км от места предыдущей временной анкеровки уста
навливают полиспаст, вытягивают провод, временно анкеруют его
на нижней части ближней опоры. По мере вытяжки предыдущую
временную анкеровку демонтируют. Таким образом вытягивают про
вод через каждые 1—1,5 км, временно анкеруя на нижней части опо
ры по всему перегону (фронту работ).
В конце перегона, после вытяжки последнего участка, провода
анкеруют постоянно. Длина анкерного участка не нормируется. Пос
ле вытяжки и анкеровки провода закрепляют на подвесных или шты
ревых изоляторах. Ответвления и вводы выполняют после монтажа
магистральной сети. Ответвления и вводы в здания делают в соот
ветствии с типовыми чертежами этих узлов.
В целях защиты от грозовых перенапряжений на опорах с ответв
лениями к зданиям заземляют крюки и штыри фазовых проводов и
нулевой провод.
При строительстве линий электропередачи (до 10 кВ) для элект
роснабжения потребителя, кроме опорной части, применяют тра
версы, изготавливаемые из первосортного составного бруса, с по
следующей их пропиткой. В настоящее время разрабатываются но
вые конструкции траверс из материалов, сочетающих механические
и изоляционные характеристики стеклопластиковых профилей и
клееной древесины.
Прокладку кабелей энергетических устройств, СЦБ, управления
секционными разъединителями ведут с помощью канавокопателя
ЭТЦ165 (на базе трактора «Беларусь»).
Для рытья траншеи с пути применяют траншеекопатель ТКТС2 на
базе дрезины ДГК, оборудованный рабочим органом с режущей цепью.
Кроме названного оборудования широко применяют траншейные
цепные экскаваторы ЭТЦ208Д, роторные экскаваторы ЭТР134,
двухбаровую машину БР на базе бульдозера Д687, однобаровую
ЗРТС1 и трехбаровую ЗРТС41 машины на базе тракторов ДТ75рс2
и Т130.1.Г1.
Для устройства траншеи в стесненных условиях трассы кабельных
линий предназначены микротраншеекопатели МТК1 и МТК2ПМ.
Разработку траншеи и котлованов в грунтах I—III категорий ве
дут универсальными одноковшовыми и неполноприводными экс
478
каваторами ЭО2621А и ЭО262182 со сменными рабочими орга
нами: ковшом, зубомрыхлителем, захватом, гидромолотом, буриль
ным оборудованием и др.
Проходку горизонтальных скважин под железнодорожными пу
тями выполняют машиной МГС1, установленной на рельсовой
платформе. Эта машина укомплектована напорным грейфером, гид
ромолотом, шнековым буром и механизмом прокола. Применяют и
пневмопробойники ИП4603, ИП4605, М130, СО134. Горизон
тальные скважины диаметром до 250 мм устраивают гидравличес
ким буром типа БГ3М при прокладке кабелей под путями и авто
мобильными дорогами.
Для бестраншейной прокладки кабелей применяют ножевые ка
белеукладчики на рельсовом ходу, самоходные на гусеничном ходу,
буксируемые легкие кабелеукладчики и микрокабелеукладчики.
Кабелеукладчик КБЖ1 на железнодорожном ходу используют
для одновременной прокладки в земляном полотне железной доро
ги двух кабелей диаметром до 64 мм.
Самоходный кабелеукладчик МКУ1 на базе трактора Т180Г
предназначен для прокладки четырех кабелей диаметром до 50 мм
каждый в грунтах I—III категорий на глубине 800 мм.
Легкий прицепной кабелеукладчик ЛПК202 применяют при
прокладке кабелей диаметром до 27 мм на глубину до 1,2 м. Букси
руют его трактором или автомобилем.
Микрокабелеукладчики МУК1 и КРУП0,9 используют при про
кладке соответственно двух кабелей диаметром до 30 мм и кабелей
диаметром до 34 мм.
Для прокладки кабеля магистральных линий связи применяют
кабелеукладчики, состоящие из передней ножевой тележки и зад
ней кабельной, соединенной с цепным устройством. Тяговое усилие
создают несколько гусеничных тракторов, сцепленных между собой.
Перед началом работы отрывают траншею глубиной 1,3 м и шири
ной 4 м. Ножевую тележку с трактором устанавливают над траншеей
и нож с кассетой переводят в рабочее положение. После этого сцеп
ляют ножевую и кабельные тележки и установку барабанов с кабе
лем. Кабель с барабана пропускают через кассету и конец его удер
живают в котловане до начала равномерного разматывания бараба
на. Кабелеукладчиком можно одновременно укладывать один или
два кабеля диаметром 60 мм или три кабеля диаметром 30 мм на глу
479
бину 800, 1000 и 1200 мм, для чего кабелеукладчик имеет комплект
сменных ножей и кассет. Во время работы кабелеукладчика уплот
няющий каток засыпает и уплотняет грунт траншеи.
Кабели дистанционного управления секционными разъедините
лями контактной сети и местные кабели связи прокладывают с при
менением прицепного кабелеукладчика СКУ64. Кабелеукладчик,
ведомый в зависимости от плотности грунта одним или двумя трак
торами, разрабатывает траншею глубиной до 800 мм, шириной
50 мм и укладывает кабель диаметром до 33 мм.
Важнейшей задачей повышения технического обеспечения уст
ройств СЦБ является применение микропроцессорной техники, раз
витие которой у нас значительно отстает от таких стран, как Герма
ния, Япония, Швеция, Франция, где она является основной аппа
ратурой в системе автоматики на железных дорогах.
Применение МПЦ по сравнению с электрической централиза
цией позволяет в 5—6 раз сократить объем служебных зданий и, сле
довательно, затраты на их сооружение и содержание. Внутрипосто
вое оборудование на линию поставляют собранными и отлаженны
ми блоками, тем самым уменьшая объем работ по их установке, мон
тажу и наладке.
Все большее применение в настоящее время находят волоконно
оптические линии связи (ВОЛС). Их перспективность обусловле
на большой пропускной способностью волокна; защищенностью от
воздействия внешних электромагнитных полей, вследствие чего не
требуется применять специальные меры по защите от опасных на
пряжений линий электропередачи и электрифицированных желез
ных дорог; возможностью прокладки кабеля между точками с боль
шой разностью потенциалов; высокой помехозащищенностью циф
ровых линейных трактов; малой металлоемкостью и отсутствием де
фицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле; малым
значением коэффициента затухания в широкой полосе частот, что
обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравне
нию с электрическими кабелями (10—50 км вместо 2—6 км); неболь
шими размерами кабеля.
Ограниченная механическая прочность оптического кабеля
(меньшая, чем у кабеля с металлическими жилами) исключает тра
диционные способы прокладки; требует регистрации тяговых уси
лий; на качество влияют изгибы, микроизгибы, деформация, вибра
480
ция грунта. Для сокращения числа мест сращивания кабеля (увели
чивающих потери мощности сигнала в местах соединения) исполь
зуют его строительную длину (более 2000 м). ВОЛС прокладывают в
грунте, кабельной канализации, коллекторах, тоннелях, по опорам.
При прокладке кабеля кабелеукладчиком недопустимо вращение ба
рабана за счет натяжения кабеля при движении. Радиус изгиба кабе
ля не должен быть меньше 20кратного его диаметра. При монтаже
обязательна герметизация кабеля, так как проникновение влаги уве
личивает затухание и снижает прочностные характеристики.
5.2. Организация и технология строительных работ
при электрификации железных дорог
Существующие методы ведения строительных работ при элект
рификации железных дорог характеризуются тем, что строительно
монтажные работы (СМР) проводятся в сочетании с эксплуатаци
ей линии или ее части. Это приводит, с одной стороны, к необходи
мости координации строительства и эксплуатации объектов, с дру
гой — существующие железнодорожные устройства используются
для подготовки и проведения СМР.
При переводе железной дороги на электрическую тягу строитель
ные и монтажные организации применяют два метода производства
работ: «с пути» и «с поля». Наиболее распространен метод «с пути».
Анализ показывает, что этим методом выполняется около 80 % об
щего объема работ по сооружению контактной сети и устройств элек
троснабжения электрифицируемых железных дорог. Это вызвано тем,
что объемы работ по сооружению контактной сети, выполняемые «с
поля», ограничиваются продолжительностью работы комплекта ма
шин не менее одной сменной нормы на участке длиной до 3 км с
одной стороны пути (рис. 5.5).
Применение того или иного метода организации строительства при
электрификации железной дороги зависит от наличия автомобильных
дорог, проходящих вдоль железнодорожной линии, подъездов к пути
для сооружения опор контактной сети и других устройств электроснаб
жения, от расположения комплектовочных баз и других факторов.
Выбор метода производства работ часто ограничен по причинам:
– вынужденной очередности выполнения работ на отдельных ли
нейных производственных участках, исходя из требований эксплуа
тации железных дорог;
481
482
Рис. 5.5. График работы комплекта машин по установке опор «с поля» (цифрами указаны номера опор)
– установления непродолжительных «окон» по несколько раз в
течение суток. Такая практика связана с непроизводительными по
терями времени в связи с доставкой и удалением машин в зону и из
зоны строительства, а также выполнением после каждого «окна» до
полнительных работ, необходимых для открытия движения;
– необходимости предусмотреть вспомогательные устройства для
обеспечения безопасного движения поездов;
– деления всего объема СМР на производственные линейные
зоны меньшего объема изза неоднородности залегания грунтов по
технологическим, организационным, климатическим или другим ус
ловиям.
Особенности ведения СМР при электрификации железных до
рог заключаются в том, что приходится иметь дело одновременно с
сосредоточенными и линейнопротяженными объектами и объема
ми работ. В обоих случаях применяются методы «с пути» и «с поля» и
используются одни и те же специализированные машины и меха
низмы. При этом наибольший объем работ приходится на сооруже
ние контактной сети «с пути» (рис. 5.6, 5.7).
Рис. 5.6. Схемы формирования установочных поездов при ведении работ
«с пути»: 1 — котлованокопатель ВК; 2 — тепловоз; 3 — платформа (полувагон)
с опорами; 4 — кран железнодорожный; 5 — платформа (подстреловая);
6 — вагон (классный); 7 — платформа для фундаментов (анкеров, плит);
8 — агрегат АВСЭМ; 9 — мотовозэлектростанция МЭС200
483
484
Рис. 5.7. График работы комплекта машин по сооружению опор КС «с пути» в «окно» продолжительностью 2 часа
Расчет продолжительности работ по электрификации железных
дорог ведется с определением срока сооружения контактной сети и
связанных с этим работ по переустройству станций и возведению слож
ных объектов (электровозных депо, зданий и сооружений электроснаб
жения, сложных случаев переустройства станций). Продолжитель
ность и методы строительства таких объектов зависят не только от сте
пени концентрации машин, механизмов и трудовых ресурсов, но и от
возможности их размещения на объекте, с созданием необходимого
фронта работ, а также от требований выполнения отдельных частей
сооружения в определенной технологической последовательности.
Специализированные линейные процессы представляют собой
последовательность производственных операций или работ, которые
в соответствии с технологией подлежат выполнению в определен
ной очередности. Зона работы комплексного потока определяется
ведущим потоком. Частные процессы выполняют высокопроизво
дительные, в основном специализированные машины. Для оценки
темпа комплексного потока обычно принимают линейный произ
водственный участок, что особенно важно при ведении работ на пе
регонах (рис. 5.8, 5.9).
Темп комплексного потока зависит от следующих факторов:
– технологическая структура и состав выбранных машин и меха
низмов;
– производительность машин, определяющая скорость каждого
частного специализированного потока и, следовательно, всего ком
плекса;
– определенное направление СМР, производимых зачастую с вы
сокой скоростью;
– интервалы между работами, исключающие взаимные помехи
между ведущими потоками, даже в случае возможных отклонений
от заданных расчетных параметров. Фронт развертывания машин
ного комплекса определяется суммой этих зон.
Тяговые подстанции возводят сразу же после завершения подго
товительных работ, увязывая сроки их строительства со сроками со
оружения контактной сети таким образом, чтобы окончание соору
жения тяговой подстанции не лимитировало перевода железной до
роги на электрическую тягу. Строительные и монтажные работы дол
жны быть увязаны таким образом, чтобы производство одних работ
не задерживало другие (см. рис. 5.8).
485
Рис. 5.8. График работы комплекта машин при ведении строительных работ:
1 — движение графикового поезда № 1; 2 — движение комплекта машин на
перегон; 3 — установки опор; 4—6 — рытье котлована котлованокопателями
соответственно № 3, № 2, № 1; 7 — движение комплекта машин с перегона;
8 — движение графикового поезда
486
487
Рис. 5.9. График производства работ по установке жестких поперечин на станции
При организации строительства тяговых подстанций определя
ют способы и сроки строительных работ, перечень конструкций для
изготовления на заводах, полигонах или строительных площадках,
объемы работ, выполняемые на месте, а также количество механиз
мов и требуемую рабочую силу.
Переустройство станций начинают с определения способов про
изводства земляных работ, сроков их выполнения и необходимых
ресурсов (механизмы, рабочая сила и др.).
Возведение искусственных сооружений должно быть увязано с
производством земляных работ так, чтобы засыпка труб и отсыпка
конусов у мостов осуществлялись в технологической последователь
ности производства земляных работ. Способы и этапность выпол
нения путевых работ по переустройству станций определяют с уче
том необходимости обеспечения бесперебойности работы станции.
Пассажирские устройства электрифицируемых пригородных ли
ний (платформы, павильоны, пешеходные мосты) сооружают одно
временно с контактной сетью так, чтобы ко времени перевода ли
нии на электрическую тягу их можно было ввести в эксплуатацию.
Тяговая подстанция состоит из следующего комплекса сооруже
ний: здание тяговой подстанции; конструкция открытой части и кон
туры заземления; кабельные каналы; подъездные пути; наружные
сети; водопровод; автомобильные дороги и пешеходные дорожки;
ограждения территории тяговой подстанции.
Строительство тяговой подстанции выполняют в два периода.
В подготовительный период строительства работает бригада из 14 че
ловек для выполнения земляных работ. В основной период занята
комплексная бригада из 30 человек для выполнения строительных
работ.
При сооружении тяговой подстанции используют котлованоко
патель МКТС2М, который обслуживают 2 человека, и усовершен
ствованную буровую машину БМ802, обслуживаемую также двумя
рабочими.
При сооружении подстанций, где число опор незначительно,
можно применять трактор «Беларусь», который используется также
и в качестве бульдозера.
Для регулировки и установки опор в котлован, а также для соору
жения закрытой части подстанций применяют кран ЕТС5Э или кран
КМТТС10 на базе трелевочного трактора.
488
Организацию и производство работ по сооружению тяговой под
станции рекомендуется вести в два этапа: доведение площадки до
проектных отметок (выполняется до начала основных работ на от
крытой части); окончательная планировка после устройства зазем
ляющего контура, сооружение фундаментов, котельных каналов и
подземных коммуникаций.
Устройство щебеночного основания для комплексных распоряди
тельных устройств, а также сооружение фундамента можно начинать
только после оформления акта приемки соответствующего котлована.
Монтаж сборных железобетонных конструкций ведут после ин
струментальной проверки соответствия выполненных работ проек
ту, оформляемой актами.
Котельные каналы сооружают из сборного железобетона. На стен
ках каналов должны быть сделаны специальные конструкции, преду
смотренные проектом. Дно каналов должно быть гладким и иметь
уклон, обеспечивающий отвод случайных вод в канализацию.
Приемку выполненных строительных работ на тяговых подстан
циях проводят одновременно по открытой и закрытой частям в два
этапа: сдача под монтаж; сдача в постоянную эксплуатацию.
5.3. Определение оптимальной продолжительности «окна»
5.3.1. Основные положения
При определении оптимальной продолжительности «окна» tопт
приведенные затраты на установку одной опоры, по существу, мож
но рассматривать как функцию одной независимой переменной
(продолжительности «окна» tок) и представить их в виде
S(tок) = A(tок)/П(tок),
(5.1)
где A(tок) — сумма строительных затрат на объем работ, выполняемых в «окно»,
и народнохозяйственных потерь от задержки поездов, обусловленных выделе
нием «окна» продолжительностью tок.
В зависимости от числа установочных поездов nуп, работающих
одновременно в данное «окно» функции П(tок) и A(tок) можно пред
ставить в виде
П(tок) = nуп(tок – tп)/tу,
(5.2)
A (tок) = Ас[УсТс(tок) + УлТл(tок)]/nуп,
где Ас = α1С1 + α2С2.
489
Зависимости удельных приведенных затрат S от числа установ
ленных в «окно» опор П, исходя из дискретности модели производ
ственного процесса, показывают, что в рамках реального диапазона
изменения параметров рассматриваемой подсистемы имеется явно
выраженный минимум дискретной функции S(П).
При линейной зависимости продолжительности «окна» tок от чис
ла опор П этот вывод справедлив также и для функции S(tок), в кото
рой аргумент tок принимает дискретные значения.
Как уже указывалось, дискретность значений П не позволяет ана
литически исследовать функцию (S(П) на экстремум для определе
ния оптимальной производительности в «окно» Попт, а алгоритм чис
ленного решения этой задачи требует большого объема вычислений.
Если условно считать производительность в «окно» непрерывной
величиной, то действительные значения дискретной функции S(П)
будут лежать на кривой S(П), рассчитанной при непрерывном аргу
менте П. Это утверждение справедливо и для функции S(tок).
Определив минимум tm гладкой кривой S(tок) из условия (tm)dS/
/dtок = 0, легко найти значение tопт из двух ближайших к точке tm
дискретных значений tок, при котором затраты S(tок) меньше.
Таким образом, для определения оптимальной производительно
сти «окна» целесообразен следующий алгоритм:
1. Из уравнения dS/dt = 0 получаем аналитическое выражение для
tm в зависимости от влияющих факторов.
2. Определяем два ближайших целых значения [П] и ]П[ от вели
чины П = (tm – tп)/tу.
3. Вычисляем дискретное значение продолжительности «окна»
t1 = tп + tуП1, t2 = t1 + tу.
4. Вычисляем S(t1) и S(t2) и по меньшему значению находим tопт
и соответственно Попт.
Для определения tm дифференцируем уравнение (5.1) по пере
менной tок и получаем уравнение
А1′(t ок )П (t ок ) − А(t ок )П ′(t ок )
2
П (t ок )
где А1′(t ок ) = dА(t ок )/dt ок ; П ′(t ок ) = dП (t ок )/dt ок .
490
= 0,
(5.3)
Учитывая, что П 2(tок) → ∞, из (5.3) имеем следующее условие оп
тимальности продолжительности «окна»:
А ′(t
1 ок
)/А(t
ок
) = П ′(t
ок
)/П (t
ок
),
которое с учетом равенства (5.2) можно записать в виде
(t ок − t п )А ′(t ок ) = А(t ок ).
(5.4)
5.3.2. Определение оптимальной продолжительности «окна»
на однопутном участке
Представим зависимости простоев поездов Тс и локомотивов Тл
от продолжительности «окна» на однопутном участке в виде
2
Т с (t ок ) = ω1(t ок
− t1t ок − t 22 ) + γN пс ,
2
Т л (t ок ) = ω2t ок
+ λ1t ок − t3 ,
(5.5)
где промежуточные расчетные параметры
ω1 = 2,05/120(I ср − I р − 0,5Т п );
ω2 = 1/120(I ср − Т п );
t1 = I ср − 1,5I р − Т п );
t 2 = 0,5I ср (t1 − 0,5I ср );
t3 = N гр I ср / 60;
γ = 0,3;
λ1 = t3 / I ср + ω2 (I ср + Т п ).
Подставляя (5.4) в (5.2), получаем квадратное уравнение для оп
ределения оптимальной продолжительности «окна»:
2
t 22 − 2t пt ок
− t 02 = 0,
где промежуточный расчетный параметр
t 02
nуп Ас + У с ⎡0,3N пс − ω1(t1t п + t 22 ⎤ + У л (λ1t п + t3 )
⎣
⎦
=
.
У с ω1 − У л ω2
491
Из уравнения (5.6) находим
tm = t п + t п2 + t 02 .
(5.6)
5.3.3. Определение оптимальной продолжительности «окна»
на двухпутном участке (при двустороннем пакетном движении
по незакрытому пути)
Представив зависимости простоев поездов Тс и локомотивов Тл
от продолжительности «окна» на двухпутном участке в виде (5.5),
приходим к выводу, что справедливы равенства
ω1 = 1/(240(I ср − I р ); ω2 = 0;
t1 = −4T ; t 22 = −4T12 ; γ = 0;
(5.7)
λ1 = N гр /60; t3 = −2λ1T1,
где Т1 = 0,5Т – Iср .
Подставляя равенства (5.7) в выражение (5.8), после преобразо
вания имеем для двухпутного участка
{
}
t 02 = 4 T1(t п − Т1 ) + (I ср − I р )/У с [60nуп Ас + У л N гр (t п + 2Т1 )] .
(5.8)
Оптимальная продолжительность «окна» для двухпутного участ
ка определяется по формуле (5.6), в которую необходимо подставить
значение t 02 , определяемое равенством (5.8).
Описанная методика определения «окон» оптимальной продол
жительности исключает массовые расчеты на ЭВМ. Сравнение ре
зультатов расчетов на ЭВМ и результатов, полученных по формуле
(5.6) показало полное совпадение.
5.3.4. Определение зоны оптимальности
Представим суммарные удельные затраты в виде
S (t ок ) = τ0 у (t ок ),
(5.9)
где τ0 = τу/nуп,
2
у (t ок ) = (аt ок
+ bt ок + с )/(t ок − t п ),
492
(5.10)
коэффициенты
а = У с ω1 + У л ω2 ,
b = У л λ1 − У с ω1t1,
c = nуп Ас + У с ( γN пс − ω1t 22 ) − У лt3 .
Для двухпутного участка с двусторонним пакетным движением
по незакрытому пути имеем
а = У с ω;
b = 2У с ωT2 + У л N гр ;
(5.11)
c = Ап + Т 2 (У с ωT2 + У л N гр ),
где Т = Т − 2I
2
ср
; А = n А ; ω = 1 4(I
п
уп с
ср
− I ).
p
Здесь все характеристики времени измеряются в часах.
С учетом равенств (5.9) и (5.10) формулу для оптимальной про
должительности «окна» можно представить в виде
t опт = t п + t п2 + (bt п + с )/а.
Подставляя сюда (5.11) для двухпутной линии, получим
t опт = t п + Т п2 + 4(I ср − I р )( Ап + У лТ п N гр )/У с ,
где Тп = tп + Т – 2Iср.
Заметим, что функция у(tок) бесконечно дифференцируемая и,
следовательно, ее можно разложить в ряд Тейлора в окрестности оп
тимальной продолжительности «окна» tопт:
∞
у(t ок ) = у(t опт ) + ∑ у (n) (t опт )(t ок − t опт )n /n !.
n =1
Учитывая, что первая производная у(1)(tопт) = 0, последователь
ное дифференцирование функции у(tок) приводит к ряду
у(n)(tопт) = n!a/(tопт – tп)n–1, n = 2,3...
(5.12)
493
Подставляя (5.12) в ряд Тейлора, получаем
∞
2
у(t ок ) = у(t опт ) + (a∆t ок
/t p ) 1 + ∑ −∆t ок /t р )n ,
n =1
где ∆tок = tок – tопт; tр = tопт – tп.
Здесь выражение в квадратных скобках представляет собой сум
му членов бесконечной геометрической прогрессии со знаменате
лем q = – ∆tок/tр. Полагая q2 < 1, можно записать известное равен
ство для бесконечно убывающей прогрессии
∞
1 + ∑ (−∆t ок /t р )n = 1 / (1 + ∆t ок / t p ).
n =1
После подстановки (5.13) в у(tок) окончательно получаем
2
у(t ок ) = у(t опт ) + a∆t ок
/(t p + ∆t ок )
или
2
у (t ок ) = у (t опт ) + a∆t ок
/(t ок − t п ).
Обозначим
2
/(t р + ∆t ок ),
∆у(∆t ок ) = a∆t ок
у(t опт ) = уmin
и запишем
у(tок) = уmin + ∆у(∆tок).
Отметим, что величина у(tок) характеризует суммарные затраты
на объем работ любого вида, выполняемых за 1 ч чистого (рабочего)
времени в «окно» продолжительностью tок. Отсюда следует, что по
лученные выше формулы применимы к любым строительномон
тажным или ремонтным работам, выполняемым в «окно».
Величина ∆у(∆tок) представляет собой прирост суммарных затрат
у(tок) по сравнению с минимальными затратами (при оптимальной
продолжительности «окна») в зависимости от отклонения ∆tок про
должительности «окна» от оптимума, причем согласно условию по
лучения формулы (5.13)
–tр < ∆tок < tр.
494
Используя ранее введенный коэффициент относительного уве
личения суммарных удельных затрат, зону оптимальности
tопт – ∆t1 < tок < tопт + ∆t2,
внутри которого выполняется условие
[S(t) – Smin]/Smin < ε,
можно определить из уравнения
у(tопт)/уmin = ε,
которое с учетом равенства у(tопт) = уmin приводит к квадратическо
му уравнению
2
∆t ок
− εуmin (∆t ок + t р )/a = 0.
Решениями этого уравнения являются допустимые отклонения
от оптимальной продолжительности «окна», соответствующие задан
ному значению ε:
∆t1 = εtm ( 1 + 2t p / εtm − 1),
∆t 2 = εtm ( 1 + 2t p / εtm + 1),
где tm = уmin/2а.
Таким образом можно определить оптимальную продолжитель
ность «окна» для электрификации действующей железной дороги при
работе «с пути».
Глава 6. СООРУЖЕНИЕ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ
6.1. Сборка звеньев
Сборка звеньев на звеносборочной базе позволяет уменьшить тру
доемкость работ за счет применения средств механизации и повы
шает качество собираемых звеньев.
При годовых объемах работ более 70 км звеносборочные базы эко
номически целесообразно оборудовать полуавтоматическими звено
сборочными линиями (ППЗЛ650, ЗЛХ800). При годовых объемах
работ от 30 до 70 км экономичней применять механизированный
звеносборочный стенд, а при меньших объемах работ или отсутствии
стенда сборку звеньев ведут с использованием механизированного
инструмента. Для проведения погрузочноразгрузочных работ и
транспортировки материалов, путевых звеньев и блоков стрелочных
переводов в пределах фронта работ используют козловые краны К
6Б, ККС10, КДКК10 грузоподъемностью 10 т пролетом 16—18 м с
высотой подъема крюка 8,65 м, а также полноповоротные железно
дорожные краны КДЭ163 (161) грузоподъемностью 16 т и КДЭ253
(251) грузоподъемностью 25 т с длиной стрелы 15 и 20 м и высотой
подъема крюка 14 и 19 м соответственно. Козловые краны по сравне
нию со стреловыми имеют следующие преимущества: простота кон
струкции и эксплуатации, постоянная высота подъема крюка и не
изменная грузоподъемность по всей зоне обслуживания, отсутствие
выносных опор повышают выработку крана и позволяют использо
вать дополнительную площадь для складирования материалов.
Минимальное расстояние между путями и штабелями материа
лов и готовой продукции должно удовлетворять следующим требо
ваниям.
Расстояние между осями смежных путей, м ..................................................
Расстояние между штабелем материалов (конструкций)
и осью соседнего пути, м ..................................................................................
Расстояние между штабелями, где не требуется проход людей, м ...............
То же в месте прохода людей, м .......................................................................
496
5,00
2,45
5,00
1,00
Ширина проездов между штабелями для пожарных машин, устраиваемых
через каждые 100 м, м ....................................................................................... 6,00
Расстояние между штабелями и выступающими частями кранов, м .......... 0,70
Собранные звенья и блоки стрелочных переводов должны удов
летворять следующим требованиям.
Типы рельсов, шпал, скреплений ................................. соответствовать проекту
Отклонения по ширине колеи, мм
+2
–1
Отклонения в положении концов рельсов в звеньях, мм:
для прямых участков пути ............................................................................ 10
для кривых (сверх расчетного забега) ...................................................... ±10
Число костылей на одну шпалу, шт.:
в прямых и кривых (кроме стыковых) R ≥ 1200 м ....................................... 8
в кривых R < 1200 м и на стыковых шпалах ............................................... 10
Пружинные противоугоны .................................................... по типовым схемам
Число шпал на звене ...................................................... в соответствии с эпюрой
Отклонения осей шпал от проектного положения, мм ................................. ±20
Отклонения концов шпал шнуровой нитки, см ............................................... ±2
Полуавтоматическая поточная линия ППЗЛ!650 предназначена для
сборки путевых звеньев длиной 12,5 и 25 м с эпюрой шпал 1440, 1600,
1840 и 2000 шт./км. Линию обслуживают 14 монтеров пути, два опе
ратора станков и 2 машиниста двух козловых кранов или 4 машинис
та двух стреловых кранов. Производительность линии в зависимос
ти от эпюры шпал и типа скреплений колеблется от 300 (550) м/сме
ну при эпюре шпал 2000 шт./км до 410 (715) м/смену при эпюре шпал
1440 шт./км и шурупноклеммном (костыльном) скреплении. Рабо
чий цикл сборки звена на один шаг эпюры при костыльном (шуруп
ноклеммном) скреплении составляет 12 (24) с. Габариты без пор
тальных кранов и приемочных тележек: длина — 52,77 м, ширина —
5,09 м, высота — 3,175 м. Мощность 75,5 кВт.
ППЗЛ650 (рис. 6.1) состоит из шпалопитателя 1 на 150 шпал,
наклонного цепного транспортера, наклонного рольганга, сверлиль
ного станка 2, стенда 3 с цепным конвейером 4, сборочного станка 5
и места для доводки звена, расположенных последовательно.
Технология сборки звеньев следующая: два монтера пути с помо
щью крана загружают шпалопитатель, следующие два монтера пути
работают на шпалопитателе, проверяя шпалы по длине и высоте и
ориентируя их на нижние постели. По наклонному рольгангу (кон
497
Рис. 6.1. Полуавтоматическая поточная звеносборочная линия ППЗЛ650
вейеру) шпалы поступают в сверлильный станок, где просверлива
ются сразу все отверстия в шпале на нужную глубину. Далее шпалы
поступают на конвейер стенда, где автоматически раскладываются
по эпюре. Два монтера пути раскладывают на шпалы подкладки, а
два других наживляют обшивочные костыли на глубину не менее
45 мм. Одновременно два монтера пути с помощью крана укладыва
ют рельсы на катковые опоры стенда.
Еще четыре монтера наживляют пришивочные костыли, после
чего шпалы по конвейеру стенда поступают в сборочный станок, где
происходит запрессовка костылей. Сборочный станок обслуживает
оператор. По мере готовности звено поступает на приемные тележ
ки 6, откуда краном 7 подается к месту доводки, где четыре монтера
пути проверяют его качество, устанавливают противоугоны и вре
менные стыкователи и с помощью крана грузят его на специальный
подвижной состав.
На ППЗЛ650 автоматически выполняются следующие операции:
подача шпал в сверлильный станок; сверление отверстий в шпалах;
498
антисептирование отверстий; выдача шпал на цепной конвейер стен
да; подача шпал в сборочный станок; вдавливание костылей в шпа
лы; установка шпал по эпюре; выдвижение монтируемого звена из
сборочного станка.
Звеносборочный стенд ЗС400 производительностью до 400 м/сме
ну с суммарной мощностью установленных электродвигателей 19 кВт
в развернутом рабочем положении занимает 85 м. Масса стенда
6590 кг, время развертывания стенда 8 ч. На стенде ЗС400 большин
ство операций выполняется механизированно и только шпалы по
даются в сверлильный станок и раскладываются по эпюре автома
тически. Обслуживают стенд 15 монтеров пути и 2 машиниста.
Звеносборочный стенд ЗС400 (рис. 6.2) состоит из шпалопита
теля 1, сверлильного станка 2, подвижного стендашаблона 3 и двух
костылезабивочных станков 4, расположенных последовательно, а
также двух бойков 5 и 6 и двух лебедок 7.
Бригада рабочих состоит из трех звеньев. Первое звено (маши
нисты крана и два монтера пути) подает пакеты шпал со склада в
шпалопитатель и контейнеры со скреплениями к рабочим местам,
раскладывает рельсы, складирует или ведет погрузку готовых звень
ев на подвижной состав. Второе звено (8 монтеров пути) обслужива
ет шпалопитатель, сверлильный и пришивочный станки. Третье зве
но (4 монтера пути) наживляет костыли и при помощи костылеза
бивочного станка забивает их.
Рис. 6.2. Механизированный звеносборочный стенд ЗС400
499
Шпалы от шпалопитателя к сверлильной установке, а затем к по
зициям раскладки подкладок и наживления костылей подаются цеп
ным конвейером с зубьями. Подвижной стендшаблон набирает
шпалы по эпюре на все звено и с помощью лебедки перемещает на
позицию сборки. На звеносборочном стенде ЗС400 автоматически
выполняются только две операции: подача шпал в сверлильный ста
нок и раскладка шпал по эпюре.
Более совершенными моделями являются звеносборочный стенд
ЗС500 и мобильный звеносборочный стенд ЗС500М с производи
тельностью 500 м/смену, установленной мощностью 36 кВт, обслу
живающим персоналом 8 чел., весом 13 и 21,5 т, временем разверты
вания 12 и 3 ч, габаритными размерами 5500 × 800 × 180 и 5500 × 1210 ×
× 330 см соответственно. Эти модели стендов отличаются от ЗС400
тем, что расположены не в один, а в два ряда. В одном ряду располо
жено оборудование для подготовки шпал, в другом прикрепляют
шпалы к рельсам.
Полуавтоматическая поточная звеносборочная линия ЗЛХ800
предназначена для сборки путевых звеньев на деревянных шпалах с
любой стандартной эпюрой. Производительность ЗЛХ800 при эпю
ре шпал 1840 шт./км достигает 1000 м/смену. Обслуживают линию
12 человек, в том числе три оператора звеносборочной линии и два
машиниста козловых кранов. В отличие от ППЗЛ650 и ЗС400, у
которых все оборудование расположено в один ряд, оборудование
ЗЛХ800 располагается в два ряда. В одном ряду располагается обо
рудование по подготовке шпал к сборке (конвейеры поперечный, на
копитель, шаговый, приемный, а также сверлильный станок, пульт
управления конвейером для подготовки шпал к сборке, шпалопита
тель, подвижной склад шпал), в другом — оборудование по сборке
путевых звеньев (рельсовый рольганг, питатель и бункер подкладок,
сборочный агрегат, пульты управления сборочным агрегатом и пе
редвижением звена, тележка для приема и перемещения звеньев,
приемная рама, перегружатель звеньев).
Подготовка шпал к сборке и сборка путевых звеньев ведется в раз
ном направлении. Цикл пришивки шпал задается командным аппа
ратом и может быть равен 10, 12 и 15 с.
Сборка путевых звеньев вручную с применением механизированного ин!
струмента и кранов производится или на путишаблоне, или на стен
дах (бойках), расположенных сбоку от пути. Сборка состоит в последо
500
вательном выполнении следующих операций: раскладка пакетов шпал
по стендам с помощью крана, раскладка шпал вручную на стенде (зве
не) по эпюре, сверление отверстий в шпалах электродрелями по шаб
лону, антисептирование отверстий, раскладка подкладок и костылей по
концам шпал, наживление наружных костылей; раскладка рельсов по
шпалам, разметка краской на шейках рельсов положения осей шпал в
соответствии с эпюрой, установка шпал по меткам и выравнивание рель
сов по наугольнику, наживление внутренних костылей, забивка нажив
ленных костылей, раскладка и установка пружинных противоугонов.
Звенья монтируют не более чем в четыре яруса по высоте. Ниже
лежащий ярус служит шаблоном для вышележащего. Работу ведут
поточнорасчлененным методом, для чего бригада разделяется на от
дельные рабочие звенья. Число звеньев должно соответствовать числу
выполняемых операций. На каждом звене (бойке) должна выпол
няться, как правило, только одна рабочая операция. Трудоемкость
работ и минимальный численный состав рабочих звеньев определя
ется по типовым технологическим картам.
Проектирование технологического процесса под заданный темп
укладки пути ведут в следующем порядке: приравнивают суточную
производительность базы темпу укладки пути Фб = Фу. Поскольку
производительность базы зависит от производительности ее секции,
то производительность секции должна быть Фс = Фб/п.
Однако производительность секции зависит от принятых техно
логии и организации работ и при поточнорасчлененном методе
сборки может быть определена по формуле
Фс =
Т − t зв
τм
+1 =
60t см К см − t зв
τм
+ 1,
(6.1)
где Т — продолжительность работ по сборке звеньев в течение суток, мин;
tзв — продолжительность сборки одного звена, мин;
τм — время наиболее длительной операции, мин;
tсм — продолжительность смены, ч;
Ксм — число используемых для сборки звеньев смен в сутки.
Продолжительность сборки одного звена
n
t зв = ∑ τi ,
(6.2)
1
где n — число рабочих операций по сборке звена;
τi — продолжительность iй операции, мин.
501
Продолжительность одной операции определяется по формуле
τi = 1,5
H вр
nрабnгр
,
(6.3)
где Нвр — норма времени;
nраб — минимальный состав звена рабочих;
nгр — число групп рабочих (минимальных составов) на данной операции;
1,5 — переводной коэффициент.
Из формулы (6.1) находят значение τм, соответствующее требуе
мой производительности секции базы:
τм =
60t см К см − t зв
Фсб − 1
.
(6.4)
После определения значения τм устанавливаются операции сбор
ки, для которых τi > τм. На этих операциях увеличивается (кратно
минимально возможному) состав рабочих звеньев и определяется их
продолжительность по формуле (6.3), а затем и продолжительность
сборки одного звена tзв по формуле (6.2). После этого по формуле
(6.1) уточняют производительность секции. Если полученное значе
ние неудовлетворительное, расчеты повторяют.
Монтаж блоков стрелочных переводов на базе ведут на специаль
ном стенде (рис. 6.3). Стрелочный перевод для удобства транспор
тировки расчленяют на блоки (рис. 6.4): рамный (стрелка); средний
(переводная кривая); крестовинный. Масса блоков обыкновенного
стрелочного перевода с деревянными брусьями из рельсов Р65 с кре
стовиной марки 1/11 и 1/9 не превышает 11,0 т (крестовинный блок);
из рельсов Р50 — 8,9 т, а из рельсов Р43 — 8,4 т. Длина крайних бло
ков обыкновенного стрелочного перевода Р50 марки 1/11 составля
ет 12,5 м, а среднего — 11,52 м. Длина деревянных брусьев не превы
шает 5,50 м. Шесть монтеров собирают один стрелочный перевод за
8 ч (рис. 6.5).
При монтаже блоков стрелочного перевода выполняют следую
щие операции: раскладка пакетов брусьев и шпал на стенде краном;
раскладка их по эпюре вручную; сверление отверстий в брусьях и
шпалах; раскладка тяжелых частей перевода краном; раскладка лег
ких частей перевода вручную; монтаж стыков; разметка на рельсы
положения осей брусьев и шпал; установка брусьев и шпал по мет
502
Рис. 6.3. Двухсторонний трехниточный стенд для сборки стрелочных перево
дов: 1 — брусья (или шпалы) стенда; 2 — разметочный брус со съемными плас
тинами для разметки положения брусьев по наружному рельсу бокового пути;
3 — рельсовые нити стенда; 4 — упорный брус со съемными пластинами для
разметки положения брусьев по прямому пути; 5 — настил из досок
(размеры даны в мм)
Рис. 6.4. Деление на блоки стрелочного перевода марки 1/11 на железобетон
ных брусьях: 1—7 — номера блоков
кам; прикрепление металлических частей стрелочного перевода к
брусьям и шпалам; монтаж связных полос; установка пружинных
противоугонов.
Стыки звеньевблоков соединяют накладками на два болта. Вна
чале сверлят концы шпал и брусьев наружной нити прямого направ
ления и пришивают к ним рельс сразу на все костыли и шурупы. За
503
Рис. 6.5. График механизированной сборки стрелочного перевода
тем по шаблону закрепляют вторую нить прямого направления. Пос
ле этого устанавливают подкладки для наружной нити переводной
кривой по ординатам относительно рельса прямого направления че
рез каждые 2 м, начиная от стыка рельсов в корне остряков, и при
шивают их костылями. После закрепления рельса устанавливают не
достающие подкладки. Через отверстия в них дрелями просверлива
504
ют и антисептируют отверстия для костылей. Наживляют и забивают
костылезабивателями все костыли наружной нити переводной кри
вой. Затем по шаблону на каждом четвертом брусе закрепляют внут
реннюю нить переводной кривой. Добавляют недостающие подклад
ки, через них сверлят и антисептируют отверстия в шпалах и зашива
ют ее на все костыли. После этого устанавливают связные полосы и
противоугоны. Затем стрелочный перевод делят на блоки и грузят на
платформу или в полувагон. Брусья длиной 4,5 м и более отделяют от
блоков и грузят пакетами на платформу
прикрытия вместе с переводным механиз
мом. Очередность погрузки звеньевбло
ков зависит от направления монтажа
стрелочного перевода. Если стрелочный
перевод предстоит укладывать в путь со
стороны стрелки, то первым грузят крес
товинный блок, затем — средний и свер
ху — рамный блок.
При горизонтальном положении бло
ков на платформе с брусьями длиной до
4,5 м образуется негабаритность 4й сте
пени. При транспортировке блоков в на
Рис. 6.6. Схема погрузки
клонном положении платформы и полу
блоков стрелочного пере
вагоны оборудуют специальными устрой
вода в полувагон
ствами (рис. 6.6).
Обрезка рельсов и прожигание отверстий автогенным способом
запрещается.
6.2. Укладка пути
Укладка звеньев рельсошпальной решетки с деревянными шпалами
ведется, как правило, укладочными кранами УК25 при годовых объе
мах работ 70 км и более (рис. 6.7) и ПБ3 при годовых объемах работ
менее 70 км, а также мобильным путеукладчиком (рис. 6.8) на базе
автомобиля МоАЗ6442. При малых объемах работ (менее 10 км/год)
укладку пути можно вести путеукладчиками ПУ4, ЗКУ или по
элементно с использованием железнодорожных стреловых кранов
КДЭ163 и КДЭ253.
Земляное полотно под укладку пути принимают комиссионно
представители заказчика, строительной организации, ведущей со
505
Рис. 6.7. Укладка рельсовых звеньев железнодорожным путеукладочным краном:
1 — пакет; 2 — укладываемое звено; 3 — трос тяговой лебедки крана; 4 — трос
анкеровки пакета к уложенному пути
Рис. 6.8. Укладка рельсовых звеньев тракторным путеукладчиком: 1 — гусе
ничный путеукладочный кран; 2 — уложенное звено пути; 3 — пакет звеньев;
4 — платформа; 5 — локомотив
оружение верхнего строения пути, субподрядчика (мехколонны) и
проектировщика с представлением исполнительного профиля и с
составлением соответствующего акта. Земляное полотно должно со
ответствовать проекту и нормативным документам СНиП 3201—95
и СТН Ц01—95.
Перед укладкой восстанавливают ось пути и закрепляют ее ко
лышками через каждые 100 м на прямых и через 20 м на кривых уча
506
стках, в точках начала и конца переходных и круговых кривых, а так
же в точках перелома профиля.
При наличии на основной площадке земляного полотна глинис
тых грунтов укладку пути в период затяжных дождей и весенней рас
путицы прекращают во избежание порчи земляного полотна.
Укладку станционных путей ведут по уложенному балласту, а зве
нья на железобетонных шпалах укладывают на специально отсыпан
ные песчаные полосы.
Перед укладкой пути на железобетонных мостах и путепроводах,
а также на подходах к ним в пределах 30 м отсыпают балласт толщи
ной не менее 15 см.
Располагать стыки рельсов в пределах переездов запрещается. Во
избежание этого разрешается укладывать в путь в зону переезда зве
нья с рельсами длиной 12,5 м.
При укладке входных стрелочных переводов на раздельных пун
ктах во избежание укладки «рубок» допускается перенос стрелочных
переводов на прямых участках вдоль пути в сторону перегона.
Для пропуска рабочих поездов стыки должны иметь не менее двух
затянутых болтов на каждом конце рельса. При поэлементной ук
ладке пути рельсы крепят на каждом конце шпалы не менее чем дву
мя костылями (шурупами). Путь выправляют в плане и профиле.
При укладке путевых звеньев путеукладочным краном типа УК
на последнем перед головным участком раздельном пункте локомо
тив перемещают в «хвост», а кран — в «голову» поезда. При этом укла
дочный кран целесообразнее оставлять на перегоне. если он не ис
пользуется на других работах.
По прибытии к месту работ путеукладочный кран вместе с час
тью состава отцепляют от поезда. Число пакетов, оставляемых с пу
теукладчиком, при продольном уклоне пути до 5 ‰ не должно пре
вышать трех, при уклоне от 5 до 10 ‰ — двух, при уклоне более
10 ‰ — одного. На участках с продольным уклоном круче 2,5 ‰
локомотив должен находиться при составе с оставшимися на весь
период укладки пакетами звеньев. Пакеты с груженых платформ на
порожние перетягивают на прямых участках пути или на кривых ра
диусом не менее 800 м и на уклонах не более 9 ‰.
Чтобы укладочный кран не сошел с пути, на последнем уложен
ном звене устанавливают тормозные «башмаки». По прибытии на
место работ пакеты раскрепляют, оставляют только шпальные упо
507
ры, которые убирают непосредственно перед перетяжкой пакетов.
Первые пакеты (ближние к крану) перетягивают с помощью лебед
ки крана, последующие — с помощью локомотива. Пакеты звеньев
с помощью троса анкеруют к уложенному пути, локомотив осажи
вает состав вместе со свободными платформами, на которые и пере
мещается пакет звеньев. При укладке пути укладчиком УК25 число
звеньев в пакете не должно превышать семи (при рельсах Р65 и де
ревянных шпалах). Обслуживает кран бригада из 16 человек. Мак
симальная производительность крана УК25/918 составляет 750 м/ч.
При укладке путеукладчиком УК25 рельсошпальной решетки в
кривых радиусом 600 м и менее для изгиба звеньев применяют ма
шину МИУЗ.
Тракторный путеукладчик ПБ3М после окончания смены остав
ляют над последним уложенным звеном. При возобновлении работ
в его портал локомотив, находящийся в хвосте состава, подает плат
формы с пакетом звеньев. Во избежание схода на конце уложенного
звена устанавливают тормозные башмаки. После строповки и подъе
ма следующего звена над пакетом путеукладчик на первой скорости
трактора перемещается вперед на 25,5 м, останавливается и опуска
ет звено. В конце процесса опускания звена трактор осаживает пу
теукладчик назад. В этот момент монтеры пути стыкуют звено с ра
нее уложенным. Одновременно проверяют и регулируют положение
звена относительно оси пути. Траверсу отцепляют и поднимают
вверх, после чего цикл повторяют. Обслуживает путеукладчик бри
гада из 14 человек. Производительность укладчика 9,6 мин/звено или
156 м/ч.
При укладке пути укладочными кранами звенья стыкуют времен
ными стыкователями или постоянными накладками с постановкой
двух болтов. Вслед за проходом головной части укладочного поезда
бригада монтеров пути снимает временные стыкователи, устанав
ливает постоянные накладки, закрепляя их на полное число болтов
(4 при рельсах Р65 и 6 при рельсах Р50) или добавляет недостающие
болты при стыковании звеньев постоянными накладками на два бол
та. Перед установкой накладки и болты смазывают. После установ
ки накладок другая бригада (не менее 2 человек) устанавливает сты
ковые шпалы на место. Наконец, необходима выправка пути для про
пуска рабочих поездов. Выправку пути в профиле выполняют гид
равлическими домкратами. Пространство под поднятыми шпалами
508
заполняют песком, специально привезенным для этих целей авто
самосвалами. Так же выполняют рихтовку пути. Выправку и рихтов
ку, как правило, ведут разные бригады. Скорость движения рабочих
поездов по пути, уложенному на земляное полотно, не должна пре
вышать 10 км/ч.
Укладку стрелочных переводов ведут блоками с использованием
полноповоротных стреловых железнодорожных кранов КДЭ163
(161) и КДЭ 253 (251) грузоподъемностью 16 и 25 т соответственно
(рис. 6.9 и 6.10). Для монтажа стрелочного перевода блоками на базе
формируют укладочный поезд, состоящий из локомотива, железно
дорожного крана с платформой прикрытия и платформы (полуваго
на) с блоками. Если перевод укладывают со стороны стрелки, то пер
вым на платформу грузят крестовинный блок, на него — перевод
ную кривую и сверху — стрелку. На ближайшем к месту укладки пе
ревода раздельном пункте локомотив перегоняют в хвост поезда, а
платформу прикрытия отцепляют.
На месте работ выгружают с платформы переводной механизм,
снятые с блоков брусья и прочие грузы, раскрепляют блоки. Верх
Рис. 6.9. Железнодорожный кран КДЭ161 (а) (размеры даны в мм) и его тех
нические характеристики (б): 1 — высота подъема крюка при стреле 20 м;
2 — то же 15 м; 3 — высота подъема магнита при стреле 15 м; 4 — высота подъе
ма грейфера при стреле 15 м; 5 — грузоподъемность при стреле 15 м на аутриге
рах; 6 — то же 20 м на аутригерах; 7 — то же без аутригеров; 8 — то же 20 м без
аутригеров; 9 — грузоподъемность грейфера
509
Рис. 6.10. Железнодорожный кран КДЭ251 (а) (размеры даны в мм) и его
технические характеристики (б): 1 — высота подъема крюка при стреле 20 м;
2 — грузоподъемность при стреле 15 м на аутригерах; 3 — высота подъема крю
ка при стреле 15 м; 4 — высота подъема электромагнита при стреле 15 м;
5 — высота подъема грейфера; 6 — грузоподъемность при стреле 20 м; 7 — то же
15 м без аутригеров; 8 — то же 20 м без аутригеров; 9 — допустимые пределы
работы с грейфером
ний блок стропуют и краном укладывают на место. Во избежание
раскачивания и вращения блока монтеры пути удерживают его рас
чалками. Уложенный блок стыкуют с ранее уложенным блоком или
звеном, временными стыкователями или постоянными накладками.
После укладки всех блоков временные стыкователи заменяют на
кладками, пришивают снятые переводные брусья, устанавливают и
регулируют переводной механизм. Укладку стрелочного перевода
блоками бригада из 4 человек может выполнить за 2 ч.
Монтаж стрелочного перевода из отдельных элементов бригада
из 12 человек может выполнить за одну смену.
При реконструкции станций стрелочные переводы часто монти
руют рядом с местом укладки, а затем блоками с помощью крана
устанавливают на место или целиком с помощью трактора по спе
510
циально подготовленному основанию перемещают в продольном
либо поперечном направлении. При укладке стрелочных переводов
на железобетонных брусьях блоками применяют восстановительный
кран ЕДК300/5 грузоподъемностью 50 т с вылетом стрелы 18 м.
6.3. Балластировка пути
Балластировка пути включает целый комплекс работ: заготовку и
транспортировку балластных материалов к месту работ или на про
межуточный склад, выгрузку и дозировку балласта в путь, подъемку
пути на балласт, выправку пути в плане и профиле для пропуска ра
бочих поездов, уплотнение балласта и ряд других работ. Балласти
ровку выполняют вслед за укладкой пути, с отрывом не более 10 км.
При сооружении второго главного и станционных путей выгрузка,
разравнивание и уплотнение балласта должны предшествовать ук
ладке пути.
До начала балластировки проверяют соответствие положения пути
в плане, очертаний и состояния основной площадки земляного по
лотна проекту. Обнаруженные несоответствия оформляют актом и
немедленно устраняют. Если в результате воздействия рабочих поез
дов на сливной призме образовались вмятины от шпал, их устраня
ют досыпкой однородного грунта с его уплотнением трамбованием.
Перед началом балластировки пути ось его восстанавливают и
закрепляют кольямивысотниками, устанавливаемыми на обочине
через 100 м на прямых и через 20 м на кривых участках, а также в
начале и в конце переходных и круговых кривых и в точках перело
ма профиля. После этого путь выправляют по оси и нивелируют по
головке рельса правой нити (по ходу километров) на прямых и внут
ренней нити на кривых участках.
Во избежание отрыва шпал от рельсов во время подъемки пути на
балласт проверяют качество крепления шпал к рельсам, добивают
наддернутые костыли.
Для транспортировки балласта из карьеров и щебеночных заво
дов к месту работ используют, как правило, специализированный
подвижной состав: хоппердозаторы и думпкары, а для транспорти
ровки балласта в промежуточные склады и при недостатке специа
лизированного подвижного состава применяют полувагоны и плат
формы. Характеристики специализированного состава приведены в
табл. 6.1.
511
Таблица 6.1
Характеристики специализированного подвижного состава
Хоппер!дозатор ЦНИИДВЗ (рис. 6.11) предназначен для пере
возки, механизированной выгрузки и дозировки балласта всех ви
дов. Дозирующее устройство (рис. 6.12) позволяет выгружать бал
ласт на всю ширину пути, по сторонам (по концам шпал), на сере
дину, на обочину и на междупутье, объем дозировки которого зави
сит от отметки стопфиксатора (табл. 6.2).
Выгрузку балласта выполняет звено из 4 человек: машинист хоп
пердозатора, его помощник и два монтера пути.
На последнем раздельном пункте это звено совместно с локомо
тивной бригадой наполняют пневматическую систему хоппердоза
торов сжатым воздухом до давления 6 атм. При этом машинист хоп
пердозатора и один монтер пути идут с одной стороны поезда, а по
мощник машиниста хоппердозатора и второй монтер пути — с дру
гой стороны поезда, включая соответственно системы нечетных и
четных вагонов. Подготовленный таким образом состав подают на
перегон для разгрузки.
Рис. 6.11. Хоппердозатор ЦНИИДВЗ: 1 — кузов; 2 — цилиндр; 3 — стопфик
сатор; 4 — резервуар воздуха; 5 — пульт управления; 6 — воздушная магист
раль; 7 — дозатор; 8 — плужок
512
Рис. 6.12. Схема работы хоппердозатора: а — транспортное положение; б—е —
рабочие; 1 — кузов; 2, 5 — наружные и внутренние крышки; 3 — дозатор;
4 — упор; 6 — боковые рамы
Таблица 6.2
Объем балласта,
м3,
выгружаемого на 1 км пути из хоппер=дозаторов
513
После прибытия состава к месту выгрузки руководитель работ дает
указание о виде разгрузки, величине дозировки и скорости движе
ния поезда при выгрузке.
Машинист и его помощник (каждый со своей стороны состава)
вращением штурвалов винтов устанавливают стопфиксаторы на
заданную отметку. Монтеры пути снимают предохранительные ры
чаги, включают воздушные резервуары и вместе всем звеном снима
ют транспортные запоры дозаторов.
По команде руководителя работ поезд трогается со скоростью
3—5 км/ч. Выгрузку начинают с первого хоппердозатора. С нача
лом движения состава машинист со своей стороны у первого вагона
опускает дозатор, открывает наружные и внутренние крышки лю
ков, смещая в нижнее положение соответствующие рукоятки на пуль
те управления дозатором. Помощник машиниста выполняет анало
гичные функции у второго вагона. При этом каждый последующий
хоппердозатор начинают выгружать за 1...2 м до окончания выгруз
ки предыдущего. После выгрузки каждого вагона соответствующая
пара звена закрывает наружные и внутренние крышки и поднимает
дозатор. После окончания разгрузки и остановки поезда хоппердо
заторы приводят в транспортное положение. Если разгрузка хоппер
дозатора до подхода к препятствию (мосту, стрелочному переводу и
т.п.) не была закончена, необходимо остановить поезд перед препят
ствием, осадить его назад до полной разгрузки вагона на установ
ленной или более высокой отметке стопфиксатора.
Для более эффективного использования локомотива и сокраще
ния затрат времени на балластировку пути совмещают операции вы
грузки и дозировки балласта с подъемкой пути электробалластером.
Для этого поезд с примыкающей к перегону станции отправляется с
хоппердозаторами в «голове» поезда, за хоппердозаторами следует
локомотив, а за локомотивом — электробалластер.
Думпкары (вагонысамосвалы) предназначены для транспорти
ровки и механизированной выгрузки сыпучих и кусковых грузов.
Кузов думпкара можно наклонять на 45o в обе стороны от пути. При
наклоне кузова вправо (влево) правый (левый) борт откидывается и
становится продолжением днища кузова, противоположный борт в
это время закрыт (рис. 6.13).
Управление механизмом разгрузки думпкара пневматическое. За
пас сжатого воздуха, необходимый для разгрузки думпкара, поступает
514
Рис. 6.13. Думпкар 4ВС50: 1 — тележка; 2 — разгрузочный цилиндр; 3 — резер
вуар; 4, 5, 6 — балки; 7 — буферный брус; 8 — нижняя часть разгрузочного
цилиндра; 9 — шарнирная опора кузова; 10 — шток; 11 — днище кузова;
12 — настил кузова; 13 — лобовая стенка; 14 — шарнирная опора; 15 — ось;
16 — открывающийся борт
от локомотива в специальный резервуар. Опрокидывание кузова про
исходит при помощи 4 цилиндров: по два на каждую сторону. Вы
грузка думпкарного состава ведется с соседнего пути во время стоянки
поезда. Пневматическая система управления разгрузкой позволяет раз
гружать думпкары по отдельности, группами и все сразу. Для дистан
ционного управления разгрузкой в кабине машиниста локомотива ус
тановлено устройство, которое обеспечивает разгрузку состава из
10 думпкаров за 5 мин. Балласт (дренгрунт) выгружают без передвиж
ки или с передвижкой поезда в зависимости от емкости думпкара, тол
щины слоя балласта (дренгрунта), применяемых средств уплотнения
и других факторов. При выгрузке песчаного балласта (дренгрунта) с
пути на щебеночном балласте во избежание засорения последний не
обходимо укрывать какимлибо рулонным материалом (пленкой, ру
бероидом). Обслуживает состав звено из двух человек: машинист и
помощник машиниста думпкара. Образовавшийся после выгрузки со
става вал балласта удаляют бульдозером и частично вручную.
Для более эффективного использования думпкары загружают
«с шапкой». При объемной массе балласта 1,7 т/м3 в думпкар типа
515
7ВС60 можно погрузить 44,71 т (без «шапки»). Возможная масса бал
ласта в «шапке» 60 – 44,71 = 15,29 т, а объем балласта в «шапке» —
9 м3. Тогда объем балласта в одном думпкаре (с шапкой) составит
35,3 м3. Таким образом, вместо четырех достаточно трех вагонов (эко
номия 25 % думпкаров).
Выгрузка балласта из полувагонов ведется звеном из 8 монтеров
пути. На раздельном пункте, примыкающем к участку выгрузки, мон
теры пути открывают секторы запоров полувагонов и «отбивают»
молотком или ломиком задние по ходу движения поезда люко
вые крюки. По месту выгрузки поезд движется со скоростью
4—5 км/ч. При этом первые две пары рабочих последовательно раз
гружают все, начиная с первого, нечетные вагоны, вторые две пары —
четные. Очистку габарита выполняет звено из 32 чел. После оконча
ния разгрузки состава 12 рабочих этого звена заканчивают начатую
работу, а 20 рабочих помогают первому звену очищать полувагоны
от остатков балласта и закрывают люки (масса люка 170 кг).
Разгрузка балласта с платформ ведется экскаватором Э4010 (на
автомобиле), оборудованным скребком. Одну 4осную платформу,
вмещающую 25 м3 балласта, бригада из 7 человек может разгрузить
за 12 мин.
Для разгрузки балласта с платформ применяют также многоковшо
вый погрузчик Д565, который передвигается по платформам поезда,
для чего торцевые борта платформ откидывают и между платформами
укладывают специальные щиты. При этом балласт может быть выгру
жен на обе стороны пути. Производительность — до 140 м3/ч.
Потребность в специализированном подвижном составе (думп
карах и хоппердозаторах) зависит от множества факторов, и преж
де всего от объемов и сроков работ, емкости вагона и числа вагонов в
составе, дальности транспортировки и скорости движения рабочих
поездов, времени погрузки и выгрузки состава и других факторов.
Выделенное для балластировки время выдtб можно определить по
формуле
m
нр
t = Т о − t пп1 − t зр1 − ∑ t хп − t всп
,
выд б
(6.5)
нр
tВСП
= t нр
n j K нп ,
j
(6.6)
1
где Tо — общий срок строительства железнодорожной линии;
516
tпп1 — срок подготовительного периода на первом участке;
tзр1 — срок выполнения земляных работ на первом участке;
m
∑ t хп — суммарная продолжительность холодных периодов;
t
1
нр
ВСП
— время нахождения в работе сечения пути при сооружении верхнего
строения;
нр
нр
t — то же jго вида работ, t = 0,2...0,3 мес.;
j
j
nj — число видов работ при сооружении ВСП;
Кнп — коэффициент неравномерности потока, Кнп = 2...3.
Время оборота tоб балластного состава можно определить по при
ближенной (не учитывающей некоторые составляющие) формуле
tоб = tп + tтр + tв,
(6.7)
где tтр — время транспортировки;
tп, tв — время погрузки и выгрузки состава,
t п(в) =
Нп(в)
v
вр c
np
,
(6.8)
Нп(в) — норма времени погрузки (выгрузки);
вр
vc — объем балласта в составе,
vc = nвvc,
(6.9)
nвvc — число вагонов в составе и объем балласта в вагоне;
nр — число рабочих.
Число ездок состава
nезд =
vб
vc
,
(6.10)
где vб — общий объем балласта на участке строительства.
При использовании одного состава потребное время на баллас
тировку
(6.11)
потрtб = tобnезд.
Потребное число составов
nc =
t
потр б
t
.
(6.12)
выд б
517
Если nc значительно (на 0,2 и более) отличается от целого числа,
необходимо изменить число вагонов в составе.
Дозировка балласта как самостоятельная операция выполняется
после его выгрузки из полувагонов или разгрузки с платформ. Дози
ровку балласта можно вести электробалластерами ЭЛБ3, ЭЛБ3М,
ЦНИИСУРМ3, ЭЛБ3ТС, консольными балластерами КБ2, мо
бильным путеподъемником МПП5, тракторным дозировщиком
ТДГ1, тракторным тягачемдозировщиком ТТД1 и навесным до
зировщиком балласта УПМ14 универсальной путевой машины на
базе трактора Т158. Последние три машины имеют комбинирован
ный ход, что позволяет им перемещаться как по железной дороге,
так и грунтовой.
При неравномерной выгрузке балласта дозировку выполняют за
два прохода машины. При первом проходе балласт дозаторами пе
ремещается с мест, где его избыток, на место, где его недостает. При
втором проходе балласт равномерно дозируется в путь. При равно
мерной выгрузке балласта достаточно одного прохода. При выгруз
ке балласта из хоппердозаторов ЦНИИДВЗ дополнительная дози
ровка балласта не требуется. Скорость движения балластера при до
зировке балласта — до 15 км/ч. Обслуживает балластер бригада из
4 человек (машинист, помощник, два монтера пути).
Подъемка задозированного пути на балласт может быть выполне
на машинами непрерывного действия (объем работ более 70 км/год)
и точечного действия (при объеме работ от 30 до 70 км/год). К ма
шинам непрерывного действия относятся все упомянутые ранее типы
электробалластеров. К машинам циклического (точечного) действия
относятся МПТС1, ПРМ1ПГМ, ПРМ2 и универсальная путевая
машина с блоком подъемки пути УПМ16. При годовых объемах
работ менее 30 км целесообразно применять несамоходные мотор
ные двухниточные домкраты. А при годовых объемах работ менее
10 км — обыкновенные гидравлические домкраты. Часто к механиз
му подъемки добавляют устройство для рихтовки пути.
При подъемке пути машинами точечного действия одну рельсо
вую нить вывешивают по высотным кольям через 2 м в местах пере
лома профиля и через 5...6,25 м в прочих местах, а вторую — по уров
ню относительно первой, для чего используют прибор ПРП и уни
версальный шаблон ЦУП. Поднятый путь закрепляют подбивкой 2—
3 маячных шпал.
518
Машина ПРМ1ПГМ снабжена электрическим генератором, к
которому и подключают ручные электрошпалоподбойки. Она имеет
также подъемноповоротную пяту и приспособление, позволяющее
убирать машину с пути для пропуска поездов по участку работ. Об
служивает машину один человек. Максимальная величина подъем
ки и рихтовки — 300 мм. Максимальная скорость передвижения ма
шины самоходом — 30 км/ч.
Моторный подъемник МПТС1 (рис. 6.14) поднимает рельсо
шпальную решетку (РШР) на высоту до 400 мм, скорость пере
движения: транспортная — до 42 км/ч, рабочая — до 7 км/ч. Время
цикла машины, включая подбивку маячных шпал и перемещение на
6,25 м к следующей стоянке, составляет 3,61 мин. Состав рабочего
звена — 9 человек (2 машиниста и 7 монтеров пути).
Подъемку пути с применением несамоходного моторного двух
ниточного домкрата выполняет бригада, состоящая из машиниста
и 7 монтеров пути. Норма затрат труда на 1 км пути составляет:
124 (песчаный), 136 (гравийный), 156 (щебеночный балласт) чел.ч.
Вес домкрата 420 кг. На путь домкрат устанавливают краном дрези
ны или вручную.
Наибольшая высота подъемки навесным блоком УПМ16 на базе
трактора Т158 составляет 200 мм. Одновременно подбивают 1 шпалу.
Производительность при подъемке на маячные шпалы — до 150 м/ч.
Обслуживающий персонал — 2 человека. Транспортная скорость —
до 40 км/ч, рабочая — до 1,7 км/ч. Время, затрачиваемое на монтаж и
демонтаж навесного блока УПМ16 на базовый тягач, не превышает
Рис. 6.14. Подъемочнорихтовочная машина МПТС1: 1 — ходовая рама;
2 — каркас; 3 — рабочий орган; 4 — силовая установка; 5 — опорный башмак
(показан в поднятом положении); 6 — рельсовые захваты
519
0,8 ч. Более совершенной является созданная в последние годы подъе
мочнорихтовочная машина.
Подъемные машины непрерывного действия отличаются более
высокой производительностью и имеют специальное захватное уст
ройство в виде мощных электромагнитов (ЭЛБ3, ЭЛБ3ТС и др.
электробалластеров) или гусеничных рельсовых захватов (МПП5),
обеспечивающее удержание РШР в приподнятом положении в про
цессе движения машины.
Электробалластеры на рельсовом ходу перемещаются локомоти
вом и выполняют дозировку, подъемку и рихтовку пути. Производи
тельность при дозировке и подъемке пути — до 10 км/ч, при рихтов
ке пути — до 4 км/ч.
Мобильный путеподъемник МПП5 передвигается с помощью
трактора Т130, оборудованного генератором и ходоуменьшителем.
Максимальная высота подъемки — 250 мм, максимальная величина
поперечной сдвижки 225 мм. Максимальная рабочая скорость 3 км/ч.
Транспортная скорость по автодороге 30 км/ч, по железной дороге
10 км/ч. Техническая производительность при подъемке пути —
600 м/ч. Время перевода подъемника с железнодорожного на пневмо
ход и обратно — от 1 до 1,5 ч. Обслуживающий персонал — 3 человека.
Подъемку пути выполняют, как правило, за 3 приема. Вначале путь
поднимают на песчаный балласт. Подъемку пути на щебень при тол
щине слоя не менее 25 см выполняют за два приема: при первом про
ходе балластера путь поднимают примерно на половину высоты, при
втором — до проектных отметок. Запас на осадку — 20 % от толщи
ны слоя балласта.
В конце участка подъемки пути устраивают отвод с уклоном не
круче 5 ‰. Для более эффективного использования локомотива к
балластному составу прицепляют электробалластер, а выгрузку бал
ласта и подъемку пути ведут одним локомотивом.
Рихтовка пути (выправка пути в плане) выполняется теми же ма
шинами, что и подъемка пути. При постановке пути на ось с устра
нением углов в плане машиной ПРМ1ПГМ норма использования
машины — 2,6 маш.ч на 1 км пути. Максимальная величина сдвиж
ки при грубой рихтовке — 300 мм, при чистовой рихтовке — 150 мм.
При рихтовке пути навесным блоком УПМ13 (рис. 6.15) на трак
торе Т158 величина сдвижки пути составляет 150 мм, а норматив
ное время использования машины — 2,15 маш.ч/км.
520
Рис. 6.15. Схема навесного блока для чистовой рихтовки пути к трактору Т158:
1 — анкерный блок; 2 — захватное устройство; 3 — подштопочное устройство;
4 — электрооборудование; 5 — балка; 6 — каретка; 7 — тележка; 8 — механизм
корректировки блока; 9 — тяга; 10 — механизм задней точки хорды; 11 — меха
низм корректировки вилки
После подъемки пути на балласт выполняют сплошную подбивку
шпал (уплотнение балласта) уплотнительными машинами непрерыв
ного действия (ВПО3000, ВПО33000, ВПО4 и ПМ400) и маши
нами циклического действия (ВПР1200, ВПРС500, ШПМ02,
ШПМА4К, УПМ16 и др.). Производительность машин при
уплотнении балласта следующая: ВПО4000 — 2 км/ч, ПМ400 — от
0,4 до 1,1 км/ч, ВПР1200 — до 1200 шпал/ч, ВПРС500 — до
500 шпал/ч или 1 стрелочный перевод в час, ШПМ02 — до 350 шпал/ч,
ШПМА4К — до 350 шпал/ч (при полуавтоматическом режиме
работы), до 400 шпал/ч (при автоматическом режиме работы),
УПМ16 — до 120 м/ч (при одновременной подъемке пути и сплош
ной подбивке шпал).
Машины ВПО4, ВПР1200 и ВПРС500 оборудованы автомати
ческим устройством для выправки пути. Машина ВПО4 непрерыв
ного действия, ВПР1200 — циклического действия. Она имеет два
подбивочных блока по 16 подбоек и одновременно подбивает две
шпалы. Машина ВПРС500 предназначена для работы на станци
онных путях и стрелочных переводах, имеет два блока по четыре под
бойки, за один цикл подбивает одну шпалу. Машина непрерывно
го действия ПМ400 смонтирована на базе гусеничного трактора
Т130Г1 с комбинированным ходом, приспособленным для движе
ния по рельсовому пути и по грунтовым дорогам. Подбивочные бло
ки машины аналогичны подбивочным блокам ВПО4000. Толщина
балласта под шпалой для нормальной работы машины должна быть
не менее 15 см.
521
Однако до последнего времени еще не созданы такие уплотни
тельные машины, которые обеспечивали бы безосадочную работу
пути. Многочисленными исследованиями установлены нормы об
катки пути (СНиП 3201—95), которые для главного пути состав
ляют: при уплотнении балласта машиной ВПО — 100 тыс. т, при
уплотнении балласта машинами циклического действия — 150 тыс. т,
при уплотнении балласта ручными электрошпалоподбойками —
200 тыс. т груза брутто.
Комплексную механизацию процесса балластировочных работ
можно обеспечить при использовании УПМ1 с комплектом навес
ного оборудования, включающего: блок очистки пути УПМ11, блок
чистовой рихтовки пути УПМ13, навесной дозировщик балласта
УПМ14, блок для перегонки шпал по меткам и разгонки стыковых
зазоров УПМ15, блок подъемки и подбивки пути УПМ16. При
этом время на монтаж и демонтаж одного блока на базовый тягач
Т158 не превышает 1 ч. Согласно типовой технологической карте
балластировка 1 км пути (Р65, шпалы деревянные 1840 шт./км в пря
мых и 2000 шт./км в кривых, балластная призма двухслойная: песок
20 см, щебень 25 см) с использованием одного комплекта оборудо
вания и двух базовых тягачей потребует 11,3 смены, а при использо
вании одного базового тягача — 19,3 смены.
Укладку стрелочных переводов ведут на спланированный и уп
лотненный балласт. Однако при одновременной укладке блоков
стрелочных переводов со звеньями главного пути, а также при за
мене участков пути стрелочными переводами при переустройстве
станций выгрузку балласта из хоппердозаторов сначала ведут от
крестовины по боковому пути, а затем по прямому. Подъемку стре
лочного перевода на балласт выполняют с помощью моторного пу
теподъемника МПТС или гидравлических домкратов. Сначала пе
ревод устанавливают на маячные брусья (5—7 по каждому направ
лению), а затем проводят его сплошную выправку и подбивку в на
правлении от стрелки к крестовине. Выправку и подбивку
стрелочных переводов целесообразно вести с применением маши
ны ВПРС500. Норма затрат труда на балластировку одиночного
стрелочного перевода марки 1/11 и 1/9 с рельсами Р65 на щебеноч
ном балласте с применением гидравлических домкратов и электро
шпалоподбоек — 78,2 чел.ч, на песчаном балласте — 51,9 чел.ч.
Состав звена — 9 чел.
522
Балластировку пути ведут в теплое время года, поскольку влаж
ность песчаного и гравийного балласта, как правило, превышает
6 %. При отрицательных температурах балласт с такой влажностью
смерзается как в пути, так и в транспортных средствах. При необхо
димости проведения балластировки пути в зимний период заготов
ленный в карьерах балласт необходимо перелопачивать с помощью
экскаватора или бульдозера, а балластировку вести при температу
рах ниже 10—15 оС. При перепаде температуры в процессе баллас
тировки для предотвращения примерзания балласта к стенкам ваго
нов их смазывают тонким слоем мазута, нефти, раствором техни
ческого хлористого кальция или натрия, покрывают пенопластом или
полимерными мастиками. На участке балластировки земляное по
лотно должно быть очищено от снега. Подъемку и выправку пути
ведут сразу (без разрыва по времени) за выгрузкой балласта. При пер
вых заморозках во избежание прочного примерзания шпал перио
дически отрывают их от земляного полотна электробалластером или
точечными путеподъемниками. Просадки и перекосы на забаллас
тированном пути выправляют с помощью деревянных карточек и
нашпальников. Весной после оттаивания балласта производят вып
равку пути с удалением установленных зимой карточек и нашпаль
ников.
6.4. Выправка и отделка пути
Выправка пути имеет целью устранение отступлений от норм со
держания пути, обеспечивающих безопасный пропуск поездов. Нор
мы содержания пути в период его сооружения и эксплуатации уста
новлены СНиП 3201—95 и зависят от допускаемых скоростей дви
жения поездов (табл. 6.3)
Таблица 6.3
Требования к содержанию пути в период временной эксплуатации
523
Окончание табл. 6.3
Примечание. Отводы отклонений по ширине колеи должны быть не более
3 мм/м при скорости до 15 км/ч, 2 мм/м — от 15 до 20 км/ч, 1 мм/м — свыше
25 км/ч. По возвышению наружного рельса в переходных кривых соответствен
но 3 мм/м, 2 мм/м и 1 мм/м, по уровню — 4 мм/м.
Выправку пути проводят после каждой подъемки на балласт, по
мере необходимости в период рабочего движения поездов и времен
ной эксплуатации, перед сдачей пути во временную и постоянную
эксплуатацию.
Выправка представляет собой комплекс регулировок положения
рельсовой колеи в плане и профиле, расположения шпал и стыков
рельсов, размеров стыковых зазоров и т.д.
При значительных годовых объемах работ выправку пути ведут
выправочноподбивочноотделочными машинами: ВПО3000,
ВПО33000 или ВПО4. Машина ВПО33000, в отличие от
ВПО3000, имеет более мощные механизмы подъемки и сдвижки
пути. Производительность машины 2000 м/ч против 1600 м/ч у ма
шины ВПО3000. Машина ВПО4 в отличие от ВПО33000 обеспе
чивает более высокое качество подбивки за счет регулирования по
токов балласта в зоне уплотнения и автоматического управления уси
лием обжатия балласта. Машина ВПО4 самоходная, рама ее опира
ется на две двухосные приводные тележки.
При объеме выправки менее 70 км/год применяют самоходную
выправочноподбивочнорихтовочную машину циклического дей
ствия ВПР1200 производительностью 900—1200 шпал/ч, обеспечи
вающую точность выправки пути: по плавности продольного про
филя — до 1 ‰, по уровню — до 2 мм, по рихтовке — до 2 мм (раз
524
ность двух смежных стрел изгиба на расстоянии 5 м измеряется в
центре двадцатиметровой хорды).
Для выправки стрелочных переводов применяют ВПРС500. Ма
шина самоходная, оборудована двумя подбивочными блоками, каж
дый из которых предназначен для подбивки одной полушпалы. Каж
дый блок имеет возможность перемещаться в поперечном направ
лении, а подбойки — поворачиваться поперек пути на угол до 15о в
сторону рельса и на угол до 86о — от него. Управление блоками авто
номное. Применение машины ВПРС500 по расчетам ВПТИТРАН
СТРОЙ позволяет сократить затраты труда на 27,74 чел.дн./км в
сравнении с выправкой пути комплектом машин МПТС1, ШПМ02 —
гидравлические рихтовщики.
Для выправки пути применяют также уже описанные машины,
предназначенные для выполнения отдельных или ограниченного
числа операций. Например, комплект машин: ПРМ1ПГ для рих
товки и подъемки пути; ручные электрошпалоподбойки, подклю
чаемые к генератору ПРМ1ПГ, для подбивки маячных шпал;
ШПМА4К для сплошной подбивки шпал; РШР 20/100 — прицеп
ной агрегат к ПРМ1ПГ для установки шпал по меткам и регулиров
ки стыковых зазоров; блок очистки пути на базе трактора Т158.
Могут также применяться любые другие машины (ВПРМГ, ПРАД1,
Р2000) отечественного и зарубежного производства.
При небольших объемах работ, отсутствии нужных машин, а так
же в тех случаях, когда через участок выправки пути необходимо про
пускать рабочие машины и поезда, целесообразно выправку пути ве
сти с использованием ручного электрического и гидравлического ин
струмента: гидравлических домкратов с ручным приводом ПДР8,
грузоподъемностью 8 т, массой 21,8 кг с высотой подъема 200 мм, а
для подъема пути и стрелочных переводов с железобетонными шпа
лами и брусьями — домкрат ДРН10/15 грузоподъемностью 15 т; рих
товочных приборов ГР12Б с ручным приводом, массой 15 кг, ход
штока — 100 мм, усилие — 60 кН; электрошпалоподбоек ЭШП9 или
ЭШП9М со сменными подбивочными полотнами, массой 19 кг;
бензоэлектрические агрегаты АБ2Т230ВПМ3Ж массой 110 кг или
АБ4Т230ВПМ3Ж массой 140 кг, напряжением 220 и 380 В и час
тотой 50 Гц; гидравлических разгоночных приборов РН03 массой
78 кг с распорным усилием 2450 Н и кодом штока 150 мм для разгон
ки и регулировки стыковых зазоров.
525
Выправка пути детально изучается в курсе «Технология, механи
зация и автоматизация путевых работ».
6.5. Техника безопасности и контроль качества
при строительно=путевых работах
При строительнопутевых работах на сравнительно коротком уча
стке сосредотачивается большое число машин и людей. Машины,
рабочие органы машин, люди все время находятся в движении на
ограниченном фронте работ. Работающие машины и механизмы со
здают шум и вибрацию. Формируется ситуация повышенной опас
ности, требующая строгого соблюдения правил техники безопасно
сти. При этом руководитель работ несет полную ответственность как
за безопасность труда работающих, так и за безопасность движения
машин и поездов.
При выполнении строительнопутевых работ необходимо соблю
дать требования: СНиП III4—80 «Техника безопасности в строитель
стве»; Инструкции по обеспечению безопасности движения поездов
при производстве путевых работ, ЦП/4402; Инструкции по движе
нию поездов и маневровой работе на железных дорогах Российской
Федерации, ЦД206; Инструкции по сигнализации на железных до
рогах Российской Федерации; Правила технической эксплуатации
железных дорог Российской Федерации, ЦРБ162; Правила техни
ки безопасности и производственной санитарии при производстве
работ в путевом хозяйстве, ЦП3376.
Все машинисты должны иметь при себе удостоверения на право
управления соответствующими машинами, строго выполнять тре
бования инструкций по эксплуатации этих машин.
Запрещается приступать к работе до ограждения места работ соот
ветствующими сигналами, которые могут быть сняты только после
окончания работ, проверки состояния пути и соблюдении габарита.
Доставлять рабочих к месту работ разрешается только в приспо
собленном для этих целей подвижном составе. Нельзя перевозить
людей вместе с конструкциями и материалами верхнего строения пути.
Все операции с машинами и механизмами должны выполняться
только по команде руководителя работ. При каждом трогании ма
шины с места машинист обязан подавать звуковой сигнал.
При работе с путеукладочным краном запрещается находиться на
поднимаемом или опускаемом звене, под ним или сбоку на расстоя
526
нии менее 1 м, между пакетами звеньев во время транспортирова
ния или перетяжки, стоять на расстоянии менее 10 м от каната ле
бедки при перетягивании ею пакета звеньев. Крайняя платформа,
на которую перетягивается пакет звеньев, должна иметь ограждение
из шпал. исключающее сход пакета с платформы. Во время перетяж
ки нельзя снимать межпакетные соединения. При следовании путе
укладчика к месту работ и обратно запрещается машинистам крана
и моторной платформы находиться на боковых сиденьях. Операция
по сболчиванию стыков допускается не ближе 25 м от последней
платформы головной части укладочного поезда.
Выгрузка балласта из подвижного состава допускается в светлое
время суток или при соответствующем освещении. Во время выг
рузки люди не должны находиться на тормозных площадках, под
ножках вагонов, подлезать под вагоны, подготовленные к разгруз
ке, находиться внутри них при выгрузке балласта и пролезать внутрь
вагонов через откидные люки. После выгрузки балласта из думпка
ров, полувагонов и платформ необходимо очистить габарит подвиж
ного состава и закрыть люки.
Перед началом дозировки и подъемки пути балластерами из зоны
работы должны быть удалены все мешающие предметы, а препят
ствия — ограждены соответствующими сигнальными знаками. Лю
дям находиться ближе 5 м от рельса запрещается.
При подъемке путевой решетки машинами точечного действия
обслуживающему персоналу запрещается находиться на рабочих орга
нах машины и на поднимаемом звене. При следовании путевых ма
шин в нерабочем состоянии все узлы рабочих органов должны нахо
диться в транспортном положении и быть надежно закреплены. Дав
ление в гидросистеме должно соответствовать допустимому. При не
исправном манометре работать запрещается. Во время стоянки и при
запуске двигателя машина должна быть поставлена на тормоза. Пе
ред запуском двигателя и опробованием тормозов необходимо убе
диться в отсутствии людей в рабочей зоне машины. Нельзя произво
дить осмотр и ремонт машины при работающем двигателе. Нельзя
перевозить и хранить на машине легковоспламеняющиеся вещества
и пользоваться открытым огнем. Нельзя останавливать машину на
мостах и в других местах, препятствующих тушению пожара.
Аналогичные требования следует соблюдать при работе уплотни
тельных, рихтовочных и выправочных машин.
527
Контроль качества работ при сооружении верхнего строения пути
осуществляется при выполнении каждой операции непосредствен
но исполнителями и руководителями работ в соответствии с разра
ботанными институтом ВПТИТРАНСТРОЙ картами пооперацион
ного контроля, в которых указывается, что, как, чем, когда и кем
должно контролироваться, а также размеры допускаемых отклоне
ний от установленных норм. Важным условием получения высокого
качества верхнего строения пути является строгое соблюдение тех
нологии производства работ.
Глава 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
7.1. Основные понятия автоматизации
Автоматизация — это этап развития машинного производства.
Она призвана не только освободить человека от выполнения тяже
лого физического труда, но и помочь ему в управлении производ
ственными процессами.
Если механизация представляет собой замену физического труда
(мускульной энергии) энергией машин и механизмов, то автомати
зация — более высокий уровень механизации, при котором функ
ции управления технологическими процессами выполняются авто
матическими устройствами. Таким образом, автоматизация не толь
ко механизирует труд, но и управляет трудом.
Автоматизация позволяет управлять технологическими процес
сами, в которых участие человека невозможно изза отдаленности
объекта либо опасно для здоровья или жизни (ядерные или хими
ческие технологии и т.п.). Кроме того, автоматизация резко повы
шает точность и скорость протекания технологических процессов.
Новое качество автоматизация приобрела с появлением ЭВМ. Вклю
чение ЭВМ в системы автоматики позволило быстро перерабаты
вать и анализировать получаемую информацию о протекании тех
нологических процессов и принимать соответствующие управлен
ческие решения в автоматизированном режиме.
В строительных технологических процессах автоматизация име
ет существенную специфику. Непрерывное изменение условий ра
боты строительных машин делают невозможным программное уп
равление их технологическими процессами и системы автоматики
используются для физической и психологической разгрузки маши
нистов строительных машин в процессе выполнения ими рабочих
операций.
529
Автоматизация производственных процессов нашла широкое
применение в заводской технологии изготовления строительных
конструкций и деталей.
Автоматизация может быть частичной или комплексной. Частич!
ная автоматизация предполагает автоматизацию работы лишь от
дельных машин и агрегатов, участвующих в едином технологичес
ком процессе.
Комплексная автоматизация предусматривает осуществление тех
нологического процесса без участия человека, обеспечивая при этом
наилучшие техникоэкономические показатели, повышение каче
ства продукции, лучшее использование сырья и материалов, умень
шение численности персонала.
Автоматизация технологических процессов может быть реализова
на в виде автоматического регулирования, контроля или управления.
Автоматическим регулированием называется поддержание посто
янной или изменение по заданному закону некоторой величины,
характеризующей протекающий технологический процесс, осуще
ствляемое при помощи измерения состояния объекта и воздействия
на регулирующий орган объекта.
Под автоматическим управлением техническими системами пони
мается автоматическое осуществление совокупности воздействий,
выбранных из множества возможных на основании определенной ин
формации и направленных на поддержание или улучшение функцио
нирования управляемого объекта в соответствии с целью управления.
Задачи регулирования входят в состав задач управления.
Кроме того, задачи автоматического управления охватывают та
кие вопросы, как самонастройка системы управления в соответствии
с изменением параметров объекта или внешних воздействий, воп
росы формирования оптимальных управляющих воздействий, авто
матического выбора наилучших режимов из нескольких возможных
и другие, не входящие в круг задач автоматического регулирования.
Автоматизированные процессы независимо от того, с какими
объектами они связаны, всегда протекают по следующей схеме:
восприятие информации о состоянии управляемого процесса с
помощью чувствительных приборов — датчиков;
преобразование информации к виду, удобному для передачи на
расстояние;
передача информации по каналам связи;
530
выработка решения и преобразование его в управляющий сигнал;
включение исполнительных механизмов.
7.2. Технические средства автоматизации
7.2.1. Датчики
Автоматизированные системы управления технологическими
процессами состоят из отдельных элементов, выполняющих опре
деленные функции.
По характеру выполняемых функций элементы подразделяются
на датчики, усилители и исполнительные устройства.
Датчики — чувствительные элементы (ЧЭ) служат для измерения
анализируемого параметра и преобразования контролируемой вели
чины в такой вид сигнала, который удобен для измерения.
Контролируемым параметром может быть температура в пропа
рочной камере завода железобетонных конструкций, угол наклона
отвала автогрейдера при нарезке сливной призмы земляного полот
на, напряжения и деформации в конструкциях зданий, сооружений,
в элементах технологического оборудования и т.д.
На вход датчика могут поступать как
электрические, так и неэлектрические
сигналы. С помощью преобразователя
(ПР) неэлектрические сигналы преобра
зуются в электрические. Структура дат
Рис. 7.1. Структура датчика:
чика показана на рис. 7.1.
х — контролируемая величи
По физическому принципу датчики на; у — электрический сигнал
могут быть электрические, механичес
кие, тепловые, гидравлические, акустические, оптические, радио
активные и т.д.
Основными характеристиками датчика являются статистическая
характеристика, чувствительность датчика и порог чувствительности.
Статистическая характеристика отражает функциональную за
висимость выходной величины у от входной величины х: y = f(x). По
статистической характеристике определяется чувствительность дат!
чика, т.е. степень изменения выходной величины в зависимости от
изменения входной: S = ∆y/∆x. Порог чувствительности датчика —
это наименьшее изменение входной величины, вызывающее замет
ное изменение выходной величины.
531
Наибольшее распространение в системах автоматики получили
электрические датчики, которые представлены двумя большими
группами: параметрические и генераторные.
Параметрические датчики служат для преобразования неэлектри
ческого контролируемого параметра в параметры электрической
цепи (сопротивление, сила тока и т.п.), получая при этом электро
энергию от вспомогательного источника питания.
Генераторные датчики предназначены для преобразования неэлек
трического контролируемого параметра в электродвижущую силу
(ЭДС). Эти датчики сами являются источником питания. Приме
ром такого датчика может служить термопара.
Параметрические датчики. Параметрические датчики активного
сопротивления наиболее распространены в системах автоматики и
телемеханики. К ним относятся контактные датчики, реостатные и
потенциометрические, тензодатчики и терморезисторы.
Контактные датчики. Контактным называется датчик, в котором
механическое перемещение контролируемого параметра преобразу
ется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляю
щих электрической цепью (или несколькими цепями). На рис. 7.2
изображен контактный датчик (нормальное положение контак
тов — разомкнутое), который может использоваться при контроле
толщины изготовляемых железобетонных конструкций на конвей
ерных линиях заводов ЖБИ и при других аналогичных технологиях.
На рис.7.3 представлен контактный датчик для контроля уровня
сыпучих и жидких материалов (цемента, инертных газов и воды в
емкостях бетоносмесительного узла (БСУ) завода ЖБИ, уровня топ
лива и других жидкостей в строительных машинах и т.п.). Нормаль
ное положение контактов — замкнутое.
Рис. 7.2. Контактный датчик типа I: 1 — изготовляемая конструкция; 2 — кон
такты; 3 — щуп
532
Рис. 7.3. Контактный датчик типа II: 1 — сыпучий материал или жидкость;
2 — контакты; 3 — щуп
К достоинствам контактных датчиков относятся простота конст
рукции и достаточно высокая точность измерения.
Реостатные и потенциометрические датчики. Этот тип датчиков
служит для преобразования углового или линейного перемещения в
электрический сигнал и представляет собой обычный реостат, т.е.
датчик выполнен в виде переменного сопротивления, подвижный
контакт которого механически связан с преобразуемым элементом.
Ползунок реостата перемещается под воздействием регулируемого
параметра.
Тензодатчики. В основу работы тензодатчиков положено свойство
материалов изменять свое электрическое сопротивление под дей
ствием приложенной к ним силы. Тензодатчики предназначены для
измерения деформаций в конструк
циях, материалах и деталях под воз
действием статической или дина
мической нагрузки.
В настоящее время наиболее
широкое применение имеют полу
проводниковые тензодатчики на
основе германия или кремния.
В простейшем виде тензодатчик
представляет собой отрезок тонкой
Рис. 7.4. Устройство проволочно
проволоки диаметром 0,02...0,5 мм,
го тензодатчика: 1 — проволока;
которая зигзагообразно наклеива
2 — пленочная основа; 3 — вывод
ется на тонкую пленочную основу.
ные провода для включения в схе
Сверху проволока также закрывает
му; 4 — контролируемая деталь
или конструкция
ся пленкой (рис. 7.4).
533
При деформации конструкции (растяжении или сжатии), вели
чина которой является контролируемым параметром, происходит ра
стяжение или сжатие проволоки, что приводит к изменению ее дли
ны, площади поперечного сечения и удельного сопротивления ма
териала проволоки. Изменение удельного сопротивления фиксиру
ется соответствующими приборами, входящими в систему
автоматики.
Основными характеристиками проволочных тензодатчиков явля
ются номинальное сопротивление, длина решетки (база) и коэффи
циент тензочувствительности.
Благодаря тому, что проволочные тензодатчики имеют малые га
бариты (длина решетки 15...45 мм; ширина 7...10 мм) и малые мас
сы, они могут размещаться в самых труднодоступных местах детали.
Основным достоинством проволочных тензодатчиков является
почти полное отсутствие их влияния на деформацию детали и низ
кая стоимость.
Фольговые датчики представляют собой дальнейшее развитие
проволочных тензодатчиков. В них вместо решетки из проволоки
применяется решетка из тонких полосок металлической фольги (тол
щиной несколько микрон), которая наклеивается на пленочную ос
нову. Конструкция решеток фольговых тензодатчиков могут иметь
различные конфигурации. Практически можно изготовить решетку
любого рисунка. В технике чаще применяются следующие конструк
ции решеток: прямая — для измерения линейных деформаций; розе!
точная — для измерения крутящих моментов на круглых валах; мем!
бранная — для измерения усилий, воздействующих на мембраны.
Терморезисторы. Терморезистор — это устройство, состоящее из
проводника или полупроводника, электрическое сопротивление ко
торого зависит от температуры окружающей среды.
В измерительной технике широко применяются терморезисторы
с теплочувствительным элементом в виде проводника. Материалом
для проводника служат медь, никель и платина. Такие терморезис
торы получили название термометров сопротивления. Последние ши
роко применяются в приборах для измерения температуры воздуха,
воды и масла.
Термометр сопротивления (рис. 7.5) представляет собой тонкую
медную, никелевую или платиновую проволоку 1, намотанную на
слюдяной или керамический каркас 2, который затем для защиты от
534
механических повреждений помещают
в металлический корпус. При измене
нии температуры окружающей среды
изменяется сопротивление термометра:
R1 = R0[1 + α(t – t0)],
(7.1)
где R1 — сопротивление термометра при тем
пературе t, Ом;
R0 — начальное сопротивление термомет
ра при температуре t0, Ом;
α — температурный коэффициент сопро
тивления, 1/oC;
t — температура в момент измерения, oC;
t 0 — начальная температура термомет
ра, oC.
Рис. 7.5. Упрощенная конст
рукция термометра сопротив
ления: 1 — проволока; 2 — ке
рамический каркас
С помощью термометров сопротивления можно измерять темпе
ратуру от –250 до +550 oC.
Платиновые термометры сопротивления могут также применять
ся для измерения скорости протекания газа, состава газа и концент
рации раствора.
Одной из разновидностей параметрических датчиков являются
датчики реактивного сопротивления, питающиеся от источника пе
ременного тока. К таким датчикам относятся индуктивные и емкост
ные.
Индуктивные датчики. Принцип действия индуктивных датчиков
основан на изменении индуктивного сопротивления электромагнит
ного дросселя при перемещении одной из его подвижных деталей.
Обычно такой подвижной деталью является якорь.
Датчики этого типа применяются для измерения малых угловых
и линейных механических перемещений, деформаций, управления
следящими системами в системах автоматического регулирования,
а также в системах автоматического контроля (например, контроль
за размерами изготовляемых деталей, конструкций и т.п.).
Емкостные датчики. Емкостный датчик в принципе есть не что
иное, как конденсатор, в котором емкостное сопротивление изме
няется при изменении регулируемой неэлектрической величины. Ем
кость конденсатора зависит от следующих параметров: расстояние
между пластинами — обкладками, площади этих пластин и диэлект
рической проницаемости постоянной среды между пластинами.
535
На рис. 7.6 приведены примеры простейших емкостных датчи
ков: при перемещении пластины 1 вверх (рис. 7.6, а) значение d уве
личивается, что приводит к уменьшению емкости датчика, и наобо
рот, емкость датчика увеличивается, если пластина 1 перемещается
вниз.
При повороте подвижной пластины 1 (рис. 7.6, б) по отношению
к неподвижной пластине 2 изменяется активная площадь пластин
конденсатора, что приводит к изменению его емкости.
Рис. 7.6. Емкостной датчик: а — с переменным расстоянием между пластина
ми; б — с переменной активной площадью пластин; 1 — подвижная пластина;
2 — неподвижная пластина
Для увеличения емкости конденсатора применяют многоступен
чатые емкостные датчики. Например, несколько датчиков распола
гаются один над другим и имеют подвижные пластины, укреплен
ные на одной общей оси.
Генераторные датчики. К генераторным датчикам относятся тер
моэлектрические, пьезоэлектрические и тахометрические дат
чики.
В термоэлектрических датчиках, представителями которых явля
ются термопары, при изменении температуры образуется термоэлек
тродвижущая сила (термоЭДС).
Это явление заключается в том,
что если соединить концы двух
разнородных по материалу про
водников и места соединений по
местить в среды с различными
Рис. 7.7. Схема термопары: 1 и 2 — раз температурами t1 и t2 (рис. 7.7), то
нородные по материалу проводники в цепи термопары появляется
536
термоЭДС, которая будет тем больше, чем больше разность темпе
ратур концов термопары t1 – t2.
Конец термопары, находящийся в условиях переменной темпе
ратуры t1, называется рабочим концом, а конец термопары, находя
щийся при постоянной температуре t2, называется свободным кон
цом. Проводники 1 и 2 называются термоэлектродами. Термоэлект
роды соединяют между собой пайкой или сваркой. Материал тер
моэлектродов — чистые металлы (медь, железо, никель, вольфрам,
золото) или сплавы (нихром, константан и т.д.).
В настоящее время выпускают термопары, изготовленные из по
лупроводниковых материалов, которые имеют ЭДС в десятки раз
большую, чем металлические термопары.
В системах автоматики термоэлектрические датчики применяют
для измерения температуры технологического процесса.
Пьезоэлектрические датчики. Такие датчики находят свое при
менение для измерения быстротекущих процессов. Например, из
мерение давления в двигателях внутреннего сгорания и в других слу
чаях, когда необходимо регистрировать мгновенные удары. Пьезо
электрические датчики основаны на пьезоэлектрическом эффекте,
т.е. имеет место образование на гранях своих поверхностей элект
рических зарядов при воздействии на эти поверхности механичес
ких нагрузок. В качестве материалов для пьезоэлектрических дат
чиков используют как природные минералы (кварц и турмалин),
так и искусственные (сегнетовая соль и сегнетоэлектрики на ее ос
нове).
Тахометрические датчики. К тахометрическим датчикам относятся
тахогенераторы, представляющие собой маломощные электричес
кие машины, преобразующие механическое вращение в электричес
кий сигнал и служащие в качестве электрических датчиков угловой
скорости. Напряжение в тахогенераторе пропорционально частоте
вращения его якоря. В зависимости от вида выходного напряжения
и конструкции тахогенераторы могут быть постоянного и перемен
ного тока.
Главное требование к тахогенераторам — точность преобразова
ния механического вращения в электрическое напряжение.
Проф. К.С. Исаевым дана классификация датчиков, применяе
мых в строительстве, которая приведена в табл. 7.1.
537
Таблица 7.1
Классификация датчиков, применяемых в строительстве
538
Окончание табл. 7.1
539
7.2.2. Усилительные устройства автоматики
В автоматике выходной сигнал датчика используется для приве
дения в действие исполнительного устройства автоматической сис
темы. Однако очень часто мощность выходного сигнала датчика не
достаточна, и ее поэтому необходимо усиливать. Эффект усиления
по мощности осуществляется в усилителях за счет энергии вспомо
гательного источника.
В зависимости от вида вспомогательного источника энергии уси
лители можно разбить на следующие группы: электрические, гидрав!
лические, пневматические и комбинированные.
Чаще всего применяются электрические усилители, которые мож
но разделить на две большие подгруппы: усилители, не содержащие
подвижных частей (электронные, полупроводниковые, тиратронные,
магнитные), и усилители, содержащие подвижные части (электро
машинные).
К основным характеристикам усилителей относятся:
– коэффициент усиления;
– мощность, потребляемая от вспомогательного источника энергии;
– выходная мощность;
– коэффициент полезного действия (КПД);
– быстродействие (значение постоянной времени).
Усилители могут быть одно и многокаскадными, которые соби
рают из отдельных каскадов для получения необходимой выходной
мощности сигнала.
Коэффициент усиления, например, для электрических усилите
лей, показывает, во сколько раз мощность, ток или напряжение на
выходе усилителя больше мощности, тока или напряжения на его
входе. Различают коэффициенты усиления по мощности Кр, по току
KI и по напряжению Кu, которые соответственно равны:
Kp =
Pвых
Pвх
; KI =
I вых
I вх
; Ku =
U вых
U вх
.
Мощность, потребляемая от вспомогательного источника энер
гии, выходная мощность и КПД определяют энергетические свой
ства усилителя.
Быстродействие усилителей оценивается по их динамическим ха
рактеристикам (временнûм или частотным). Усилители магнитные,
540
электромашинные, гидравлические и пневматические имеют мень
шее быстродействие, чем электронные и полупроводниковые уси
лители. Например, значение постоянной времени электронного уси
лителя равно 10–6...10–10 с, а пневматического усилителя 1...10–1 с.
Электронные усилители, применяемые в системах автоматики,
могут быть двух типов: усилители постоянного тока и усилители пе
ременного тока.
Электронные усилители чаще применяются в следящих системах,
так как перед другими видами усилителей они имеют ряд преиму
ществ: возможность получения больших коэффициентов усиления,
большое быстродействие, усиление очень малых сигналов, отсут
ствие подвижных частей, высокая стабильность характеристик, воз
можность непосредственного согласования с другими видами уси
лителей, широкий диапазон усиливаемых частот.
К недостаткам электронных усилителей можно отнести неболь
шую механическую прочность, малую надежность, малый срок служ
бы, низкий КПД.
Как правило, мощность электронных усилителей составляет от
десятых долей ватта до нескольких десятков ватт.
В автоматике, например в следящих системах, наиболее распрос
траненными являются полупроводниковые усилители, имеющие
следующие преимущества: высокая надежность и долговечность,
вибро и ударостойкость, малые размеры и масса, мгновенная го
товность к работе, экономичность.
К недостаткам полупроводниковых усилителей относятся: боль
шой разброс параметров, зависимость параметров и характеристик
от температуры окружающей среды, малое входное и большое вы
ходное сопротивление. Для построения полупроводниковых усили
телей используются полупроводниковые триоды и тиристоры. Обыч
но полупроводниковые триоды и тиристоры изготовляются из гер
мания или кремния с соответствующими примесями. Полупровод
никовые усилители выполняются мощностью от десятых долей ватта
до нескольких десятков ватт.
Тиратронные усилители применяются в автоматических системах
регулирования. Технические характеристики этих усилителей во
многом совпадают с техническими характеристиками электронных
усилителей. Основным преимуществом тиратронных усилителей по
сравнению с электронными усилителями является большая выход
541
ная мощность, которая получается за счет большего анодного тока.
Анодный ток для современных тиратронов колеблется от несколь
ких сотен миллиампер до нескольких сотен ампер. Увеличение анод
ного тока тиратрона возможно изза наличия ионизированного газа
в пространстве между анодом и катодом.
К недостаткам тиратронных усилителей относятся: большой раз
брос параметров и небольшая чувствительность, необходимость
предварительного прогрева катода тиратрона до подачи питания на
анод (время прогрева катода может составлять от 10 с до 40 мин).
Для построения тиратронных усилителей применяются паро или
газонаполненные трех или четырехэлектродные лампы.
В системах автоматики применяются комбинированные усили
тели, которые могут состоять из двухтрех или трехчетырех типов
усилителей. Такие комбинации дают возможность использовать до
стоинства каждого типа усилителя. При выборе комбинированного
усилителя учитываются следующие основные показатели: срок служ
бы, надежность в работе, мгновенная готовность к работе, масса и
габариты, выходная мощность для управления исполнительным дви
гателем, чувствительность и коэффициент усиления, а также потреб
ляемая усилителем мощность.
Достаточное распространение получили такие комбинированные
усилительные системы, как электроннотиратронные, электронно
магнитные, полупроводниковомагнитные и др.
7.2.3. Исполнительные устройства автоматики
Исполнительные устройства предназначены для непосредственно
го воздействия на управляемый объект или его органы управления.
Исполнительные устройства, применяемые в системах автомати
ки, очень разнообразны. По физической природе они делятся на
электрические, гидравлические, пневматические, механические и
комбинированные.
По конструкции различают электродвигательные, электронные,
электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные
исполнительные устройства.
Управление исполнительными устройствами осуществляется, как
правило, через усилители мощности. Помимо того, непосредствен
но к исполнительному устройству может подводиться энергия от
дополнительного источника.
542
Исполнительные устройства должны удовлетворять следующим
требованиям:
– их мощность должна превосходить мощность, необходимую для
приведения в движение объекта управления или его органов во всех
режимах работы;
– статистические характеристики исполнительных устройств дол
жны быть по возможности линейными и иметь минимальную зону не
чувствительности, т.е. такую зону, в пределах которой изменение уп
равляющего сигнала не вызывает перемещение управляемого органа;
– достаточное быстродействие;
– простота и экономичность регулирования выходной величины;
– малая потребляемая мощность.
В качестве исполнительных устройств в системах автоматики в
основном применяются электромагнитные реле, электромагниты,
электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели
переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и порш
невые, гидравлические и пневматические двигатели и др.
Широкое распространение получили электрические исполни
тельные устройства, т.е. устройства, преобразующие энергию элект
рического тока в механическую энергию с целью воздействия на
объект управления.
Электрические исполнительные устройства делятся на электро!
магнитные и электродвигательные. К электромагнитным устройствам
относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные
вентили и клапаны, электромагнитные муфты, а к электродвигатель
ным — двигатели постоянного и переменного тока и шаговые (им
пульсные).
Электромагнитные исполнительные устройства, основным эле
ментом которых является электромагнитный привод, как правило,
используются для поступательного перемещения органов управле
ния, а электрические двигатели — для поворотного.
7.3. Системы автоматического управления
7.3.1. Общие положения
Датчики, усилители и исполнительные устройства, взаимодей
ствуя между собой в период функционирования технологического
процесса, образуют систему автоматического управления (САУ).
543
Автоматическое управление предполагает обеспечение режима ра
боты машин и механизмов по заранее заданной программе без учас
тия человека. В этом случае обслуживающий персонал производит
лишь первоначальное включение объекта в работу, осуществляя в даль
нейшем надзор за ним, наладку и регулировку приборов автоматики.
САУ обеспечивает автоматическое изменение характеристик
объекта управления в соответствии с требуемыми (заданными) па
раметрами.
Различают непрерывные и дискретные САУ. В непрерывных сиг
налы рассогласования и управления передаются в виде плавно из
меняющейся величины, а в дискретных сигнал принимает ряд фик
сированных значений.
Обыкновенные САУ являются самыми массовыми.
7.3.2. Разомкнутые системы
Разомкнутые системы применяются для автоматизации техноло
гических процессов при выполнении операций по заданному зако
ну. Такими системами, например, являются системы автоматичес
кой защиты (САЗ) и системы автоматического контроля (САК).
САК предназначены в основном для объективной количествен
ной оценки физикохимических свойств твердых тел, жидкостей и
газов, проверки качества обработки изготовления деталей и т.п.
Автоматический контроль облегчает человеку наблюдение за хо
дом технологического процесса или состоянием механизмов и
оборудования. Главная задача автоматического контроля состоит в
освобождении человека от непрерывного наблюдения за происхо
дящим технологическим процессом. Автоматический контроль по
зволяет не только освободить человека от напряженной и изнури
тельной работы, но и повысить точность контроля.
Автоматический контроль по способу воздействия на контроли
руемый объект бывает пассивный и активный.
Пассивный контроль — это контроль параметров после оконча
ния технологического процесса и сравнение этих параметров с за
данными (эталонными) значениями. Такой контроль не оказывает
непосредственного воздействия на ход производственного процес
са. Например, контроль за геометрическими размерами изготовляе
мых строительных конструкций на конвейерной линии завода же
лезобетонных изделий.
544
Активный контроль параметров необходим с целью воздействия
на технологический процесс с автоматической корректировкой это
го процесса.
САК может быть единичной и множественной (контроль одного
или многих параметров), дистанционной и недистанционной.
7.3.3. Замкнутые системы
Отличительной особенностью замкнутой системы автоматичес
кого регулирования является наличие контура обратной связи.
Структурная схема замкнутой системы автоматического регули
рования (САР) показана на рис. 7.8.
Рис. 7.8. Структурная схема замкнутой САР
Автоматическое регулирование заключается в поддержании с
требуемой точностью технологического процесса при изменяю
щихся внешних условиях. Регулирование — частный случай управ
ления.
Главная особенность автоматического регулирования заключается
в том, что воздействие на технологический процесс осуществляется
на основе сопоставления фактических результатов процесса с задан
ными.
Отличительной особенностью замкнутой системы автоматичес
кого регулирования является наличие контура обратной связи.
Поддержание заданного значения регулируемой величины осу
ществляется измерением фактического значения регулируемой ве
личины и сравнением ее с заданным.
Если фактическое значение отличается от заданного, то система
воздействует на управляемый объект, ликвидируя или уменьшая до
необходимого предела это отклонение.
545
В зависимости от характера задающего воздействия различают:
стабилизирующие, программные и следящие (САР).
В стабилизирующих САР значение регулируемой величины под
держивается постоянным в заданных пределах независимо от внеш
них возмущений.
В программных САР значение регулируемой величины меняется
по заданному закону в зависимости от времени.
В следящих САР обеспечивается закономерное изменение регу
лируемого параметра в зависимости от случайной величины внеш
него воздействия.
Самонастраивающиеся (адаптивные) САР характеризуются спо
собностью целенаправленного изменения собственных параметров.
Примером самонастраивающейся системы автоматического
управления (САУ) может быть система экстремального регулирова
ния, т.е. система управления, поддерживающая max или min значе
ния регулируемой величины в ответ на действующее извне возму
щение. Например, максимальная производительность агрегата или
механизма или min расход топлива и т.п.
Экстремальная система работает в режиме постоянного поиска.
Примером могут служить автоматическое поддержание температу
ры в плавильной печи, обеспечивающее наилучшие условия ее ра
боты; система автоматического удержания корабля на наиболее глу
бокой части фарватера и т.п.
Высшим классом адаптивных САР являются самообучающиеся
системы, которые стоят по своим принципиальным возможностям
на уровне живых существ.
7.3.4. Технические и экономические основы автоматизации
Автоматизация технологических процессов должна быть техни
чески целесообразна и экономически эффективна.
Под технической основой автоматизации подразумевается нали
чие машин и технологических процессов, отличающихся высоким
техническим уровнем.
Объекты, подлежащие автоматизации (строительные машины и
механизмы), должны удовлетворять следующим техническим тре
бованиям: высокая эксплуатационная надежность, высокая произ
водительность, обеспечение высокого качества работ, выполняе
546
мых по современным технологиям, простое и безопасное обслужи
вание.
К специальным требованиям относятся следующие:
– основные рабочие органы машины должны иметь привод, спо
собствующий плавной или ступенчатой регулировке их работы (вра
щение, линейное перемещение и т.п.). Например, перемещение ра
бочего органа экскаватора или автогрейдера и т.п. Таким приводом
может быть электрический или гидравлический;
– машина, как правило, должна иметь источник электроэнергии
для питания устройств и систем автоматического управления;
– машина должна допускать возможность ее автоматизации без
значительных конструктивных переработок, изменения узлов и де
талей, сопрягаемых с элементами автоматических устройств.
Важнейшее требование к технологическим процессам, подлежа
щим автоматизации — крупные масштабы производства.
Экономическую основу автоматизации производственных про
цессов составляет комплекс организационных и технических меро
приятий, обеспечивающих высокий экономический эффект от вне
дрения автоматизации.
Для оценки экономической эффективности используют натураль
ные и стоимостные показатели.
Наиболее распространенным методом определения экономичес
кой эффективности автоматизации технологических процессов, как
и в капитальном строительстве, является расчетный срок окупаемо
сти (в годах) дополнительных затрат, связанных с внедрением сис
тем автоматики:
Tок =
К1 − К 2
С2 − С1
,
(7.2)
где К1 и К2 — капитальные затраты соответственно на автоматизацию техноло
гических процессов и затраты на неавтоматизированные технологии;
С1 и С2 — себестоимость годовой продукции после внедрения автоматиза
ции и до ее внедрения.
Предполагается, что внедрение систем автоматики в техноло
гические процессы позволит получить приемлемый срок окупае
мости.
547
7.4. Устойчивость систем автоматического регулирования
7.4.1. Понятие регулируемого процесса
Любой производственный процесс характеризуется определенны
ми физическими величинами — параметрами. К таким параметрам
можно отнести, например, требуемую плотность грунта, укладываемо
го в тело насыпи, угол наклона отвала автогрейдера при планировоч
ных работах, температуру в пропарочной камере на заводе ЖБИ и т.д.
Параметр, который в технологическом процессе поддерживается
постоянным или изменяется по заданному закону, называются регу!
лируемым параметром.
Факторы, вызывающие отклонение регулируемого параметра от
заданного значения и нарушающие равновесие в САР, называются
возмущающими воздействиями.
Некоторые виды возмущающего воздействия приведены на рис. 7.9.
Единичный скачок внешнего воздействия представляет собой
функцию времени, которая отличается скачкообразным измене
нием в момент времени t = 0 и сохраняет свое постоянное значение
t > 0 (рис. 7.9, а).
Непрерывно возрастающий сигнал (рис. 7.9, б) — сигнал, линей
но возрастающий с постоянной скоростью.
Изменение режима работы САР может произойти под воздействи
ем гармонического (синусоидального) сигнала (рис. 7.9, в).
Если имеется отклонение регулируемого параметра от заданного
значения, то в производственный процесс вводится воздействие,
которое уменьшает или совсем ликвидирует это отклонение. Такое
воздействие называют управляющим.
Рис. 7.9. Некоторые виды возмущающих воздействий на САР: а — единичный
скачок; б — непрерывно возрастающий сигнал; в — гармонический сигнал
548
Управляющее воздействие вводится в технологический процесс
как результат деятельности автоматического регулирования.
Однако автоматическое регулирование осуществляется не мгно
венно, а спустя некоторое время. Таким образом, в системе возни
кают переходные процессы, которые зависят от параметров этой сис
темы.
Пригодность любой САР определяется устойчивостью к внешним
возмущениям и приемлемым качеством процесса регулирования.
7.4.2. Устойчивость САР и виды переходных процессов
Устойчивостью или равновесным состоянием называется способ
ность системы возвращаться к заданному установившемуся состоя
нию после приложения или снятия внешнего возмущения. Каждый
из установившихся режимов САР есть равновесное состояние.
Различают три вида равновесных состояний: устойчивое, неустой!
чивое и безразличное.
Рассмотрим эти состояния на примере механики твердого тела.
При любом сколь угодно малом отклонении шарика от исходного положе
ния А0, появляющаяся сила F1 возвращает шарик в исходное положение. Сис
тема устойчива (рис. 7.10, а).
После отклонения шарика от равновесного состояния А0 (рис. 7.10, б) ша
рик не вернется в исходное положение, а наоборот, под действием силы F1
(в данном случае гравитационной) будет все больше и больше отклоняться от
исходного положения, т.е. система неустойчива.
Пример безразличного равновесного состояния приведен на рис. 7.10, в.
Шарик может иметь множество равновесных состояний.
Рис. 7.10. Примеры равновесных и неравновесных систем: а — устойчивое;
б — неустойчивое; в — безразличное
549
При переходе САР из одного установившегося состояния в дру
гое она может оказаться устойчивой или неустойчивой.
Значение регулируемого параметра в неустановившемся режиме
в любой момент времени можно записать в виде
у = ууст + упер,
(7.3)
где ууст и упер — соответственно установившееся значение регулируемого пара
метра и переходная составляющая регулируемого параметра, изменяющаяся во
времени.
Рассмотрим некоторые виды переходных процессов.
Регулируемый параметр (рис. 7.11) у монотонно приближается к
новому установившемуся значению ууст2. В течение переходного про
цесса упер → 0, т.е. происходит уменьшение ординаты упер. В этом
случае переходный процесс имеет затухающий характер, а сама САР
является устойчивой.
Время t1 — начало переходного процесса, а t2 — его окончание.
Переходный процесс имеет расходящийся характер (рис. 7.12),
потому что с течением времени упер не стремится к нулю, а возраста
ет монотонно, и САР в переходном процессе неустойчива.
Рис. 7.11. Устойчивая САР
Рис. 7.12. Неустойчивая САР
Система (рис. 7.13), совершив несколько колебаний около ново
го установившегося значения регулируемого параметра ууст2, прихо
дит к установившемуся режиму работы. В этом случае упер изменя
ется как по абсолютному значению, так и по знаку. Автоматическая
система регулирования является устойчивой, потому что с течением
времени упер → 0.
САР выведена из установившегося режима и совершает расходя
щиеся колебательные движения около нового значения регулируе
550
Рис. 7.13. Устойчивая САР с си
нусоидальным колебательным
процессом
Рис. 7.14 Неустойчивая САР с
синусоидальным колебательным
процессом
мого параметра ууст2 (рис. 7.14). Ампли
туда упер все время возрастает. Система
неустойчива, так как упер не стремится к
нулю.
Если САР, в отличие от предыдущих
случаев, совершает незатухающие колеба
ния около нового установившегося значе
ния ууст2 с постоянной частотой и ампли
тудой (автоколебания), но такая САР яв
ляется нейтрально устойчивой (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Нейтрально ус
тойчивая САР
7.4.3. Качество процесса регулирования и способы его повышения
Приведенные ранее классификационные признаки САР (устой
чивая и неустойчивая) характеризуют только сам факт затухания или
незатухания переходного процесса.
Устойчивость САР является основным, но не достаточным усло
вием ее функционирования, поскольку не всякую устойчивую САР
можно осуществить технически. Затухание переходного процесса
может происходить столь медленно (или, наоборот, столь быстро),
что не будет приемлемым для технологического процесса.
Для более полного исследования САР введено понятие качества
процесса регулирования.
Качество процесса регулирования характеризуют следующие ос
новные показатели:
статическая ошибка, т.е. отклонение регулируемого параметра от
заданного после окончания переходного процесса:
551
δст = ууст2 – ууст1;
(7.4)
выброс — максимальное отклонение регулируемого параметра от
установившегося значения за время протекания переходного про
цесса:
∆ymax = ymax — ууст2;
(7.5)
время регулирования tp — продолжительность переходного процес
са. Оно характеризует быстродействие САР. Переходный процесс
считается законченным, если значение упер(t) меньше 3—5 % нового
установившегося значения ууст2;
число колебаний регулируемого параметра в течение времени пе
реходного процесса tp.
Показатели, лежащие в основе оценки качества процесса регули
рования, иллюстрированы (рис. 7.16) на примере автоматической си
стемы стабилизации поперечного крена отвала автогрейдера при
скачкообразном возмущении.
Указанный переходный процесс
характеризуется также значением
установившейся ошибки ∆y, т.е. от
клонением выходной величины (угла
наклона отвала) от заданного значе
ния в конце переходного процесса.
Установившаяся ошибка в рас
сматриваемом случае может быть ре
зультатом следующих причин:
– недостаточная точность дей
Рис. 7.16. Показатели качества
ствия отдельных звеньев системы
регулирования переходного
вследствие наличия зазоров, люф
процесса в САР
тов, сил трения между деталями и со
пряжениями исполнительного механизма. Эта ошибка создает так
называемую зону нечувствительности САР;
– вторая причина установившейся ошибки — статичность сис
темы. В статических системах значение регулируемых параметров за
висит от внешнего воздействия, а в астатических системах это зна
чение поддерживается независимо от них, т.е. при любых внешних
воздействиях ошибка равна нулю.
Классическим примером статической САР является регулятор уровня жид
кости в баке, созданный в 1795 г. русским ученым И.И. Ползуновым для под
держания постоянного уровня воды в паровом котле (рис. 7.17, а).
552
Рис. 7.17. Системы автоматического регулирования уровня воды в баке:
а — статическая система; б — астатическая система; 1 — бак; 2 — заслонка;
3 — поплавок; 4 — реостат; 5 — движок потенциометра; 6 — электродвигатель
При расходе жидкости Q2, соответствующем поступлению воды в бак Q1,
уровень воды в баке не изменится. Поэтому поплавок 3 и заслонка 2 неподвиж
ны. При увеличении значения Q2 уровень жидкости понизится, поплавок 3 опу
стится, опуская заслонку 2. Опускаясь, заслонка увеличит поступление жидко
сти в бак 1 до размера нового расхода, приведя систему в равновесие. Однако
новое положение поплавка будет несколько ниже предыдущего — заданного.
При уменьшении расхода жидкости от заданного поплавок займет свое место
несколько выше.
В статическом регуляторе значение регулируемого параметра в
установившемся режиме зависит от внешних возмущений.
Так, например, в регуляторе Ползунова каждому положению поплавка со
ответствует одно вполне определенное положение клапана.
Статический регулятор не может обеспечить постоянства задан
ного значения регулируемого параметра при изменении внешних ус
ловий. Он создает абсолютную статическую ошибку регулирования.
Для улучшения качества процесса регулирования можно:
– изменить схему регулятора таким образом, чтобы он по прин
ципу своего действия не имел статической ошибки;
– ввести в регулятор корректирующее устройство для улучшения
качества переходных процессов, т.е. превратить САР в астатическую.
Изменим схему регулятора Ползунова (рис. 7.17, б). При увеличении расхо
да Q2 поплавок 3 опустится, перемещая вниз движок 5 потенциометра и вклю
чая питание электродвигателя 6. Двигатель, вращаясь, приоткрывает заслон
ку 2 до тех пор, пока поплавок 3 не поднимется вверх, а движок потенциометра
не займет свое положение, отключив электродвигатель. Это произойдет тогда,
когда поплавок займет свое положение, соответствующее заданному.
553
В астатических системах автоматического регулирования приме
няют регуляторы, не имеющие жестких связей регулируемого пара
метра с положением регулирующего органа.
Равновесие в этой САР наступает тогда, когда действительное
значение регулируемого параметра равно заданному.
7.5. Системы автоматики в строительстве
7.5.1. Автоматизация земляных работ
Земляные работы имеют значительный удельный вес в общем
объеме строительномонтажных работ. Так, например, в железнодо
рожном строительстве трудоемкость возведения земляного полотна
в равнинных условиях составляет 20—30 % от общей трудоемкости
строительства, а в условиях Сибири и в районах вечной мерзлоты
трудоемкость земляных работ возрастает в 5—10 раз. В этой связи
автоматизация процесса возведения земляных сооружений при
обретает особую актуальность.
Среди земляных работ существенный объем приходится на пла
нировочные: подготовку строительной площадки под заданную от
метку к началу работ, разравнивание грунта в теле земляного соору
жения бульдозером с соблюдением толщины разравниваемого слоя
и т.п.
Наиболее трудоемкими операциями в работе бульдозериста яв
ляются: управление высотным положением отвала и соблюдение
движения бульдозера по курсу, а также выглубление отвала при пе
регрузке двигателя.
Применение систем автоматики, контролирующих перечислен
ные операции по управлению бульдозером, значительно повышает
производительность труда в результате сокращения числа проходов
по одному месту, улучшает качество планировочных работ и снижа
ет утомляемость бульдозериста. По имеющимся данным, машинист
бульдозера совершает в час около 1000 манипуляций рычагами и пе
далями управления.
Для автоматического управления положением отвала бульдозера
в продольной плоскости используют лазерный луч (рис. 7.18).
Автоматическая система стабилизирует положение отвала буль
дозера по высоте в копирном режиме — по лучу лазера, испускае
мому лазерным излучателем 3. Лазерный луч воспринимается фо
554
топриемным устройством 2,
контролирующим положе
ние отвала относительно ла
зерной плоскости 4. Фото
приемное устройство закреп
лено на обратной стороне от
вала 1.
При изменении заданной
глубины резания Н0 система Рис. 7.18. Копирная САР положения от
автоматического регулирова вала бульдозера в продольной плоскости:
ния возвращает отвал в исход 1 — отвал бульдозера; 2 — фотоприемное
ное положение. Лазерный из устройство (ФПУ); 3 — лазерный излуча
тель; 4 — лазерная плоскость
лучатель позволяет работать
одновременно группе машин на значительных линейных расстоя
ниях и площадях при оптимальных рабочих скоростях.
Существуют также бескопирные системы, позволяющие с помо
щью датчиков различной конструкции осуществлять автоматичес
кую стабилизацию углового положения рабочего органа машины
(бульдозера, автогрейдера, скрепера) относительно вертикали.
Созданы САУ отвалом автогрейдера в поперечной плоскости и
по высоте. Принцип действия системы показан на рис. 7.19.
Рис. 7.19. Автоматизация стабилизации положения отвала автогрейдера в по
перечной плоскости: а — размещение систем автоматики; б — структурная схе
ма САР; 1 — отвал; 2 — задатчик углового положения отвала; 3 — щуповой дат
чик; 4 — гидроцилиндр подъема отвала; 5 — гидроусилитель; 6 — усилитель;
7 — сравнивающее устройство; 8 — датчик углового положения отвала; 9 — блок
управления САР; 10 — кабина машиниста с пультом управления
555
При движении автогрейдера во время планировки откосов зем
ляного полотна или нарезки сливной призмы высотное положение
одной стороны отвала относительно копира (в нашем случае — по
верхности земли) измеряется щуповым датчиком 3, и результат из
мерения поступает в сравнивающее устройство 7, расположенное в
блоке управления 9. Если разница между фактическим значением
высотного положения отвала и заданным (задатчик 2) превышает
установленную величину, то в блоке управления вырабатывается со
ответствующая команда исполнительному органу 4, который возвра
щает отвал в заданное положение.
При управлении движением автогрейдера по заданному курсу
используют копирный принцип контроля: по направлению движе
ния автогрейдера натягивается специальная проволокакопир. Кон
тролируемой величиной является расстояние от оси автогрейдера до
проволокикопира. Датчик курса, укрепленный на раме машины,
своим щупом скользит по копиру и выдает соответствующий сигнал
на узел сравнивающего устройства, который в случае отклонения от
курса выдает команду на исполнительный механизм, возвращающий
автогрейдер на заданный курс.
По аналогичной схеме автоматизируется работа скрепера. Создан
ные системы автоматики позволяют стабилизировать положение
режущей кромки ковша в бескопирном и копирном режимах, а так
же защищать двигатель от перегрузок.
Автоматические системы, устанавливаемые на замлеройнотранс
портных машинах, не только контролируют положение их рабочего
органа и точность направления движения, но и обеспечивают мак
симальную производительность машины, защищают от перегрузок
ее силовую установку и рабочие узлы и агрегаты, увеличивая тем са
мым срок их службы.
Разработана и внедрена система непрерывного автоматического
контроля качества уплотнения грунта в теле земляных сооружений,
в том числе насыпей автомобильных и железных дорог. Одним из
примеров такой системы является динамический индикатор. Он ис
пользуется непосредственно в технологическом процессе при рабо
те трамбовочных или вибрационных машин.
Применение динамических индикаторов плотности позволяет
значительно повысить качество работ и увеличить производитель
ность грунтоуплотняющих машин.
556
7.5.2. Автоматизация приготовления бетонной смеси
Технологический процесс приготовления бетонной смеси одним
из первых стал объектом автоматизации. Это объясняется двумя при
чинами: огромным объемом приготовления бетонной смеси (мно
гие миллионы кубометров в год) и стационарным характером рабо
ты бетонных заводов и бетоносмесительных узлов (БСУ). В данном
случае стационарность надо рассматривать в процессе приготовле
ния бетонной смеси. Известно, что существуют мобильные автома
тизированные заводы и БСУ.
Кроме того, использование высокомарочных бетонов в уникаль
ных инженерных сооружениях (например, Останкинская телебаш
ня) требует высокого качества бетонных смесей, которое может быть
достигнуто за счет соответствующей дозировки компонентов и тща
тельного перемешивания бетонной смеси. Следует иметь в виду, что
именно автоматическая весовая дозировка составляющих бетонной
смеси дает существенную экономию цемента и заполнителей. Точ
ность дозировки по массе составляет: для цемента и воды ±1 %, а
для заполнителей ±2 %. На рис. 7.20 показан общий вид типового
заводаавтомата и технологическая схема автоматизированной БСУ.
В бетонном заводеавтомате по программе, заложенной в компь
ютер, без участия человека, в автоматизированном режиме осуще
ствляются подача составляющих бетонной смеси, выбор марки бе
тона, дозирование и перемешивание компонентов, загрузка транс
портных средств и весовой контроль выдаваемой продукции.
Контроль степени накопления и расходования материалов осу
ществляется датчиками 10 и 13. После установки транспортного сред
ства на тензометрическую весовую платформу в считывающее уст
ройство 16 вставляют специальную карту. После дешифровки в нем
и запоминания информации дается команда на приготовление кон
кретной марки бетона и его технологических характеристик (по
движности и удобоукладываемости). Масса отпускаемого бетона
контролируется датчиками тензометрической весовой платформы 19.
САУ управления завода следит за ходом технологического про
цесса с одновременной подачей сигналов на пульт оператора 9.
На дисплее пульта отображается мнемосхема, благодаря которой
оператор имеет полную информацию о ходе технологического про
цесса.
557
Рис. 7.20. Автоматизированный бетонный завод: а — общий вид завода;
б — автоматизированная бетоносмесительная установка; 1 — силос цемента;
2 — емкость для воды; 3 — шнековый питатель для подачи цемента; 4 — бунке
ры заполнителя; 5 — дозатор жидких химических добавок; 6 — автоматический
дозатор цемента; 7 — бетоносмеситель; 8 — дозатор воды; 9 — пульт управле
ния; 10 — датчик контроля уровня цемента; 11 — датчик контроля влажности
песка; 12 — датчик контроля температуры заполнителей; 13 — датчики контро
ля верхнего уровня заполнителей; 14 — ленточный питатель для подачи запол
нителя в бетоносмеситель; 15 — тензодатчик; 16 — считывающее устройст
во; 17 — датчик контроля температуры воды; 18 — теплонагреватель воды;
19 — тензометрическая весовая платформа
7.5.3. Системы автоматического контроля работы
башенного крана
Башенные строительные краны предназначены для механизации
подъемотранспортных работ при возведении жилых, гражданских
и промышленных зданий. Они используются также в качестве кра
новпогрузчиков при работах на складах различного назначения.
Системы автоматики, применяемые на башенных кранах, призва
ны обеспечить безопасное ведение работ. Безопасность достигается за
558
счет установки на кранах прибо
ровограничителей (рис. 7.21):
– ограничение грузоподъем
ности — для автоматического
отключения грузовой лебедки
при подъеме груза, масса кото
рого превышает допустимую;
– ограничение высоты подъ
ема груза — для автоматическо
го отключения грузовой лебед
ки при подходе грузового крю
ка к стреле;
– ограничение угла наклона
стрелы — для автоматического
отключения стреловой лебедки;
– ограничение передвиже
ния — для автоматической ос
тановки механизма передвиже
ния при подходе крана к тупи
ковым упорам, установленным
на рельсах.
Рис. 7.21. Размещение приборов авто
матики на башенном кране: 1 — каби
на машиниста; 2 — датчик скорости
ветра; 3 — датчик изменения угла на
клона стрелы; 4 — ограничитель вы
соты подъема крюка; 5 — датчик из
менения угла наклона стрелы к гори
зонту; 6 — исполнительное устройство
анемометра (датчик скорости ветра);
7 — ограничитель передвижения
7.6. Роботизация технологических процессов в строительстве
7.6.1. Основные понятия робототехники
Робототехника — это совокупность средств, каждое из которых
синтезировано на базе механических и кибернетических систем.
Промышленным роботом называют стационарную или пере
движную автоматическую машину, состоящую из исполнительного
устройства в виде манипулятора с несколькими степенями подвиж
ности и перепрограммируемого устройства управления для выпол
нения в производственном процессе двигательных и управляющих
функций.
Промышленный робот — это универсальная п р о г р а м м и р у е
м а я машина, обладающая определенными антропоморфными (че
ловекоподобными) свойствами. Наиболее типичным антропоморф
ным признаком робота является наличие у него руки.
559
Институт робототехники США сформировал понятие робота следующим
образом: «Робот — это программируемый многофункциональный манипуля
тор, предназначенный для перемещения материалов, деталей, инструментов
или специальных устройств путем изменяемых программных движений для вы
полнения разнообразных задач».
Исполнительным устройством промышленного робота является
устройство, выполняющее его двигательные функции. В состав ис
полнительного устройства входят манипулятор и устройство пере
движения.
Манипулятор промышленного робота — это устройство, представ
ляющее собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематичес
кой цепью, оснащенный приводами и рабочим органом.
Рабочий орган манипулятора промышленного робота — это уст
ройство, осуществляющее непосредственное взаимодействие робо
та с внешней средой. Он обычно представляет собой захватное уст
ройство (схваты) или рабочий инструмент. Схваты используются для
удержания деталей. Например, вакуумные присоски, магнитные за
хватные устройства, механические захватные устройства и т.д.
Рабочим инструментом могут быть дрель, фреза, шлифовальный
круг, сварные клещи для точечной сварки, горелки и т.д.
Общими чертами областей применения роботов являются:
– опасные или дискомфортные условия работы (радиация, ток
сичность, высокая температура и т.п.);
– монотонный труд (рабочий цикл состоит из последовательных
элементарных операций, не меняющихся от цикла к циклу: «взять и
переместить», загрузкаразгрузка станковавтоматов и т.п.);
– затруднение при манипулировании объектами (большая масса
деталей или инструментов, используемых при технологических опе
рациях);
– многосменная работа.
Фирма General Electric пользуется следующими критериями це
лесообразности внедрения роботов:
– потребность в простых, монотонно повторяющихся операциях;
– продолжительность технологических циклов более 5 с;
– возможность подавать детали в нужные места с требуемой их
ориентацией;
– приемлемая масса деталей (верхний предел — 500 кг);
– отсутствие необходимости внешнего контроля;
560
– возможность замены роботом одногодвух человек на 24 ч;
– не очень частые переналадки оборудования и изменения тех
нологии.
Если область возможного применения роботов удовлетворяет
всем этим критериям, то ее рассматривают как первоочередной
объект роботизации.
Роботизации подлежат не виды работ, а виды операций.
Следует отметить, что понятие «манипулятор» необходимо рас
сматривать не только как составную часть робота, но и как самосто
ятельное технологическое оборудование, т.е. как управляемое устрой
ство или машину для выполнения двигательных функций, аналогич
ных функциям руки человека при перемещении объектов в простран
стве. Манипулятор может управляться оператором или действовать
в автоматическом режиме.
Общий вид манипулятора представлен на рис. 7.22.
Рис. 7.22. Общий вид манипулятора: 1 — исполнительное устройство; 2 — пульт
управления; 3 — рабочий орган; 4 — объект манипулирования
7.6.2. Классификация роботов и манипуляторов
Роботы и манипуляторы классифицируются по следующим при
знакам: номинальная грузоподъемность, число степеней подвижно
сти, способ установки на рабочем месте, возможности передвиже
ния, вид привода, тип задающего органа и вид системы координат.
561
Номинальная грузоподъемность характеризуется наибольшим зна
чением массы предмета производства или рабочего инструмента, при
котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечение
эксплуатационных характеристик робота или манипулятора. По это
му признаку роботы подразделяются на сверхлегкие (до 1кг), легкие
(до 10 кг), средние (от 10 до 200 кг), тяжелые (до 1000 кг) и сверхтя
желые — свыше 1000 кг.
По числу степеней подвижности различают роботы и манипуля
торы с тремя, четырьмя и более степенями.
Известно, что любое тело, на
ходясь в пространстве, характе
ризуется шестью степенями сво
боды (рис. 7.23). Тело может пе
ремещаться вдоль трех коор
динатных осей и вращаться во
круг них.
В рабочем органе и исполни
тельном устройстве робота или
манипулятора подвижные части
соединены между собой различ
ным образом. Сочетание разных
соединений позволяет роботам
Рис. 7.23. Степени подвижности робо
или манипуляторам перемещать
тов и манипуляторов
ся по любым направлениям. Сум
ма этих движений относительно основания определяет число его сте
пеней подвижности.
По способу установки на рабочем месте роботы и манипулято
ры классифицируют следующим образом: напольные, подвесные
(к потолку или стене) и встроенные (в технологическое оборудование).
Роботы и манипуляторы могут быть стационарные и подвижные.
Роботы и манипуляторы могут иметь гидравлический, электри
ческий, электромеханический, пневматический и комбинированный
привод.
Кроме перечисленных, стандартом на промышленные роботы
предусмотрены такие классификационные признаки, как класс точ
ности позиционирования, степень специализации функций (универ
сальные, специальные, специализированные), способ управления
(программное или адаптивное), способ программирования и др.
562
Одним из главных классификационных признаков является вид
системы координат, в которой функционирует робот (физическая
компоновка робота). Система координат определяет форму рабочей
зоны.
Рабочая зона — это все точки пространства, которые достижимы
для руки робота.
Классификация руки робота по конструкции основана на коор
динатной системе трех главных осей, которые обеспечивают верти
кальный ход (вверх, вниз), ход внутрь и наружу, вращательное или
поперечное движение относительно вертикальной оси робота.
Различают следующие систем координат.
1. Цилиндрическая. На рис. 7.24 показан робот, горизонтальная
рука которого может выдвигаться и вдвигаться параллельно основа
нию, двигаться вверх и вниз по вертикальной стойке (оставаясь па
раллельной основанию), а основание может поворачиваться вместе
с рукой и стойкой вокруг вертикальной оси, образуя рабочую зону,
имеющую цилиндрическую форму.
2. Сферическая (полярная) система координат. Рука робота может
выдвигаться, вдвигаться и вращаться на основании (как и в преды
дущем случае), но вместо поступательного реализуется вращатель
ное вертикальное движение, образуя в пространстве сферу (рис. 7.25).
Рис. 7.24. Робот, действующий в ци
линдрической системе координат
Рис. 7.25. Робот, действующий в сфе
рической (полярной) системе коор
динат
563
3. Прямоугольная (декарто!
ва) система координат. Этот
тип робота (рис. 7.26) облада
ет тремя взаимно перпенди
кулярными осями перемеще
ний. Он состоит из стойки,
которая движется вверх и
вниз, и поперечной балки, к
которой подвешена стойка.
Стойка может двигаться вле
Рис. 7.26. Робот, действующий в прямо
угольной (декартовой) системе коор
во и вправо. Балка, в свою
динат: 1 — стойка; 2 — балка
очередь, способна переме
щаться вперед и назад. Таким
образом обеспечивается дви
жение по осям x, y и z.
Механические свойства
этой конфигурации позволя
ют широко применять такие
роботы там, где требуется вы
сокая точность (например, на
сборочных операциях).
4. Угловая система коорди
нат. Пример четвертого клас
са роботов, иногда называе
мых антропоморфными, при
веден на рис. 7.27. Он состоит
из способных вращаться со
Рис. 7.27. Робот, действующий в угловой
единений, называемых «пле
системе координат
чом» и «локтем» (как у чело
веческой руки), закрепленных на «талии», состоящей из вращающе
гося основания, которое обеспечивает третью степень свободы. Пре
имущество такой конфигурации — очень большая рабочая зона, что
позволяет минимизировать размеры производственных площадей,
необходимых для размещения робота в цехе.
Кроме физической компоновки роботов, важными технически
ми характеристиками являются: точность движения, скорость дви
жения (типичная скорость примерно 1,5 м/с), тип системы привода.
564
7.6.3. Устройство роботов
Исполнительные устройства. К основным конструктивным эле
ментам исполнительного устройства относятся механическая рука,
основание и привод. Рука выполняется в виде системы рычагов,
шарнирно соединенных между собою. Рычаги и шарниры приводятся
в движение от двигательной установки посредством передаточных
механизмов.
Различают три конструктивные группы рук: телескопические,
шарнирные и параллелограмные.
Телескопическая рука в основном представляет собой коробчатую
или трубчатую конструкцию и отличается поступательным переме
щением.
Шарнирная рука — это ни что иное как многозвенный механизм,
элементы которого соединены шарнирами, с открытой кинемати
ческой цепью.
Параллелограммная рука выполнена в виде соответствующего ме
ханизма и отличается поступательным движением.
Руку манипулятора или робота устанавливают на основание, ко
торое может быть стационарным, с ограниченным перемещением и
с неограниченным перемещением. Стационарное основание уста
навливают неподвижно. При этом оно может находиться на колон
не, стене, на полу, потолке и оборудовании.
Основание с ограниченным перемещением размещают на колон
не (при вращательном движении), на монорельсе, портале, рельсо
вом и других ограниченных ходах.
Основание с неограниченным перемещением устанавливают на
электрокаре, автомашине, тележке с двигателем и на собственном
ходу.
Приводы. Перемещают элементы исполнительного устройства
приводами, которые в значительной степени определяют структуру
и параметры механической системы и системы управления. К при
воду предъявляют следующие требования: минимальные габаритные
размеры, высокие энергетические показатели, работа в режиме авто
матического управления, возможность регулирования, быстродей
ствие, обеспечение безопасности режимов работы, надежность и дол
говечность, удобство монтажа, обслуживания, ремонта и наладки.
565
Привод классифицируют по виду энергоносителя, исполнитель
ных двигателей и способу управления. По виду энергоносителя при
воды манипуляторов и роботов подразделяют на гидравлические,
пневматические, электрические и комбинированные. По виду испол
нительных двигателей приводы изготовляют с двигателями поступа
тельного прямолинейного перемещения (гидро и пневмоцилиндры,
линейные электродвигатели); с низкочастотными двигателями (ро
торные, радиальнопоршневые); с высокочастотными двигателями
(пневмо и электродвигатели, аксиальнопоршневые гидромоторы).
Рабочие органы. В качестве рабочего органа используют захваты,
сварочные клещи, окрасочные пистолеты, сборочные инструменты,
траверсы и т.д. Захваты могут захватить и удержать объект манипу
лирования (закладные детали, арматуру, железобетонные изделия,
формы, технологическую оснастку и рабочие инструменты). Они раз
личаются размерами, массой, физическими свойствами. В состав ма
нипуляторов и роботов входит комплект захватов для выполнения
всего объема работ. Ко всем захватам предъявляют следующие об
щие требования: надежность захватывания и удержания объекта, ста
бильность базирования, недопустимость повреждений или разру
шений объекта, надежность крепления к руке. Сварочные клещи,
окрасочные пистолеты, сборочные инструменты и траверсы пред
ставляют собой стандартные конструкции, которые компонуют с ис
полнительным устройством.
Системы управления. Они позволяют в той или иной степени ав
томатизировать работу манипулятора в целом.
Система управления может быть ручной или автоматизирован
ной (программной).
В системах с ручным управлением (кнопочным или рукояточным)
программу задает человек, нажимающий кнопки на пульте или уп
равляющий рукояткой. Пульт управления размещен непосредствен
но на рабочем органе, на основании или на рабочем месте оператора
(при дистанционном управлении). С пульта управляют роботом так
же, как и любой машиной: кнопками, ручками. На управляющих ру
коятках также расположены кнопки и ручки.
Автоматизированные (программные) системы управления могут
быть цикловыми, позиционными, контурными и адаптивными.
При цикловом управлении исполнительным устройством робота
программируется последовательность выполнения движений.
566
В процессе позиционного управления исполнительным устрой
ством движение рабочих органов робота происходит по заданным
точкам позиционирования без контроля движения между ними.
При контурном управлении исполнительным устройством дви
жение рабочих органов робота происходит по заданной траектории
с установленным распределением во времени значений скорости.
При адаптивном управлении исполнительным устройством робота
и манипулятора управляющая программа автоматически изменяет
ся в зависимости от параметров внешней среды.
В системах управления используют принципы программирова
ния на основе ЭВМ. Программирование роботов может осуществ
ляться следующими способами:
метод ручного задания программ. Его применяют для роботов, об
служивающих простые технологические операции с короткими ра
бочими циклами типа «взять и перенести»; такие роботы относят к
системам с жесткой последовательностью перемещений. Ход в каж
дом направлении движения по оси определен установкой механи
ческих жестких упоров, а датчики, как правило, представлены ко
нечными выключателями, которые могут воспринимать только ко
нечные точки, а не промежуточные. Такие устройства нельзя пере
программировать на выполнение новой задачи. Они должны быть
заново переналажены;
метод непосредственного программирования «показом». Сущность
его заключается в том, что оператор вручную перемещает рабочий
орган, выполняя всю последовательность движений рабочего цик
ла. Каждое движение фиксируется в памяти ЭВМ с целью после
дующего воспроизведения в рабочем режиме. Такой метод про
граммирования используют в роботах и манипуляторах, выполняю
щих такие операции, как электродуговая сварка, окраска поверхно
стей и т.п.
Это роботы с контурным управлением, так как рука робота сле
дует по непрерывной траектории.
В действительности траекторию движения робота разбивают на
большое число близко расположенных одна к другой точек. Поло
жение точек записывают во время программирования или вычисля
ют при фактическом движении интерполяцией.
Роботы с контурным управлением являются развитием роботов с
позиционной системой;
567
метод программирования обучением, в отличие от предыдущего
метода оператор с пульта обучения выполняет всю последователь
ность движения робота, соответствующим образом включая и вы
ключая приводы устройств перемещения его рабочего органа. Каж
дое движение робота записывается в память ЭВМ для последующе
го воспроизведения в рабочем режиме.
Завершая рассмотрение некоторых вопросов робототехники, от
метим, что применение современных промышленных роботов по
зволяет увеличивать производительность оборудования и выпуск
продукции, улучшать ее качество, заменять человека на монотон
ных и тяжелых работах, помогает экономить материалы и энергети
ческие ресурсы. Кроме того, роботы обладают достаточной гибкос
тью, чтобы использовать их при выпуске продукции средними и ма
лыми партиями, т.е. в той области, где традиционные средства авто
матизации неприменимы (как уже отмечалось, САУ применяют
только при крупносерийном производстве).
Подчеркнем также, что ранние представления о возможности со
здания универсального робота, способного выполнять почти любую
работу, в значительной степени утрачены. В настоящее время робо
ты приобретают специализацию, «становясь» сварщиками, маляра
ми, монтажниками и т.д.
7.6.4. Некоторые примеры применения роботов
в строительном производстве
Действенными стимулами роботизации строительного производ
ства является относительно медленный рост производительности
труда и сравнительно высокий уровень травматизма. Кроме того, еще
есть виды работ, где применяется тяжелый, а порою и опасный для
здоровья физический труд.
Строительная робототехника разделяется на два направления:
роботизация рабочих операций на стройплощадке и роботизация на
предприятиях строительной индустрии.
Роботы на стройплощадках выполняют погрузоразгрузочные
операции, складирование конструкций, подачу и укладку бетона,
затирку и шлифовку поверхностей перед отделкой, нанесение шту
катурных составов и шпаклевок, окраску поверхностей водными и
неводными составами, монтаж перегородок и ограждающих конст
рукций зданий и т.д.
568
Робототехника на предприятиях стройиндустрии охватывает сле
дующие технологические операции:
– заготовка, механическая обработка и сварка арматуры и зак
ладных деталей;
– заготовка и сборка пространственных конструкций;
– установка и снятие формообразующих элементов, открывание
бортов форм;
– нанесение окрасочных и защитных покрытий на строительные
детали и изделия.
В цехах предприятий роботизированные системы машин высту
пают в виде технологических комплексов, линий и участков.
Роботизированный технологический комплекс (РТК) — это совокуп
ность средств работающего в едином цикле технологического осна
щения, включающая промышленные работы и манипуляторы и пред
назначенная для автоматизированного выполнения одной или не
скольких операций производственного процесса.
Эффективность применения промышленных роботов на предпри
ятиях стройиндустрии обусловливается рядом факторов, важнейши
ми из которых являются:
– рациональный выбор объекта роботизации;
– приспосабливаемость технологического оборудования к усло
виям совместной работы с роботами и манипуляторами;
– соответствие выпускаемых изделий условиям их изготовления
на РТК;
– рациональность выбора транспортнотехнологической схемы
роботизированного технологического процесса и компоновки РТК
в условиях строительной индустрии.
Для выбора типов и основных параметров промышленных робо
тов и манипуляторов необходимо провести функциональноэконо
мический анализ, которым должно быть установлено оптимальное
распределение функций робота и вспомогательных средств автома
тизации с учетом следующих факторов:
– затраты, связанные с увеличением функциональных возмож
ностей роботов, т.е. расширением зоны обслуживания, повышени
ем точности, мобильности и т.п.;
– затраты, связанные с повышением уровня организации произ
водственной среды: созданием специальных подающих, накаплива
ющих и других устройств;
– возможность переналадки РТК для выпуска новой продукции.
569
Далее приводятся некоторые примеры применения роботов и ма
нипуляторов, а также РТК в условиях строительного производства.
Роботы на предприятиях строительной индустрии. Под предпри
ятиями строительной индустрии понимаются заводы по изготовле
нию серийных железобетонных и бетонных конструкций и изделий.
Рассмотрим некоторые примеры применения робототехники на за
водах ЖБИ.
Изготовление закладных деталей. Практически каждая сборная
железобетонная конструкция имеет одну или несколько стальных
закладных деталей, к которым после монтажа конструкции прива
ривают закладные детали других сборных элементов. Например, к
закладной детали консоли колонны приваривают закладную деталь
подкрановой балки.
Изготовление закладных деталей вручную весьма трудоемко и
нетехнологично.
На рис. 7.28 приведена схема
штамповочного роботизирован
ного комплекса. Комплекс состо
ит из пресса 1, робота 4, магази
нов 3, системы управления 5 и ог
раждения 2. Деталь штампуется по
следующей схеме: робот берет за
готовку из левого магазина, пере
носит ее в зону пресса, устанав
ливает в штамп пресса, который
штампует изделие, берет отштам
пованную деталь из пресса, пере
носит ее в зону правого магазина
Рис. 7.28. Штамповочный роботизи
и кладет в него.
рованный комплекс: 1 — пресс; 2 —
Установка арматурных каркасов
ограждение; 3 — магазины; 4 — ро
в опалубку. Эту операцию выполня
бот; 5 — система управления
ют манипулятором (рис. 7.29) при
изготовлении каркасов сравнительно небольших размеров. Вместо
консольного крана применен манипулятор. Технологические возмож
ности манипулятора по сравнению с крановым оборудованием повы
шают производительность труда, безопасность работ и облегчают труд
рабочих. Установка каркаса в опалубку осуществляется следующим
образом. На манипулятор 1 устанавливают захваттраверсу 3. После
570
Рис. 7.29. Установка арматурных каркасов в опалубку манипулятором: 1 — ма
нипулятор; 2 — рукоятка; 3 захваттраверса; 4 — арматурный каркас
этого с помощью рукоятки 2 захват подводят к арматурному каркасу 4,
захватывают его, переносят к опалубке и устанавливают на место.
Очистка и антикоррозионная защита закладных деталей. Эти опе
рации также производятся с помощью робота. Робот берет заклад
ную деталь из магазина, перемещает ее в зону пескоструйного аппа
рата, выполняет ее манипулирование (вращение и перемещение) для
обработки всех поверхностей и складывает в магазин обработанных
деталей. В результате пескоструйной обработки детали становятся
чистыми с шероховатыми поверхностями, что улучшает сцепление
со слоем антикоррозионного покрытия. В качестве такого покры
тия применяют металлизацию — нанесение сжатым воздухом слоя
расплавленного цинка или алюминия.
Антикоррозионное покрытие наносят следующим образом. Ро
бот в соответствии с картой технологического процесса принимает
из магазина закладную деталь, поступившую с пескоструйной обра
ботки, переносит ее в зону нанесения расплавленного металла и в
соответствии с командами от системы управления осуществляет тре
буемое манипулирование деталью. После нанесения покрытия ро
бот укладывает деталь в магазин готовой продукции.
Процесс пескоструйной обработки и нанесения антикоррозион
ного покрытия осуществляют в автоматическом режиме.
571
Формование железобетонных конструкций. Формование — веду
щий технологический процесс всего производства.
Схема роботизированного поста формования стеновых панелей
приведена на рис. 7.30.
Рис. 7.30. Схема роботизации поста формования стеновых панелей: 1 — кон
тейнеры для арматурных каркасов; 2 — контейнеры для закладных деталей;
3 — роботы; 4 — комплект захватов для роботов; 5 — форма (опалубка);
6 — формуемое изделие
Погрузо!разгрузочные операции. Роботизация погрузоразгрузочных
работ охватывает почти все отрасли народного хозяйства: автомобиль
ную, авиационную, стройиндустрию и т.д. Это объясняется тем, что
погрузоразгрузочные операции наиболее просты по своей сути: «взять
и перенести». Для выполнения таких операций не нужно использо
вать сложные робототехнические устройства. С такими операциями
легко справляется манипулятор (рис. 7.31). Схема работы транспорт
ного манипулятора следующая: в цехе 1 манипулятор 3 захватывает
изготовленную конструкцию и укладывает ее на транспортную тележ
ку 5. Тележка перемещает изделие из цеха на склад 2. На складе мани
пулятор снимает изделие с тележки и укладывает его в штабель 4 или
грузит на автотранспортное (либо иное другое) средство 6.
572
Рис. 7.31. Схема работы манипулятора на складе готовой продукции: 1 — фор
мовочный цех; 2 — склад; 3 — манипулятор; 4 — готовые изделия; 5 — самоход
ная транспортная тележка; 6 — автотранспорт
Специализированный РТК. При изготовлении предварительно
напряженных железобетонных конструкций в качестве арматуры
используют в том числе стержневую арматуру периодического про
филя (при изготовлении пустотных плит междуэтажных перекры
тий в жилых и гражданских зданиях).
Эффект преднапряжения создается следующим образом. Стер
жень включается в электрическую цепь как сопротивление, благо
даря чему происходит его нагрев до 300—500 оC и электротермичес
кое удлинение. При остывании стержень укорачивается, передавая
усилие обжатия на нижний пояс изделия. Для этих целей был создан
робототехнический комплекс (рис. 7.32).
Рис. 7.32. РТК по укладке разогретых стержней в формы: 1 — механизм выдачи
стержней; 2 — кассета со стержнями; 3 — манипулятор; 4 — конвейер с фор
мой; 5 — нагревательная машина; 6 — рабочий орган манипулятора; 7 — упоры
формы для удержания нагретых стержней
573
Принцип действия РТК следующий: из межцеховой транспорт
ной кассеты 2 посредством механизма 1 выдачи стержней в соответ
ствии с программой работы стержень определенного диаметра выда
ется на установку для разогрева стержней 5, на которой происходит
электротермическое удлинение стержня. После этого манипулятор 3
захватывает рабочим органом 6 нагретый стержень и переносит к
упорам 7 формы 4, где происходит укладка стержня в пазы упоров.
Далее форма подается на пост укладки бетона и последующих техно
логических операций.
Система управления РТК позволяет производить все работы по
электротермическому натяжению и укладке стержней в автомати
ческом режиме посредством набора соответствующей программы.
Программа укладки учитывает число, диаметр и последователь
ность размещения стержней в форме.
В РТК используется электропневматический привод.
Применение роботов на стройплощадке. Робот=бурильщик. На
рис. 7.33 показан специализированный самоходный робот для буре
ния шпуров при проходке тоннелей, автоматически выполняющий
все операции по бурению, в том числе установку робота на основ
ной платформе забоя, определение местоположения шпуров, про
ходку шпуров по заранее записанной методом обучения программе.
Кроме того, робот снабжен датчиками адаптации к окружающей сре
де, позволяющими в случае попадания направляющего устройства
на скальную породу пропустить шпур и перейти к месту, намеченно
му для бурения следующего шпура. В процессе бурения регулиру
ются усилие подачи, частота вращения и сила удара бура в зависи
мости от свойств породы; выбираются места расположения шпуров
для образования заданного контура выработки. Зона бурения гори
Рис. 7.33. Робот для бурения шпуров при проходке тоннелей: 1 — стрела; 2 — бу
рильная машина; 3 — выносные опоры; 4 — пульт управления; 5 — платформа забоя
574
зонтальных шпуров по высоте — 7,5 м, а по ширине — 16,7 м. Масса
робота — около 34 т. По сравнению с ручным управлением робот
обеспечивает уменьшение стандартного отклонения расположения
шпуров в 1,7 раза, а повышение точности соблюдения контура вы
работки — в 2,5 раза. Скорость проходки робота примерно равна ско
рости бурения станка с ручным управлением. Робот обеспечивает
полную безопасность работ.
Робот для нанесения покрытия. В качестве примера использова
ния роботов в строительстве можно привести процесс приготовле
ния и нанесения огнестойкого покрытия на металлоконструкции
(рис. 7.34).
Рис. 7.34. Схема приготовления огнестойкой смеси и ее нанесения на конст
рукцию роботом: 1 — датчик положения (потенциометр); 2 — защищаемая кон
струкция; 3 — робот; 4 — рабочий орган робота (сопло); 5 — поворотная плат
форма ( ±90о); 6 — источник электропитания; 7 — пульт управления; 8 — дат
чик расстояния; 9 — опора робота; 10 — трубопровод для подачи цементного
теста; 11 — трубопровод для подачи минеральной ваты; 12 — вращающийся
барабан; 13 — вибратор; 14 — насос для подачи цементного теста; 15 — кран
для подачи воды; 16 — питатель минеральной ваты; 17 — емкость с цементом;
18 — растворомешалка
575
В Японии, где создан робот для этих целей, используют смесь ми
неральной ваты с жидким цементным тестом. Минеральная вата со
здает неблагоприятные условия работы для человека: в воздухе по
стоянно присутствуют ее частицы.
Роботизированный процесс использовался при строительстве зда
ний различного назначения, имеющих стальной несущий каркас.
Робот совершает все операции в установленной последовательнос
ти, перемещаясь из одного пролета здания в другой, при этом про
леты имеют нумерацию и сведения о них заложены в программу. Ро
бот занимает необходимое положение в пролете, ориентируясь по
информации, поступающей от датчика обратной связи. Траектория
нанесения смеси изменяется, поскольку робот обучаемый.
Качество нанесенного с помощью робота огнезащитного покры
тия не уступало качеству покрытия, наносимого квалифицирован
ными рабочими.
На строительстве административного здания в Токио использо
вался другой вариант этого робота с манипулятором для окрасочных
работ.
Заключение
Сегодня существенную роль в обеспечении эффективного стро
ительства железной дороги играют вопросы оптимального планиро
вания и целесобразного использования рациональных технологий и
организации работ. При создании нового сооружения теперь уже
недостаточно требовать сдачи его «под ключ». Новый объект дол
жен обеспечить инвестору эксплуатационную рентабельность, что
бы после сдачи объекта в постоянную эксплуатацию сразу же полу
чать прибыль. Иначе инвестору нет смысла вкладывать средства в
это предприятие, так как оно не только не окупит себя, но и не при
несет достаточный доход.
В современных условиях развития рыночных отношений, харак
теризующихся образованием новых строительных объединений и
форм, которые обладают мощным производительным потенциалом,
конкурируют между собой с целью получения более выгодных зака
зов, проблема совершенствования технологии и организации в стро
ительстве приобретает особое значение.
Значительно возросшее оснащение железнодорожного строитель
ства требует улучшения методов его организации и технологии, ши
рокого использования в практике рационального проектирования
на всех уровнях производства на основе поточного метода, повыше
ния эффективности железнодорожного строительства, выявления и
использования снижения стоимости строительства, осуществления
комплекса мероприятий по экономии расходования всех видов ре
сурсов и охране окружающей среды.
В условиях развивающихся рыночных отношений проблема ра
ционализации технологии и организации строительства транспорт
ных объектов, возводимых организациями системы транспортного
строительства и других ведомств, имеет особое и важное значение как
самостоятельное теоретическое направление и практическая область
знания и важна для современного строительного производства.
Развитие вопросов технологии строительства с позиции систем
ного анализа позволяет повысить качество принимаемых управлен
577
ческих решений в области строительства железных дорог при совре
менном специфическом финансировании строительномонтажных
работ. Качественное регулирование инвестиционных проектов по
объектам транспортного строительства должно проводиться с уче
том возможного строительноинвестиционного риска.
Системное применение технологии, организации и управления
строительным производством с использованием одномерной и мно
гомерной оптимизации позволяет повысить надежность ведения
строительных работ по возведению транспортных объектов.
Организация, технология и управление строительством и впредь
должны базироваться на широком применении информационных
технологий для снижения затрат на ликвидацию внезапных отказов
в системе строительства и эксплуатации транспортных объектов.
Существующая система технологии, организации и управления
транспортным строительством на современном этапе должна стать
надежной информационной основой для обязательного численного
моделирования всех этапов строительства, реконструкции и после
дующей эксплуатации транспортных объектов. Это сведет к мини
муму элементы риска. На этапах строительства и последующей экс
плуатации транспортных объектов должен соблюдаться установлен
ный расчетом регламент и в случае необходимости должны прини
маться меры по стабилизации положения с минимально возможными
затратами сил и финансовых средств, машин и материалов.
Рекомендуемая литература
1. СНиП 3201—95. Железные дороги колеи 1520 мм. — М.: Мин
строй России, 1995. — 20 с.
2. Инженерная геология для строителей железных дорог: учеб
ник / Д.И. Шульгин, В.Г. Гладков и др.; под ред. Д.И. Шульгина,
В.А. Подвербного. — М.: Желдориздат, 2002.
3. Призмазонов А.М., Организация и технология возведения же
лезнодорожного земляного полотна: учебное пособие. — М.: ГОУ
«Учебнометодический центр по образованию на железнодорожном
транспорте», 2007.
4. Путевые машины для выправки железнодорожного пути, уп
лотнения и стабилизации балластного слоя. Технологические систе
мы: учебное пособие / А.В. Атаманюк, В.Б. Бредюк, В.М. Бугаенко
и др.; под ред. М.В. Поповича, В.М. Бугаенко. — М.: ГОУ «Учебно
методический центр по образованию на железнодорожном транспор
те», 2008. — 285 с.
5. ВСН 203—89. Нормы и технические условия на проектирова
ние и строительство железных дорог на полуострове Ямал (взамен
ВСН 200—85, ВСН 203—85). — М.: Минтрансстрой, 1990.
6. ВСН 61—89. Изыскание, проектирование и строительство же
лезных дорог в районах вечной мерзлоты. Ведомственные и строи
тельные нормы. — М.: ЦНИИС, 1990.
7. ВСН 200—85. Проектирование и сооружение земляного полот
на железнодорожной линии Ягельная—Ямбург. Ведомственные стро
ительные нормы. — М.: ЦНИИС, 1985.
8. ВСН 203—85. Специальные нормы и технические условия на
проектирование и строительство железных дорог на полуостро
ве Ямал. Ведомственные строительные нормы. — М.: Минтранс
строй МПС, 1986.
9. Временная инструкция по составлению разделов «Оценка воз
действия строительства на окружающую среду» в проектах железных
и автомобильных дорог. — М.: ЦНИИС—СоюздорНИИ, 1994.
579
10. Правила безопасности и порядок ликвидации аварийных си
туаций с опасными грузами при перевозке их по железным доро
гам. — М.: Новосибирский полиграфкомбинат, 1997.
11. СНиП 3.01.01—85. Организация строительного производст
ва. — М.: Минстрой России. ГПСПП, 1996.
12. СТН Ц01—95. Железные дороги колеи 1520 мм. — М.: МПС
Российской Федерации, 1995. — 86 с.
13. Пособие по технологии и сооружению железнодорожного зем
ляного полотна (В развитие СНиП 3.06.02—86). — М.: Корпорация
«Трансстрой», 1993.
14. Сборник типовых технологических карт. Монтаж сборных же
лезобетонных водопропускных труб отверстием 1,25; 2 × 1,0; 2,0 м. —
Минтрансстрой. — ВПТИТрансстроя, 1983.
Приложение
«ТВЕРСКОЙ ЭКСКАВАТОР»
Технические характеристики серии ЕТ
Экскаваторы на пневмоколесном шасси
581
«ЭКСКАВАТОР СЕРИИ ЭО»
Технические характеристики экскаваторапланировщика
582
Примечание. В числителе указаны рабочие параметры без удлинителя стрелы, а
в знаменателе — с наибольшим удлинителем стрелы.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОГРЕЙДЕРОВ
Модель ДЗ198
Модель ГС14.02
Об авторах
Спиридонов Эрнст Серафимович
Окончил Московский ордена Ленина и Красного Знамени ин
ститут инженеров транспорта в 1962 г.
Строительный мастер «Печорстрой», строительный мастер,
и.о. прораба «Мострансстрой», с 1966 г. в — МИИТе, доцент, про
фессор, зав. кафедрой «Строительное производство», «Организация,
технология и управление строительством», декан иностранного фа
культета МИИТа (1972—1975), декан факультета «Строительство же
лезных дорог» (1975—1999). Первый заместитель директора ИПСС
(2000—2007).
Специалист в области организации, управления транспортного
строительства, надежности и информатизации строительства. Ав
тор монографий, учебников, учебных пособий по организации на
дежности и информатизации строительства. Подготовил 3 докто
ров технических наук и 9 кандидатов технических наук. Опублико
вано 297 работ, из них: 9 учебников, 4 монографии, 24 учебных по
собия.
Принимал непосредственное участие в строительстве новых же
лезнодорожных линий: Архангельск—Карпагоры, Абакан—Таймет,
Микунь—Кослан, Хребтовая—УстьИлимская, Большого кольца
Московской железной дороги, БайкалоАмурской магистрали.
Академик МАИ при ООН, Почетный работник высшего профес
сионального образования, Почетный железнодорожник, Почетный
транспортный строитель, Отличник железных дорог Монголии, на
гражден серебряной и бронзовой медалями ВДНХ, Отличник выс
шего образования, Почетный строитель России. Награжден золотой
медалью им. М. Ломоносова.
Призмазонов Александр Михайлович
Профессор, кандидат технических наук. Почетный транспортный
строитель. Окончил МИИТ в 1958 г. Работал в системе транспорт
ного строительства. С 1965 г. — на преподавательской работе в МИИТе.
Профессор кафедры «Организация, технология и управление строи
585
тельством». Автор более 50 научнометодических трудов, в том чис
ле 3 монографий, 4 учебников, 22 учебных пособий и методических
указаний. Подготовил 2 кандидатов наук. Специалист в области орга
низации строительства транспортных зданий.
Шепитько Таисия Васильевна
Кандидат технических наук, профессор кафедры «Организация,
технология и управление строительством» МИИТа. Окончила МИИТ
в 1980 г. Работала во ВНИИ транспортного строительства руково
дителем лаборатории «Технология сооружения верхнего строения
пути». Имеет 103 опубликованные работы. Подготовила 5 канди
датов наук. Академик МАИ при ООН. Награждена серебряной ме
далью ВДНХ, золотой медалью им. М. Ломоносова. Занимается
проблемами принятия обоснованных организационнотехнологи
ческих решений в железнодорожном строительстве.
Акуратов Авинер Фирсович
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Организация, тех
нология и управление строительством» МИИТа. Занимался иссле
дованием работы путевой техники, разработкой и внедрением про
грессивной технологии сооружения верхнего строения пути, участво
вал в реконструкции и капитальном ремонте ряда железных дорог.
Имеет более 60 публикаций, из них 20 — учебнометодического ха
рактера. Подготовил 86 дипломников, был научным консультантом
4 аспирантов, успешно защитивших диссертации.
Оглавление
Предисловие .............................................................................................. 3
Введение .................................................................................................... 6
Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА .............................. 12
1.1. Системный подход к транспортной сети и особенности
железнодорожного строительства ......................................................... 12
1.1.1. Системный подход к транспортной сети и ее развитию
с позиций строительного комплекса ............................................... 12
1.1.2. Особенности железнодорожного строительства
и продукция строительного производства ...................................... 29
1.2. Технология и ее роль в строительном производстве ..................... 36
1.3. Научные основы технологии строительства .................................. 43
1.3.1. Технология строительного производства как система .......... 43
1.3.2. Функционально<стоимостной анализ технологического
процесса ............................................................................................. 46
1.3.3. Качество технологического процесса .................................... 50
1.3.4. Надежность технологического процесса ............................... 56
1.3.5. Технологическое проектирование .......................................... 57
1.4. Техническое нормирование. Норма времени и норма
выработки. Единые нормы и расценки ................................................. 59
Глава 2. ПОДГОТОВИТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ ........................................ 72
2.1. Состав подготовительных работ ..................................................... 72
2.2. Устройство полосы отвода ............................................................... 75
2.3. Устройство временных дорог .......................................................... 78
2.4. Определение потребности в транспортных средствах .................. 84
Глава 3. ВОЗВЕДЕНИЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ................................................................. 89
3.1. Виды и формы земляных сооружений ............................................ 89
3.1.1. Классификация земляных сооружений ................................. 89
3.1.2. Земляное полотно железной дороги ....................................... 90
3.1.3. Грунты. Их свойства. Грунты как строительный материал ... 94
3.1.4. Классификация грунтов по трудности их разработки .......... 99
587
3.1.5. Влияние техногенного воздействия на грунты
естественного залегания ................................................................. 102
3.2. Строительные свойства грунтов .................................................. 105
3.2.1. Грунты. Виды грунтов. Строительные свойства .................. 105
3.3. Определение объемов земляного полотна ................................... 113
3.3.1. Обработка продольного профиля и подсчет объемов
земляного полотна ........................................................................... 113
3.3.2. Распределение земляных масс .............................................. 117
3.4. Технология производства земляных работ ................................... 123
3.4.1. Основные положения технологии сооружения
железнодорожного земляного полотна. Машины для
сооружения земляного полотна ...................................................... 123
3.4.2. Производство работ одноковшовыми экскаваторами.
Рабочее оборудование. Ходовое и силовое оборудование.
Забои, проходки, пионерная траншея ........................................... 128
3.4.3. Производство работ экскаватором «прямая лопата».
Проектирование забоев и проходок ............................................... 139
3.4.4. Производство работ экскаватором «обратная лопата».
Забои, проходки ............................................................................... 149
3.4.5. Производительность экскаватора. Определение
потребности в транспортных средствах. Комплектующие
машины ............................................................................................ 153
3.4.6. Производство работ скреперами .......................................... 160
3.4.7. Производство работ бульдозерами ....................................... 170
3.4.8. Уплотнение грунтов в насыпях ............................................. 174
3.4.9. Отделка земляного полотна. Укрепление откосов .............. 179
3.4.10. Возведение земляного полотна методами
гидромеханизации ........................................................................... 184
3.4.11. Взрывные работы при возведении земляного полотна.
Общие понятия. Расчет зарядов. Методы производства
взрывных работ ................................................................................ 197
3.4.12. Возведение земляного полотна в сложных
климатических и инженерно;геологических условиях ................ 212
3.4.13. Защита земляного полотна от теплового воздействия,
осадков и солнечной радиации. Конструкции защитных
сооружений откосов земляного полотна ....................................... 262
3.4.14. Сооружение земляного полотна второго пути ................... 268
588
3.4.15. Контроль качества возведения земляного полотна,
его содержание в процессе строительства. Приемка работ .......... 279
Глава 4. СТРОИТЕЛЬНО;МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ ПРИ
ВОЗВЕДЕНИИ ОБЪЕКТОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ТРАНСПОРТА ................................................................................. 290
4.1. Строительно;монтажные работы при возведении малых
водопропускных сооружений .............................................................. 290
4.1.1. Общие сведения ..................................................................... 290
4.1.2. Монтаж железобетонных труб .............................................. 297
4.1.3. Монтаж металлических водопропускных труб .................... 299
4.1.4. Возведение сборных железобетонных мостов ..................... 302
4.2. Транспортные здания и технология их возведения ..................... 308
4.2.1. Общая характеристика транспортных зданий ..................... 308
4.2.2. Технологичность транспортных зданий ............................... 318
4.2.3. Индустриальное производство строительных
конструкций ..................................................................................... 324
4.2.4. Транспортирование и складирование строительных
конструкций. Грузозахватные устройства ...................................... 335
4.2.5. Общие положения технологии монтажа строительных
конструкций ..................................................................................... 343
4.2.6. Краны для строительно;монтажных работ .......................... 347
4.2.7. Монтаж железобетонных конструкций бескаркасных
зданий ............................................................................................... 355
4.2.8. Монтаж железобетонных конструкций одноэтажных
каркасных производственных зданий ............................................ 361
4.2.9. Аварии при строительстве зданий ........................................ 368
4.3. Технология производства работ из монолитного бетона
и железобетона ...................................................................................... 373
4.3.1. Общие положения .................................................................. 373
4.3.2. Опалубочные работы ............................................................. 376
4.3.3. Арматурные работы ............................................................... 384
4.3.4. Приготовление бетонной смеси ........................................... 391
4.3.5. Транспортирование бетонной смеси .................................... 395
4.3.6. Укладка и уплотнение бетонной смеси ................................ 401
4.3.7. Бетонирование конструкций и их элементов ...................... 407
4.3.8. Специальные виды бетонных работ ..................................... 410
4.4. Зимнее бетонирование .................................................................. 419
589
4.4.1. Общие положения .................................................................. 419
4.4.2. Приготовление, транспортирование и укладка бетонной
смеси ................................................................................................. 422
4.4.3. Выдерживание бетона способом термоса ............................ 425
4.4.4. Электротермообработка бетона ............................................ 426
4.4.5. Термоактивная опалубка и инфракрасный обогрев
бетона ................................................................................................ 434
4.4.6. Паропрогрев бетона ............................................................... 436
4.4.7. Бетоны с противоморозными добавками ............................ 438
4.4.8. Предварительный разогрев бетонной смеси ....................... 439
4.5. Каменные работы ........................................................................... 441
4.5.1 Общие сведения о каменной кладке ..................................... 441
4.5.2. Кирпичная кладка .................................................................. 445
4.5.3. Бутовая и бутобетонная кладка ............................................. 458
4.5.4. Производство каменных работ зимой .................................. 459
4.6. Восстановление поврежденных зданий при ликвидации
чрезвычайных происшествий .............................................................. 460
Глава 5. ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ...................... 470
5.1. Организация энергоснабжения при электрификации
железных дорог ..................................................................................... 470
5.2. Организация и технология строительных работ при
электрификации железных дорог ........................................................ 481
5.3. Определение оптимальной продолжительности «окна» ............. 489
5.3.1. Основные положения ............................................................ 489
5.3.2. Определение оптимальной продолжительности «окна»
на однопутном участке .................................................................... 491
5.3.3. Определение оптимальной продолжительности «окна»
на двухпутном участке (при двустороннем пакетном движении
по незакрытому пути) ...................................................................... 492
5.3.4. Определение зоны оптимальности ....................................... 492
Глава 6. СООРУЖЕНИЕ ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПУТИ .............. 496
6.1. Сборка звеньев ............................................................................... 496
6.2. Укладка пути ................................................................................... 505
6.3. Балластировка пути ........................................................................ 511
6.4. Выправка и отделка пути ............................................................... 523
6.5. Техника безопасности и контроль качества
при строительноGпутевых работах ....................................................... 526
590
Глава 7. АВТОМАТИЗАЦИЯ И РОБОТИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ... 529
7.1. Основные понятия автоматизации ............................................... 529
7.2. Технические средства автоматизации .......................................... 531
7.2.1. Датчики ................................................................................... 531
7.2.2. Усилительные устройства автоматики ................................. 540
7.2.3. Исполнительные устройства автоматики ............................ 542
7.3. Системы автоматического управления ........................................ 543
7.3.1. Общие положения .................................................................. 543
7.3.2. Разомкнутые системы ............................................................ 544
7.3.3. Замкнутые системы ................................................................ 545
7.3.4. Технические и экономические основы автоматизации ...... 546
7.4. Устойчивость систем автоматического регулирования .............. 548
7.4.1. Понятие регулируемого процесса ......................................... 548
7.4.2. Устойчивость САР и виды переходных процессов .............. 549
7.4.3. Качество процесса регулирования и способы его
повышения ....................................................................................... 551
7.5. Системы автоматики в строительстве .......................................... 554
7.5.1. Автоматизация земляных работ ............................................ 554
7.5.2. Автоматизация приготовления бетонной смеси ................. 557
7.5.3. Системы автоматического контроля работы башенного
крана ................................................................................................. 558
7.6. Роботизация технологических процессов в строительстве ........ 559
7.6.1. Основные понятия робототехники ....................................... 559
7.6.2. Классификация роботов и манипуляторов .......................... 561
7.6.3. Устройство роботов ................................................................ 565
7.6.4. Некоторые примеры применения роботов
в строительном производстве ......................................................... 568
Заключение ............................................................................................ 577
Рекомендуемая литература ................................................................... 579
Приложение .......................................................................................... 581
Об авторах .............................................................................................. 585
Учебное издание
Спиридонов Эрнст Серафимович
Призмазонов Александр Михайлович
Шепитько Таисия Васильевна
Акуратов Авинер Фирсович
ТЕХНОЛОГИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
СТРОИТЕЛЬСТВА
Под редакцией
Э.С. Спиридонова и А.М. Призмазонова
Учебник
Подписано в печать 26.12.2011 г.
Формат 60×84/16. Печ.л. 37,0. Тираж 900 экз. Заказ
ФГ ОУ «Учебно@методический центр по образованию
на железнодорожном транспорте»
105082, Москва, ул. Бакунинская, д. 71
Тел.: +7 (495) 739@00@30,
e@mail: info@umczdt.ru
http://www.umczdt.ru
