CC BY
109
УДК 614.8:622.2
Т.Н. Медведев к.т.н.
ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВОЗНЫХ ПРОЕМОВ В ТОЛСТОСТЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ВЕДЕНИИ АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫХ И ДРУГИХ НЕОТЛОЖНЫХ РАБОТ
Приведено описание технологии образования сквозных проемов в монолитных железобетонных конструкциях с применением энергии взрыва
Г.Н. Медведев
При ведении аварийно-спасательных и других неотложных работ (АСНДР) при авариях на атомных и тепловых электростанциях и в ряде других случаев возникает необходимость образования сквозных проемов в стенах и перекрытиях из железобетонных или стальных материалов. При этом, толщина преодолеваемых преград из сверхпрочного железобетона может достигать трех и более метров. Бурение в такой конструкции всего лишь одной скважины вызывает значительные трудности, связанные с преодолением буровым снарядом сетки из стальной арматуры. Еще большие трудности вызывает образование в железобетоне сквозных проемов сечением до 4 м2 для спасения людей и переноски необходимого оборудования.
Одним из методов проведения таких работ может служить шпуровая отбойка по врубовой схеме в пределах контура будущего проема серии шпуров, их заряжании и взрывании железобетонные конструкции толщиной свыше 1 м. При проектной проработке этого способа решаются вопросы расположения шпуров в конструкции и их количество, выбор диаметра и глубины шпуров, порядок и способ взрывания.
Расположение шпуров в забое должно обеспечивать:
- равномерность распределения зарядов и наиболее полное разрушение бетона в пределах заданного контура;
- необходимую степень дробления бетона;
- обнажение арматуры и обеспечения свободного доступа с последующей резке;
- незначительный разброс раздробленного бетона;
- полное взрывание всех зарядов;
- оптимальное количество шпуровых зарядов;
- удобство и быстроту проделывания проемов.
В соответствии с этими требованиями для получения удовлетворительных результатов взрыва схему расположения шпуров в створе будущего проема необходимо выбирать с учетом конкретных условий ведения взрывных работ.
При одной плоскости обнажения железобетонной конструкции условия пробивания в ней сквозного проема наиболее тяжелые. Поэтому шпуры необходимо располагать с таким расчетом, чтобы взрыванием нескольких из них образовать в конструкции дополнительную обнаженную поверхность и облегчить тем самым работу остальных зарядов. Шпуры, служащие для образования дополнительной обнаженной плоскости, называются врубовыми, а полученную после взрыва этих шпуров выемку — врубом. Расширение вруба осуществляется взрыванием зарядов вспомогательных шпуров. Основной объем будущей выемки осуществляется взрыванием зарядов отбойных шпуров, часть из которых оконтурывает выработку по периметру и носит название оконтуривающих.
Возможные схемы расположения шпуров для образования проемов в железобетонных конструкциях толщиной свыше 1 м сечением до 4 м2 отличаются конструкцией вруба (рис. 1).
При центральном (пирамидальном) врубе врубовые шпуры образуют четырехгранную пирамиду в центральной части конструкции.
Двусторонний вруб состоит из двух боковых врубов, направленных
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Рис. 1. Схема расположения шпуров при врубе: а — центральном (пирамидальном); б — двустороннем; в — вертикальном щелевым; г — с котловым зарядом; д — призматическом; 1-4 — очередность взрывания зарядов ВВ
в противоположные стороны.
Вертикальный щелевой вруб состоит из серии параллельных шпуров, образующих вертикальный ряд: расстояние между соседними шпурами 10—20 см с тем, чтобы при взрывании обеспечить образование сквозной вертикальной щели, где в последующем будет производиться взрывание отбойных и оконту-ривающих шпуров.
Во врубе с котловым зарядом, в центральной части забоя располагают два па-
раллельных врубовых шпура на расстоянии 0,3 м друг от друга и глубиной в соотношении 2:3.
Призматический вруб состоит из параллельных и
близко расположенных шпуров, пробуренных перпендикулярно к плоскости железобетонной конструкции; центральный шпур не заряжается.
Эффективность применения той или иной конструкции вруба для разрушения железобетона может быть оценена экспериментальным путем. При этом, при разбуривании шпуров с применением коронок с твердоплавными вставками предпочтение следует отдавать врубам с параллельным расположением шпуров с тем, чтобы исключить помехи при бурении при встрече с арматурой. При сверлении шпуров алмазными сверлами и путем прожигания, для которых стальная арматура не является преградой, возможно
точное заложение шпуров по любой схеме. Благодаря этому при взрывании достигается высокая эффективность разрушения бетона.
Характеристика отечественных станков алмазного бурения приведена в табл. 1.
В задачу расчета параметров буровзрывных работ при пробивании проемов входит определение диаметра, глубины и количества шпуров, веса заряда в шпуре, а также величины заряда на весь объем работ. Кроме того, расчетным путем по существующим методикам оценивается сейсмическое действие взрыва с определением минимально допустимой величины заряда по действию ударной воздушной волны и разрабатываются способы предупреждения разлета осколков железобетона.
Соотношение диаметра шпура и патрона, рекомендуемые СНиП, приведены в табл. 2.
Глубина шпуров выбирается с оставлением защитного слоя толщиной от 0,3 до 0,6 м для предупреждения сильного отброса осколков бетона внутрь помещения. Для различной прочности железобетона толщина слоя определяется предварительными модельными взрывами. Глубина врубовых шпуров принимается на 10 % больше глубины остальных шпуров. Для исключения выброса кусков бетона от врубовых шпуров внутрь по-
мещения в их торце формируется воздушный промежуток. Эффективность работы воздушных промежутков оценивается на основе модельных экспериментов.
Количество шпуров в соответствии с действующим СНиП определяется по эмпирической формуле:
где: (]
Л
(I
Л
К
Кс12 д
удельный расход ВВ, кг/м3; площадь сечения проема, м2; коэффициент использования шпуров; диаметр патронов ВВ, см; гравиметрическая плотность ВВ, г/см3; коэффициент заполнения шпуров.
Удельный расход ВВ типа аммонит № 6ЖВ для бетона марки 500 без арматуры принимается в пределах 1,8—2,1 кг/м3, для железобетона той же марки — на 20—40 % больше. При использовании других типов ВВ перерасчет удельного расхода ВВ производится по соотношению удельной энергии взрыва для данного ВВ.
При пробивании проемов сечением до 4 м2 в железобетонных конструкциях толщиной до 1 м взрыв работает на две свободные поверхности. Поэтому при шпуровом методе проходки проемов шпуры распо-
Таблица 1
Характеристики отечественных станков алмазного бурения
Показатель Модель и техническая характеристика станка (установки)
ИЭ-1801 ИЭ-4353 с консольным редуктором ИЭ-1805 МС-50М Ш 1-1 023 ИЭ-1804М
Диаметр сверления, мм 50-125 25-80 85-160 20-50 25 20-125
Глубина сверления, мм При вертикальном сверлении 380 400 380 270 220 500
При горизонтальном сверлении - - - 270 - 500
Частота вращения шпинделя, об/мин 700/1300 700/1300 600/850 2900 1200 1500
Тип провода Электродвигатель Пневмодвигатель Электродвигатель
АОЛ-222 АОЛ-222 4АХ90 АП-33
Мощность двигателя, кВт 9,9 2,2 3 1,1 1,2 2,2
Рабочее напряжение, В 220 220/380 220/380 36 Сжатый воздух 220/380
Частота, Гц 50 50 50 200 50
Давление сжатого воздуха, МПа - - - - 0,5 -
Давление охлаждающей жидкости, МПа 0,15-0,2 0,15-0,2 0,15-0,2 0,15-0,2 0,2 0,15
Габаритные размеры, мм длина 1440 1050 1250 780 550-690 1000
ширина 510 465 600 400 133 500
высота 1120 1180 1420 140 195 1200
Масса, кг без груза 140 125 130 10,5 5,4 90
с грузом 200 - 200 - - -
Таблица 2
Соотношение диаметра шпура и патрона, рекомендуемые СНиП
Диаметр головки бура, мм 32 36 36 40 43 43 46 52
Диаметр патрона, мм 28 28 32 32 36 37 40 45
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
лагаются равномерно по сечению будущего проема. Отбойка ведется по безврубовой схеме.
Вес заряда на один шпур определяют по формуле:
где: Q — вес заряда в одном шпуре, кг;
/ч — расчетный удельный расход ВВ, кг/м3 (для бетона 0,5—0,6 кг/м3; для железобетона 0,6-0,9 кг/м3);
(Г — линия наименьшего сопротивления, м (принимается равной половине толщины конструкции).
Заряд размещается так, чтобы центр его совпадал с серединой разрушаемой конструкции. Длина заряда должна составлять не более 1/3 ее толщины. Свободную от заряда часть шпура заполняют забоечным материалом. В качестве забоечного материала для всех видов зарядов можно использовать влажную глину и сухие глиняные пыжи как в смеси с песком, так и без него. Шпуры бурятся перфораторами с использованием коронок с твердосплавными вставками. При этом, предварительно по специальной методике с применением соответствующей аппаратуры определяют пространственное расположение элементов арматуры разрушаемой конструкции в сечении будущего проема.
При сверлении шпуров алмазными коронками сетка расположения шпуров не зависит от расположения элементов арматуры, что позволяет наиболее точно выдержать расчетные параметры буровзрывных работ и повысить их эффективность.
Расстояние между шпурами в ряду принимаются для сосредоточенных зарядов (1,0-1,4^, для удлиненных (0,7-1,0^. Расстояние между рядами зарядов принимается (1,3-1,6^. Периферийные шпуры бурятся на расстоянии (0,2-0,4^ от контура будущего проема. Взрывание — электрическое ко-
роткозамедленное. Перед взрыванием выполняются изложенные выше мероприятия по локализации ударной воздушной волны (УВВ), сейсмического действия взрыва и предупреждения разлета осколков железобетона.
Для предупреждения разлета кусков бетона применяются укрытия из железобетонных дорожных плит или специальные сборно-разборные укрытия из металлических листов с отражателями-гасителями скорости отброса кусков.
В ряде случаев возможно применение пенома-териалов для защиты конструкций и оборудования внутри помещения от действия УВВ.
Пена плотностью 10-20 кг/м3 с размером ячеек 1-5 мм, толщиной стенок 10-30 микрон нарабатывается пожарным пеногенератором, стабильность пены более 7 мин. При взрыве на расстоянии R/q1/3 > 0,3 м/кг3 давление в такой пене, по экспериментальным данным, становится меньше давления в воздухе на том же расстоянии, причем на расстоянии R/q1/3 > 0,3 м/кг3 давление меньше уже в 10 раз. При этом УВВ вырождается в волну сжатия со временем нарастания 0,1-1 мс. Таким образом, пена при пробивании проемов может эффективно применяться для снижения акустического воздействия взрыва (гашения УВВ), а также для локализации газообразных продуктов взрыва, аэрозолей и мелких осколков бетона и для адсорбции газообразных продуктов взрыва, проникающих внутрь помещения. Пена нагнетается внутрь помещения через дополнительный сквозной шпур непосредственно перед началом производства взрыва.
Применяемые в горной промышленности бурильные молотки (пневматические и электрические) могут быть использованы для бурения шпуров по железобетону. Однако, наличие арматуры сильно усложняет процесс бурения. При столкновении с ар-
Таблица 3
Среднесменная производительность оператора
Показатели Единица измерения Значение показателей при диаметре алмазной коронки, мм
20 25 35 50 60 85 100 125 160
Среднесменная производительность оператора отв./смену 44 48 41 38 32 30 33 38 17
Глубина сверления м 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5
Среднесменная глубина сверления м/ч 8,8 9,6 8,2 7,6 9,6 9,0 9,9 11,4 8,5
Среднечасовая скорость сверления м/ч 1,1 1,2 1,01 0,95 1,2 1,1 1,24 1,4 1,06
Таблица 4
Среднесменная производительность оператора
Показатели Единица измерения Значение показателей при диаметре алмазной коронки, мм
20 25 35 50 60 85 100 125 160
Среднечасовая скорость сверления алмазными кольцевыми сверлами м/ч 1,1 1,2 1,01 0,95 1,2 1,1 1,24 1,4 1,06
Среднечасовая скорость бурения м/ч - 1,4 0,8 0,6 - 0,5 0,4 - 0,23
матурой приходится рядом забуривать другой шпур. В результате не удается выдерживать проектную сетку расположения шпуров, что значительно ухудшает показатели взрывных работ.
Сверлильные станки с алмазными кольцевыми сверлами позволяют сверлить отверстия и выполнять проемы в стенах и перекрытиях толщиной более метра из различных материалов (спецбетоны, предварительно-напряженный железобетон). Размеры выпускаемых отечественной промышленностью алмазных сверл позволяют сверлить отверстия диаметром 8-160 мм. Для сверления отверстия большой глубины применяются удлинительные штанги.
Образование проемов диаметром более 160 мм осуществляется высверливанием их отверстиями частично перекрывающими друг друга. Среднесменная производительность оператора по сверлению отверстий с помощью этого средства приведена в табл. 3, 4.
К достоинствам этого метода бурения относятся: простота, экономичность, малые габариты и сравнительно малый вес, что позволяет широко применять его при бурении конструкций в стесненных условиях. К недостаткам - сравнительно малая производительность.
К эффективным средствам бурения железобетона относится кислородное копье и порошково-кислородное копье. Кислородное копье представляет собой толстостенную металлическую трубу с наружным диаметром 20-25 мм или газовую трубу диаметром 3/8 дюйма и длиной 3-5 м с заложенными внутрь их низкоуглеродистой проволокой и металлическим стержнем круглого или треугольного сечения, применяется для прожигания в бетоне или ином каменном материале отверстия диаметром 30-120 мм и глубиной до 4 м.
При работе с кислородным копьем к одному концу трубы подводится кислород под давлением 0,6-1,5 МПа, обеспечивающий горение металла и удаление продуктов плавления, а второй конец трубы разогревается до начала горения металла (температура развивается до 2000 °С). Затем горящий конец трубы подводится к месту прожигания отверстия, в процессе которого копье прижимается с силой 30-50 кгс и проворачивается для преодоления вязкости расплавленного материала.
При прожигании отверстий кислородным копьем в бетоне он теряет прочность на расстоянии 60-200 мм от кромки отверстия.
К достоинствам этого средства разрушения бетона относятся большая скорость прожигания отверстий (в 4 раза больше, чем пробивка их пневмоинструментом) и меньшая на 20 % стоимость работы. К недостаткам — большое газовыделение, значительный разлет искр и раскаленных частиц, высокая температура копья и расплавленного материала, что требует довольно сложных мер защиты оператора и окружающих от вредного воздействия. Необходимость применения кислородных баллонов делает эту установку громоздкой и тяжелой.
Порошково-кислородное копье, являющееся разновидностью кислородного копья и представляющее собой стальную трубу, по которой подается кислород и смесь порошков железа (20-30 %) и алюминия
(70-80 % по массе), применяется для прожигания горизонтальных или наклонных (прожигаемых снизу вверх) отверстий.
На выходе из копья порошок воспламеняется, образуя ярко светящийся факел длиной до 100 мм с температурой 4000 °С и выше, при которой и происходит плавление разрушаемого материал. У этого копья те же недостатки, что и у кислородного копья.
Порошково-кислородный резак специальной конструкции, к которому подводятся кислород и флюс, состоящий из смеси порошков железа и алюминия, а также пропан-бутановая смесь или ацетилен - для поддержания горения флюса, применяется для резания бетона и железобетона толщиной 300-400 мм. При значительном увеличении удельного расхода кислорода и флюса возможна резка бетона и железобетона большой толщины.
Перечисленные средства могут быть применены для пробивания проемов в железобетоне самостоятельно по способу просверливания отверстия по периметру будущего проема и последующего удаления отдельных блоков железобетона. Однако наиболее эффективно их использовать в сочетании с взрывными работами. Например, путем создания перечисленными средствами разрушения железобетона дополнительных обнаженных плоскостей (вместо вруба), облегчающих работу взрыва.
Резка вскрытой после взрыва арматуры производится линейными кумулятивными зарядами, устанавливаемыми по контуру арматурной сетки.
Имеется большой опыт применения для резки металла и других материалов следующих отечественных линейных кумулятивных зарядов:
2ТСН-3...27 (диаметр - от 2,6 до 13,2 мм, ВВ -гексоген или октоген, глубина резки металлов - Ст-3
- до 14 мм, АМг-6 - до 28 мм, дробление блока бетона - до 60x60 см);
ШКЗ-1 ...6 (диаметр - от 9 до 32 мм, ВВ - гексоген с полимердобавками, глубина резки металлов - Ст-3
- до 25 мм, АМг-6 до 50 мм);
ЗЛКБ-10-100 (ВВ - на основе балиститных по-рохов, глубина резки металлов - Ст-3 - до 50 мм, АМг - до 100 мм).
Кумулятивный заряд может быть направленный или состоять из отдельных отрезков, прикрепленных непосредственно к разрезаемому арматурному стержню. Отдельные отрезки прерывистого заряда соединяются между собой детонирующим шнуром.
Применение кумулятивного заряда, набранного из отдельных элементов, позволяет уменьшить суммарный вес заряда и тем самым ослабить действие на окружающую среду УВВ. Недостатком заряда является повышенная трудоемкость работ при монтаже взрывной сети.
В заключение необходимо отметить, что приведенное в статье описание технологии образования проемов в железобетонных конструкциях носит в основном качественный характер. Для успешного применения технологии необходимо на основе экспериментальных взрывов отрабатывать конкретные параметры взрывных работ.
Научно-технические разработки
