4Механический способ производства земляных работ

4.1Основные понятия, связанные с разработкой грунта одноковшевыми экскаваторами

В современном строительстве используется много типов одноковшовых экскаваторов с разнообразным рабочим (навесным) оборудованием. Одноковшовые экскаваторы имеют очень широкую область применения, ибо подбирая соответствующий тип экскаватора и рабочее оборудование к нему можно разрабатывать практически любые выемки. Этому способствует простота замены этого оборудования и многообразие его видов (до 40 видов). Одноковшовые экскаваторы могут оснащаться оборудованием, пригодным не только для разработки грунта, но и выполнения, например, таких работ как уплотнение насыпей, забивка свай, монтаж конструкций, корчевка пней и т.д.

Выбор типа экскаватора и рабочего оборудования к нему делается в зависимости от вида земляного сооружения, его размеров, вида грунта, условий работы. Очевидно, что для этого необходимо хорошо знать существующие типы одноковшовых экскаваторов, их особенности. Одноковшовые экскаваторы классифицируются по различным признакам, среди которых в первую очередь необходимо назвать следующие:

• по назначению – универсальные (общестроительные) и специальные (карьерные, вскрышные, плавучие для дноуглубительных и т.п. работ, для мелиоративных работ, тоннельные и т.д.);

• по типу ходового оборудования – гусеничные (с нормальной и уширенной поверхностью гусениц), пневмоколесные, шагающие (в сфере природообустройства применяются крайне редко);

• по типу привода – с механическим, гидравлическим или электрическим приводом;

• по виду опорно-поворотного устройства – полноповоротные (поворот не ограничен) и неполноповоротные (до 270⁰);

• по способу подвески рабочего оборудования – с гибкой подвеской на канатных полиспастах и жесткой подвеской с помощью гидроцилиндров (шарнирно-рычажные или телескопические устройства).

Каждый тип экскаватора имеет свои достоинства и недостатки, соответствующие определенной области применения. Например, карьерные и вскрышные экскаваторы обладают (по сравнению с общестроительными) большей мощностью, большей вместимостью ковша, но они менее мобильны. В частности, экскаваторы с вместимостью ковша 2м³ и более имеют только электрический привод, что позволяет использовать их лишь вблизи электросетей. Экскаваторы на гусеничном ходу отличаются большей проходимостью, чем пневмоколесные, однако они уступают пневмоколесным в маневренности и мобильности (пневмоколесные способны перемещаться «своим ходом» с объекта на объект на значительные расстояния). Экскаваторы с гидравлическим приводом и жесткой подвеской рабочего оборудования, как правило, дороже экскаваторов с механическим приводом и гибкой подвеской, однако они обладают более широкой номенклатурой рабочего оборудования, у них обеспечивается большее количество основных и вспомогательных движений рабочих органов. Экскаваторы с гидроприводом особенно удобны при разработке выемок сложной конфигурации, когда требуется повышенная маневренность и точность движений.

Для количественной характеристики возможностей экскаватора используется система специальных параметров. К ним относятся, например, вместимость ковша, наибольшие радиус копания и радиус выгрузки, наибольшие высота выгрузки и глубина копания, габариты экскаватора, средняя продолжительность рабочего цикла, давление на грунт под гусеницей или ходовым колесом и т.д.

Используется понятие «размерной группы машины», отражающее мощность машины, ее массу, и, конечно, вместимость ковша. Установлено 8 размерных групп одноковшовых экскаваторов, но в настоящее время в РФ серийно выпускаются общестроительные экскаваторы только второй – шестой групп. Согласно требованиям действующих стандартов, вместимость ковша второй группы машин должна быть в пределах 0,25…0,28 м³, третьей – 0,4…0,65 м³, четвертой – 0,65…1,0 м³, пятой – 1,0…1,6 м³, шестой – 1,6…2,0 м³.

Радиус копания – это расстояние от оси вращения экскаватора до зубьев ковша.

Радиус выгрузки – расстояние от оси вращения до центра тяжести ковша в момент выгрузки.

Высота выгрузки – расстояние от уровня стоянки экскаватора до нижней части ковша в момент выгрузки.

Перечисленные технологические параметры могут иметь для одного и того же экскаватора различные значения в зависимости от угла наклона стрелы, способа копания. В каждом случае важно знать их минимальные и максимальные величины.

Глубина копания – наибольшая глубина выемки, которая может быть образована экскаватором с одной стоянки.

На рисунке 4 показаны общий вид и основные части типичного экскаватора (изображен экскаватор с рабочим оборудованием «обратная лопата», но в данном случае это не имеет значения, так как приведенные названия частей у всех экскаваторов одинаковы).

Рисунок 4 Основные части экскаватора:

1 – ковш, 2 – рукоять, 3 – стрела, 4 – ходовая часть (ходовое устройство), 5 – поворотная платформа, 6 – опорно-поворотное устройство, 7 – кабина машиниста

При разработке грунта одноковшовыми экскаваторами работы ведут позиционно. Это означает, что экскаватор, находясь на той или иной позиции (стоянке), сначала выполняет всю работу, которую можно сделать с этой позиции, затем он перемещается на другую позицию, на ней выполняет работу, затем на следующую и т.д. Желательно при этом, чтобы число позиций было минимальным, но таким, чтобы не возникали недоборы грунта. Зона, в которой действует экскаватор на данной позиции, называется забоем.

Обычно стоянки экскаватора располагаются в один или несколько рядов. Выемку, разработанную экскаватором со стоянок какого-либо одного ряда, называют проходкой или проходом (в соответствии с этим существуют понятия «откопка в одну проходку», «откопка в две проходки» « в три проходки» и т.д.)

На рисунке 5 приведены два простейших случая расположения проходок при откопке широких котлованов.

В строительной практике чаще применяется вариант с проходками, параллельными меньшей стороне котлована (рисунок 5а). Въезд в котлован, показанный на рисунке 5 пунктиром, необходим при использовании экскаваторов, разрабатывающих грунт выше уровня своей стоянки (подробнее об этом см. разделы 2.3.2…2.3.4). При экскаваторах, разрабатывающих грунт ниже уровня стоянки, въезд может не делаться, т.е. можно ограничиваться лестницей-стремянкой для спуска людей в котлован, если, конечно, не планируется работа каких-либо машин внутри котлована.

Из множества видов рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов наиболее широкое распространение получили следующие четыре вида (см. рисунок 6):

Рисунок 6 Основные виды сменного рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов (на примере экскаваторов с механическим приводом и гибкой подвеской оборудования):

а –прямая лопата, б – обратная лопата, в – драглайн, г –крановое оборудование (подъем и сбрасывание трамбовок, клин-бабы и проч.), д – грейфер; 1 и 2 – полиспасты подъема стрелы и ковша, 3 – ковш прямой лопаты, 4 – рукоять, 5 – напорный механизм, 6 – стрела, 7 – передняя стойка, 8 – ковш обратной лопаты, 9 – тяговый полиспаст, 10 и 12 – решетчатая стрела и ковш драглайна, 11, 13 и 14 – подъемный, разгрузочный и тяговый канаты, 15 – механизм наводки, 16 – замыкающий канат, 17 – грейферный ковш

• драглайн – устройство в виде ковша на гибких подвесках (тросах), предполагающее копание «на себя», т.е. режущая кромка ковша находится со стороны, ближайшей к кабине машиниста (рисунок 6в);

• прямая лопата – устройство в виде ковша, закрепленного на конце специального стержня – рукояти, шарнирно соединенного со стрелой, приспособленное для копания «от себя», т.е. режущая кромка ковша находится со стороны, противоположной кабине машиниста (рисунок 6а);

• обратная лопата – устройство, также имеющее ковш и рукоять, но приспособленное для копания «на себя», т.е. режущая кромка ковша находится со стороны, ближайшей к кабине машиниста (рисунки 4 и 6 б);

• грейфер – устройство, включающее ковш (чаще всего на гибких подвесках), снабженный поворотными челюстями для захвата грунта (рисунок 6д).

• крановое оборудование предполагает использование вместо ковша оборудования подъемных кранов (крюка, строп, траверс и др.), с помощью которого экскаватор превращается в машину для монтажных или погрузочно-разгрузочных работ (рисунок 6г); при земляных работах подобное оборудование используется как техника для ударного уплотнения насыпных или просадочных грунтов, рыхления скальных или мерзлых грунтов (подъем и сбрасывание трамбовки, клин-бабы и проч.).

Каждый вид оборудования имеет свои достоинства и недостатки, свои особенности, которые определяют его область применения.

Процесс разработки грунта одноковшовыми экскаваторами при любом рабочем оборудовании включает цикл из следующих операций:

• резание грунта и заполнение ковша;

• подъем ковша с грунтом,

• поворот экскаватора вокруг вертикальной оси к месту выгрузки,

• выгрузка грунта,

• обратный поворот экскаватора,

• опускание ковша и подача его в исходное положение для заполнения новой порцией грунта.

Продолжительность всего цикла зависит от типа экскаватора, вида рабочего оборудования, условий работы и обычно колеблется в пределах 12 …80 секунд.

В целях оптимизации технологии разработки грунта вместимость ковша целесообразно принимать в зависимости от объема выемки. При объеме выемки менее 10 тыс. м³ обычно наиболее подходящими являются ковши вместимостью 0,25…0,35 м³, при объеме менее 10…20 тыс. м³ – ковши 0,5…0,65 м³, при 20…50 тыс. м³ – ковши 1…1,25 м³ и т.д.

Разработка котлованов и траншей под фундаменты обычно ведется одноковшовыми экскаваторами с регламентируемым «недобором» грунта – последние 15…20см добираются вручную непосредственно перед закладкой этих фундаментов. Это связано с двумя причинами.

Во-первых, точность отметки дна котлованов при использовании «обычных» ковшей без специальных устройств, обычно составляет (15…20) см, в то время как для закладки фундамента обычно требуется точность 5 см. Возникают недопустимые «недоборы» и «переборы» грунта, требующие соответственно срезки или подсыпки. Если срезка «недоборов» не представляет проблемы, то засыпка и уплотнение его в местах «переборов» всегда создает затруднения. Необходимо для этого использовать гравий, щебень или песок, ибо уплотнение глинистого грунта до состояния, соответствующего естественному, практически осуществить очень трудно (хотя это и допускается нормами). Откопка же котлованов с заранее принятым «недобором» позволяет исключить необходимость подсыпок.

Для уменьшения требуемого «недобора» грунта разработаны (хотя и недостаточно широко внедрены в практику) специальные устройства, резко повышающие точность копания – скребковые ножи и проч.

Вторая причина регламентируемого «недобора» грунта связана с опасностью длительного нахождения котлованов «под открытым небом». Грунт на дне котлована снижает свои механические свойства под влиянием атмосферных воздействий, поэтому длительность такого процесса должна быть сокращена до минимума. По этой причине, если невозможно организовать устройство фундамента сразу же после откопки котлована или траншеи, целесообразно механическую откопку вести с «недобором», а оставшиеся 10...20см грунта снимать непосредственно перед закладкой фундамента.

Перед производством любых земляных работ руководитель должен тщательно изучить документацию о расположении подземных коммуникаций в зоне разработки грунта. В местах пересечения траншей или котлованов с подземными коммуникациями работы должны выполняться только вручную, а в особых случаях – под непосредственным надзором представителя службы эксплуатации подземного хозяйства. Нарушение такого правила крайне опасно, ибо оно способно повлечь за собой не только материальные убытки, но и гибель людей (например, при столкновении с кабелями высокого напряжения).