Косолапов Андрей Владимирович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
advertisement
На правах рукописи Косолапов Андрей Владимирович РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА И РЕКОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛМАЗНОЙ РЕЗКИ И СВЕРЛЕНИЯ Специальность- 05.23.07 – Гидротехническое строительство АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2011 1 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Зерцалов Михаил Григорьевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Марчук Алексей Николаевич кандидат технических наук Зимнюков Владимир Анатольевич Ведущая организация: ОАО Проектно-изыскательский и научноисследовательский институт им. С.Я. Жука (ОАО «Институт Гидропроект») Защита состоится ______________ 2011 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.212.138.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: г. Москва, Ярославское ш. дом 26, аудитория 505 Г. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет». Автореферат разослан « » ________ 2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета Орехов Г.В. 2 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность темы исследования. При ремонте и реконструкции гидротехнических сооружений особое внимание уделяется неразрушающему воздействию на существующие конструкции при демонтаже бетонных элементов сооружений, а также при изготовлении в них проемов и отверстий. С 1975 года в европейских странах и США началось использование алмазных стенорезных машин для резки строительных конструкций из бетона и железобетона. В 1992 году эту технологию стали применять в нашей стране. Новизна технологии заключается в применении алмазного инструмента в качестве рабочего органа стенорезной машины, которая не создает ударных нагрузок при воздействии на конструкции и не оставляет при работе макро- и микротрещин в теле сооружений. Отсутствие трещинообразования в конструкциях делает эту технологию особенно востребованной в гидротехническом строительстве, так как, при ремонте, реконструкции и демонтаже гидротехнических объектов нарушение их сплошности недопустимо. Применение технологии алмазной резки и сверления при ремонте и реконструкции гидротехнических объектов позволяет решать уникальные задачи, которые невозможно решить другими методами. Он позволяет с высокой точностью выполнять как резку конструкций, так и сверление в них отверстий. Метод являяется единственным, позволяющим проводить работы по ремонту и демонтажу в подводных условиях. Кроме того, применение метода резки и сверления позволяет во многих случаях при проведении работ затратить меньше времени, что делает его применение более экономичным по сравнению с другими методами. Цель диссертации – разработать научное обоснование технологии ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений с применением алмазного сверления и резки. Для достижения цели были сформулированы следующие задачи: - разработать теоретическое обоснование эффективности технологического процесса ремонта и реконструкции гидротехнических объектов методом алмазной резки и сверления; - исследовать влияние производственных факторов на эксплуатационную производительность алмазных машин и механизмов, занятых в технологическом процессе ремонта, реконструкции и демонтаже гидротехнических сооружений; - исследовать и определить экономическую и организационную эффективность использования данной технологии. Объектом исследования являются процессы, связанные с организацией и технологией ремонта гидросооружений. Предметом исследований является совокупность теоретических, методических и практических аспектов организации и технологии ремонта гидросооружений, при использовании алмазной резки и сверления. Научная новизна работы: научно обоснованы рекомендации по организации технологического процесса при ремонте, реконструкции и демонтаже гидротехнических объектов, с применением алмазной резки и сверления. 3 Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные рекомендации позволяют организовать неразрушающий оптимальный технологический процесс ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений с использованием алмазной резки и сверления бетона и железобетона. На защиту выносятся: разработка технологии реконструкции, ремонта и демонтажа гидротехнических объектов с использованием процесса алмазной резки и сверления и возможности оптимизации процесса на различных гидросооружениях. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена результатами, полученными при использовании алмазной резки и сверления для реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений. Личный вклад автора состоит в том, что соискатель, используя международный и свой многолетний опыт применения алмазной резки и сверления при реконструкции, ремонте и демонтаже сооружений различного назначения, оценил преимущества, которые алмазная резка и сверление могут дать при использовании в гидротехническом строительстве и дал научное обоснование эффективности технологических процессов предлагаемого метода. Принимая во внимание технологические особенности алмазной резки и сверления, позволяющие выполнять работы, не нарушая монолитность гидротехнического объекта, а также минимально вредное его влияние на окружающую среду, соискатель активно разрабатывал и внедрял, основанную на методе алмазной резки и сверления технологию ремонта и реконструкции гидросооружений в практику отечественного гидротехнического строительства. Результаты проведённых автором исследований использовались: при проектировании Красно-Полянской ГЭС-2, при реконструкции плотины гидроузла «Кузьминск» на р. Ока, при ремонте объектов канала им. Москвы, при реконструкции Акуловского гидроузла и нефтеналивного причала Новороссийского порта, а также при восстановительных и ремонтных работах на Саяно-Шушенской ГЭС. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в двух изданиях рекомендуемых ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, списка литературы из 110 наименований и приложений на 11 страницах. Объем диссертации составляет 194 страницы, включая 134 страницы текста, 18 таблиц, 76 иллюстраций. Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, поставлена цель, сформулированы задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы. В первой главе, представлены достоинства и преимущества алмазной резки и сверления перед другими методами, применяемыми при реконструкции, ремонте и демонтаже гидротехнических сооружений, проиллюстрированы многочисленными примерами из зарубежной практики. 4 - Канал для водоснабжения Южной Калифорнии (Colorado River Aque-duct). После 62 лет эксплуатации в суровых климатических условиях пустыни возникла необходимость замены облицовки откосов канала на участке в165 км. Длина удалённой с помощью алмазной резки облицовки и замена её новой составила 5400 м, общей площадью 9000 м². - Плотина Ross River (Австралия). В 2001 г. была обследована с учётом новых требований, предъявляемых к безопасности подобных сооружений. Комиссия экспертов рекомендовала для установки затворов, регулирующих уровень воды в водохранилище и попуск расходов в нижний бьеф, уменьшить высоту водослива на 3,45м. Вся работа по понижению высоты водослива была выполнена за 2,5 недели. - Плотина гравитационного типа Yuzuruha (Япония) имеет высоту 42м и длину по гребню 173м. В процессе эксплуатации было установлено, что наличие одного глубинного водосброса недостаточно для надёжного регулирования паводковых расходов. Поэтому было принято решение о сооружении второго горизонтального тоннельного водосброса, располагаемого в створе первого, но на 25м выше. Первоначально в теле плотины с помощью алмазных коронок высверливался контур верхней полукруглой части тоннеля и формировался его свод. Затем канатной машиной была выполнена резка вдоль днища и боковых стенок формируемого проема. - Здание ГЭС гидроузла Капанда (Ангола). Для демонтажа временного водовода, сооружённого в здании ГЭС в строительный период, использовались как алмазная резка, так и сверление. Демонтаж водовода осложнялся тем, что проводился в условиях ограниченного пространства, исключавших другие методы демонтажа. В диссертации приводятся также примеры из личного опыта соискателя по использованию «алмазных» технологий при ремонте и реконструкции отечественных гидротехнических объектов. - Канал им. Москвы. В процессе эксплуатации канала в стеновых конструкциях шлюзов, в результате коррозии и механического воздействия, образовались значительные повреждения защитного слоя бетона. Для проведения работ по ремонту стен камеры шлюза № 5 Яхромского гидроузла решили использовать две технологии одновременно. С одной стороны шлюзовой камеры был применен буровзрывной метод, с другой - метод алмазной резки. Работы проводились после закрытия навигации при температуре воздуха ниже минус 20º С и при силе ветра в камере шлюза до 15 м/с. В случае использования алмазной резки для удаления старого бетона с последующей укладкой нового, все работы были выполнены в течение трех дней. На выполнение того же объема работ с помощью буровзрывного метода потребовалось десять дней. - Акуловский гидроузел. При производстве работ по реконструкции гидроузла проектом была предусмотрена прокладка дополнительных водоводов и подключение их к существующей распределительной камере. В этой монолитной 5 железобетонной камере было необходимо устроить круглое отверстие в вертикальной стене диаметром 2,25 м и глубиной до 2,50 м. Первоначально использовался буровзрывной метод, однако, его применение привело к образованию макро- и микротрещин в теле сооружения. Также оказался неприменим метод разрушения с помощью отбойного молотка из-за того, что образовавшаяся при работе запылённость, полностью закрывала зону работ и превышала допустимые нормы производственной безопасности. Для решения задачи было предложено использование алмазного сверления. По контуру будущего проема были просверлены секущиеся отверстия диаметром 120 мм, что позволило отсечь внутреннюю часть массива от сооружения и сформировать проем. - Новороссийский морской порт. При реконструкции порта был проведен ремонт нефтеналивного пирса. В процессе эксплуатации между плитами пирса образовались промежутки, вызванные перемещениями плит, что привело к потере сооружением монолитности. Для её восстановления был решено стянуть плиты между собой путем пропущенных через них тросов (попеременно с верхней стороны плиты и с нижней). Для этого в каждой плите предусматривалось изготовление двух пар встречных по направлению цилиндрических каналов под углом 25 градусов к горизонту диаметром 80 мм и глубиной 180 см. Устройство этих каналов требовало большой точности и оказалось возможным только с использованием прецизионного алмазного сверления. При реконструкции водосливной плотины гидроузла «Кузьминск» на р. Оке для укрепления сооружения возникла потребность в разборке и снятии облицовки верхней части правого устоя плотины. При проектировании было предложено решить эту задачу методом алмазной канатной и дисковой резки. Сооружение представляет собой комбинацию блочной кладки из природ-ного камня с железобетонными фрагментами. В теле опоры были обнаружены трещины, а некоторые части сооружения были смещены, что, в результате, вызвало необходимость укрепления конструкции путем заключения ее в железобетонный каркас. Для бетонирования верхней плиты необходимо было снять 200 мм верхней поверхности устоя, не нарушая целостности сооружения. Изначально была проведена разбивка массива на блоки весом не более 4т. Затем была произведена подсечка массива под основание с помощью канатных машин. Резка проводилась параллельно лицевой поверхности, после чего отрезанные блоки удалялись из сооружения на утилизацию. Отдельного внимания, благодаря его уникальности, заслуживает рассмотрение технологии ремонтных работ, основанных на использовании метода алмазной резки, при восстановлении Саяно-Шушенской ГЭС. После аварии, были выполнены работы по демонтажу железобетонных конструкций перекрытий машинного зала на гидроагрегатах (ГА-2, ГА-7 и ГА-8), а также монолитного бетона 9-го яруса на ГА-2. 6 При демонтаже гидроагрегатов была применена технология алмазной резка статора, изготовленного из электротехнической стали, а также, кольца и вала ротора. На ГА-2 выполнялась алмазная канатная резка перекрытия толщиной 800 мм и размерами в плане 33 на 24 метра. Конструкция разрезалась на блоки весом до 15 тонн. Аналогичные работы выполнялись и на других гидроагрегатах. При демонтаже железобетона на 9-м ярусе бетонирования был применен метод глубинной канатной резки для формирования блоков с размерами основания 2 х 2,5 м. Применение «алмазных» технологий при восстановительных работах на Саяно-Шушенской ГЭС, наглядно продемонстрировало возможность с их помощью решать уникальные инженерные задачи, связанные с ремонтом и реконструкцией гидротехнических сооружений различных типов. Оценивая применение алмазной резки и сверления в гидротехническом строительстве, следует отметить что, несмотря на 30-ти летний опыт применения метода при ремонте, реконструкции и демонтаже гидросооружений, до сих пор не разработаны основы технологии его использования. Это приводит к ситуации, когда несколько организаций выполняющих одно и тоже задание, основываясь на своем опыте и интуиции, могут справиться с ним за различное время, причем разница может достигать нескольких раз. Вышесказанное показывает необходимость разработки нормативной документации, обеспечивающей наиболее эффективную технологию использования алмазной резки и сверления в гидростроительстве В заключение, в главе сформулированы основные преимущества ремонта, реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений, основанных на применении алмазной резки и сверления: - при использовании алмазной резки и сверлении не возникают динамические нагрузки на сооружение, что не приводит к трещинообразованию и не нарушает монолитности сооружения, позволяя при этом получить высокую скорость выполнения работ при более низких, по сравнению с другими технологиями, трудозатратах; - технология обеспечивает высокую точность сверления и реза бетонных и железобетонных сооружений на элементы произвольной формы, не накладывая ограничений на размеры вырезаемых элементов; - высокая компактность и мобильность используемого оборудования дает возможность проведения работ в ограниченном пространстве, полностью удовлетворяя при этом требованиям производственной безопасности по уровню шума и степени загрязнения рабочего пространства; - данная технология оказывает минимальное влияние на окружающую среду, что делает её экологически более «чистой» по сравнению с другими технологиями, используемыми при реконструкции, ремонте и демонтаже гидротехнических сооружений. Учитывая, что целью работы является обоснование конкретной строительной технологии, отмечается, что в общем случае под термином «строительная технология» понимается совокупность действий, способов и средств, направленных на 7 обработку исходных природных и искусственных материалов. При этом принимается во внимание изменение характеристик материалов, их состояние и положение в пространстве с целью создания законченной строительной продукции заданных параметров и качества. Здесь же рассматриваются основные компоненты строительных технологий и, на основе анализа использования метода алмазной резки и сверления при реконструкции, ремонте и демонтаже, как зарубежных, так и отечественных гидротехнических объектов, определяются основные составляющие элементы технологии ремонта и реконструкции гидросооружений с применением указанного метода. Во второй главе приведен анализ особенностей и специальные требований при использовании алмазной резки и сверления в гидротехническом строительстве. Анализ международного и отечественного опыта, включая приведённые выше примеры, позволил также выявить особенности технологии ремонта и реконструкции гидротехнических объектов с использованием алмазного сверления и резки и её отличие от проведения подобных работ в других отраслях строительства (табл. 1). Таблица 1. №№ Промышленно-гражданское и другие виды строительства 1. Объемы демонтируемых элементов массивов и конструкций имеют стандартные размеры 2. Проведение работ возможно в любое время года 3. 4. 5. 6. Гидротехническое строительство Демонтируемые элементы намного крупнее, и различаются как по объему, так и по форме в 10 и более раз Сезонность проведения работ по ремонту и реконструкции гидросооружений (шлюзы, каналы и пр.) и особый график проведения работ (в период закрытия навигации, в межпаводковый период и пр.) Чаще всего доступ к месту выполнения Как правило, возможность доступа к работ обеспечен со всех сторон месту проведения работ ограничена сооружения Применение любой модификации Выбор модели крана полностью зависит кранов при демонтаже отрезанных от конкретных условий доступа к месту конструкций производства работ (во многих случаях отсутствует возможность применения крана при демонтаже отрезанных элементов, что вызывает необходимость применения лебедок и талей) Отсутствие подводных работ. Проведение работ по ремонту и реконструкции подводных частей сооружений, что требует применения специально разработанной техники с гидравлическим приводом рабочего органа и усложняет контроль в процессе выполнения работ Требования по сохранению Повышенные требования к сохранению 8 7. 8. 9. 10. 11. 12. монолитности конструкций не монолитности конструкций и оговариваются образованию в них трещинообразования .Влияние производства работ на Повышенные требования к состоянию состояние основания сооружения не основания при замене лицевого бетона учитывается. или демонтаже элементов сооружения в нижнем бьефе, облицовок откосов каналов и стенок шлюзов. Средняя насыщенность техникой, не Высокая насыщенность техникой на более 1 машины на 20 м² захватке (до 4 машин на 20 м²) , вызванная большими объемами работ на одном объекте. Дополнительные мероприятия по технике безопасности Применение всей линейки Применение машин повышенной оборудования мощности, вызванное массивностью ремонтируемых сооружений и, как следствие, большими объемами работ на одном объекте. Дополнительные мероприятия по технике безопасности Стандартные требования к качеству Повышенные требования к качеству выполняемых работ выполняемых работ. Недопущение нарушения монолитности сооружения Стандартные требования к Повышенные требования к соблюдению соблюдению правил производственной правил производственной безопасности, безопасности связанные с особо опасными условиями производства работ. Дополнительные мероприятия по технике безопасности Стандартные требования по охране Повышенные требования по сохранению окружающей среды. окружающей среды при проведении работ в водоохраной зоне Для верного выбора алмазной техники необходимо знать весь спектр характеристик используемого в данной технологии оборудования и инструмента. Учитывая это, в конце главы даётся подробный обзор «алмазной» техники, дающий полное представление о её особенностях и областях применения. Третья глава посвящена обоснованию разработанной соискателем методики организации технологического процесса при производстве работ по ремонту и реконструкции гидросооружений с использованием алмазной резки и сверления. В случае алмазной резки технологическая цепочка состоит из методики подбора оборудования, выбора схемы резки и определения времени производства работ. При выполнении работ по резке бетона и железобетона, необходимо также правильно выбрать машины и механизмы для демонтажа отрезанных элементов, к которым относятся подъемный кран (в случае возможности его применения на объекте), а также автотранспорт для транспортировки бетонных и железобетонных элементов к месту их утилизации. Время работ, выполняемых с помощью алмазной резки, зависит не только от времени, затрачиваемого на весь технологический цикл, начиная с установки 9 используемой техники и кончая её демонтажем. Очень много зависит от выбранной схемы разрезки сооружения, а также от веса и размера элементов, на которые будет разрезана бетонная или железобетонная конструкция. Для того, чтобы минимизировать количество резки при выполнении работ перед их началом производится расчет максимального веса отрезаемого элемента, который определяется, как наибольшей грузоподъёмностью используемого крана, так и его грузоподъёмностью при различных вылетах стрелы. Это позволяет связать месторасположение отрезаемых элементов железобетонных конструкций с местами стоянок крана, чётко ограничивая зону его действия. Знание максимального веса элемента (блока) G, позволяет перейти к расчету его геометрических параметров. При удельном весе бетона объем V блока: V=G/γ. (1) Определив объем V блока и его высоту (глубину реза) H, следует рассчитать площадь поверхности блока S в плане: V . (2) H Далее определятся форма блока, которая обеспечит наиболее оптимальную схему разрезания конструкции при минимальной площади реза. Рассмотрение различных форм блока показывает, что наиболее простая схема разрезания имеет место при форме блока в виде прямоугольного параллелепипеда. При этом, в случае одинаковой глубины реза Н и различной площади прямоугольной поверхности блока, длина реза определится соотношением длинной и короткой сторон прямоугольника. При равной площади периметры этих трёх прямоугольных фигур различаются, и весьма значительно. Расчеты показали, что оптимальной схемой разрезания конструкции на элементы является схема, при которой поверхность каждого элемента представляет собой квадрат. Принимая форму поверхности вырезаемого элемента в виде квадрата и зная его площадь, определим длину стороны квадрата: l S, (3) где l - длина единичного реза. Для определения длины реза всей конструкции L определяется общее число единичных резов: S= N 2n n/ 2, 2 (4) где N - общее число единичных резов, n - общее число элементов, n / - общее число крайних элементов. Длина реза всей конструкции: L= N×l . (5) Рассмотренная схема резания возможна лишь в том случае, если отрезаемые элементы имеют одинаковый вес и их демонтаж осуществляется при одном 10 вылете стрелы крана. В случае, когда необходимо менять вылет стрелы, конструкция в плане делится на зоны, в зависимости от грузоподъёмности крана при различных вылетах стрелы, определяющих вес единичного элемента каждой зоны. Общее число резов в каждой из зон: n/ N 2n n // 2 , 2 (6) где n // - число элементов, прилегающих к соседней зоне. Если поверхность отрезаемого элемента представляет собой прямоугольник, общая длина реза конструкции подсчитывается как сумма единичных резов отдельно вдоль длинных и отдельно вдоль коротких сторон прямоугольников, на которые разбивается поверхность конструкции: (7) N nm , где N – общее число резов вдоль длинных или коротких сторон прямоугольников, n – общее число блоков элементов, m - число элементов в одном ряду вдоль длинных или коротких сторон прямоугольников. При необходимости разбивания плиты на зоны общее число единичных резов плиты вдоль границы зоны подсчитывается по формуле (7), которая записана в виде: (8) N nmk , где k – число элементов в ряду, параллельном границе зоны. Одним из основных факторов, определяющих эффективность технологического процесса, является фактор времени, затраченного на выполнение составляющих процесс операций, как для алмазной резки, так и для алмазного сверления. С целью его изучения были проведены исследования зависимости этого фактора от скорости резания, зависящей от длины и глубины реза, условий проведения работ и прочности бетона. К условиям проведения работ, которые сказываются на их продолжительности, можно отнести погодные факторы (температура воздуха), работу в стесненных условиях (размеры помещения), работу с туры, лесов и подмостей (высота или расстояние от пола) и наконец, армированность конструкций (отношение площади перерезаемой арматуры к общей площади реза или площади развертки цилиндра сверления). Исследования влияния этих факторов проводились на основе обработки статистических данных, накопленных автором за время работы на строительных объектах. Специальных лабораторных исследований не проводилось, поэтому полученные данные требуют дальнейшего уточнения. Для определения влияния этой группы параметров введем общий коэффициент увеличения продолжительности работ. Коэффициент выведен эмпирическим путем, на основе анализа многочисленных экспериментальных измерений: k пов k клим k сту k выс k арм 4 11 , (9) где k кл им - коэффициент, учитывающий сложность проведения работ в сложных температурных условиях. При отрицательных значениях температуры окружающего воздуха (с -5 по -25Сº) необходимы дополнительные мероприятия по организации водоснабжения, дополнительное время на обогрев оператора, дополнительное время на полный слив воды и продувку системы сверления при перестановке на другую захватку и пр. При производстве работ в условиях повышенных температур значение коэффициента также изменяется с повышением температуры воздуха. Значения коэффициента k клим приведены в табл. 2. Таблица 2. Температура,ºС 0 -5 -10 -15 -20 -25 Значение коэффициента k кл им 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Температура,ºС Значение коэффициента k кл им +25 +30 +35 +40 +45 +50 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 k сту - коэффициент, учитывающий проведение работ в сложных стесненных условиях. Значение коэффициента зависит от степени и вида стесненности (ограничение по высоте, по ширине или длине помещения). Значения коэффициента даны в табл. 4. Таблица 3. Размеры рабочей зоны (ширина, длина, высота),мхмхм 2 х 2х 3 2 х2 х 2,5 2 х2х 2 1,5 х 2 х 2 1,5 х 1,5 х 2 1,5 х 1,5 х 1,5 1 х 1,5 х 1,5 Значение коэффициента k сту 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 k в ыс - коэффициент, учитывающий трудоёмкость проведения работ на высоте, что требует применения подмостей, лесов и пр.. Значения коэффициента даны в табл. 4. Таблица 4. Значение коэффициента k в ыс 1,0 1,05 1,10 1,15 1,2 1,25 Высота, м 2 3 4 5 6 7 12 k арм - коэффициент армированности, учитывающий увеличение сложности при проведении работ по резке железобетона с высокой насыщенностью арматурой. Зависимость коэффициента армированности от процента армированности дана в табл. 5. Таблица 5. Процент армированности, % Значение коэффициента k арм 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 1,0 1,1 1,15 1,25 1,4 1,55 1,75 1,9 Коэффициенты равно применимы как для алмазной резки (и дисковой и канатной), так и для алмазного сверления. Проанализируем технологию ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений методом алмазной дисковой резки. При выборе оборудования для дисковой резки необходимо рассмотреть факторы, влияющие на выбор техники (табл. 6), и, исходя из этого, выполнить подбор необходимой техники Таблица 6. № 1. Факторы влияния глубина реза 2. длина реза 3. степень армированности бетона* работа в стесненных условиях работа с подмостей и лесов технические параметры оборудования 4. 5. 6. Рекомендации Максимальная глубина реза стенорезной машины определена техническими параметрами завода-изготовителя, но для получения оптимальной производительности рекомендуется использование оборудования, имеющего, как минимум, 20% запаса по глубине реза. При глубине реза до 30 см возможно использование стенорезных машин с электрическим приводом. При глубине реза до 50 см возможно использование высокочастотных стенорезных машин. Для получения минимального количества квадратных метров реза, рекомендуется производить разбивку разрезаемого элемента конструкции на фрагменты с геометрической формой стремящейся к форме квадрата. При длине реза более 2 метров рекомендуется использование дополнительных рельсов. При проценте армированности выше 1,5% рекомендуется применение стенорезных машин с гидроагрегатами не ниже 20 кВт, при 4,5% и выше – мощность должна быть не менее 30 кВт Рекомендуется применение стенорезных машин с пультом дистанционного управления Рекомендуется применение стенорезных машин с пультом дистанционного управления Для сравнения технических параметров оборудования и их сравнения рекомендуется применять «Технические параметры алмазной техники, рекомендованные к упоминанию в технической информации заводов 13 изготовителей» - Международный документ, приятый Международной ассоциацией специалистов по алмазной резке и сверлению (IACDS). *степень армированности бетона - отношение площади перерезаемой арматуры к общей площади реза или площади развертки цилиндра сверления Для определения времени необходимого для выполнения работ по алмазной дисковой резке железобетона, производится предварительный расчет, основанный на особенностях технологического процесса. Для получения данных по временным параметрам технологических операций был проведен хронометраж при различных условиях проведения работ, различных физических данных оператора, различных глубинах резки и различной длине единичного реза. Полученные данные были обработаны и в дальнейших расчетах применялись усредненные показатели. Общее время резки есть сумма времени единичных серийных резов. Время, затраченное на выполнение единичного реза, состоит из времени монтажа машины и оборудования для резки, время резки, время демонтажа и время перемещения оборудования и инструмента на следующее место производства работ. (10) Tед. рез k пов ( t м t рез t дм t пер ) , где k пов - повышающий коэффициент, t м - время монтажа, t рез - время резки, t дм время демонтажа, t пер - время перемещения оборудования и инструмента на следующее место производства работ. Рассматривая время резки необходимо исследовать зависимость скорости проходки от прочности бетона. Анализ графика этой зависимости наглядно показывает, что между скоростью проходки и возрастанием прочности бетона существует практически линейная зависимость. Эту зависимость можно выразить формулой: (11) Vпр = 6,2 – R· 0,00488 где Vпр - скорость проходки по бетону, м²/ч, кгс/см², табл. 7. R – средняя прочность бетона, Таблица 7. Класс бетона В3,5 В5 В7,5 В10 В12,5 В15 В20 В25 В30 В35 Скорость проходки, м²/ ч. 6,2 5,8 5,5 5,4 5,3 5,1 5,0 4,7 4,3 4,0 14 В40 В45 В50 В55 В60 3,6 3,3 3,0 2,6 2,4 Далее рассмотрим технологию ремонта и реконструкции гидросооружений методом алмазной канатной резки. Выбор оборудования для канатной резки определяется так же, как и в случае дисковой резки, с учётом факторов влияния, представленных в табличной форме (таблица приведена в диссертации). Для расчета времени производства работ, применительно к канатной резке, можно пользоваться тем же алгоритмом, что применим к дисковой резке, то есть формула (10) справедлива и для канатной резки. Как показывает практика, зависимость скорости проходки от прочности бетона при канатной резке имеет такой же вид, как и при дисковой резке и ее можно выразить формулой: (11) Vпр = 3,5 - R· 0,00357 Для удобства пользования зависимость скорости проходки от прочности бетона при канатной резке приведена в табличной форме (табл. 8). Таблица 8. Класс Бетона В3,5 В5 В7,5 В10 В12,5 В15 В20 В25 В30 В35 В40 В45 В50 В55 В60 Скорость проходки, м.кв./час 3,35 3,26 3,15 3,03 2,91 2,8 2,56 2,33 2,09 1,86 1,62 1,39 1,16 0,92 0,69 При рассмотрении технологии реконструкции гидротехнических сооружений методом алмазных технологий необходимо остановиться на еще одном ее компоненте – на алмазном сверлении. Технологическая последовательность включает в себя выбор оборудования, построение технологической схемы и расчет времени, необходимого для выполнения работ. 15 Как было сказано выше, влияющие на время производства работ для резки и сверления, одинаковы, таким образом, поправочные коэффициенты, полученные для алмазной резки, будут справедливы и для сверления. Для расчета времени производства работ необходимо определить время сверления. Общее время сверления есть сумма времени единичных серийных сверлений: Tсв Tсв .ед . (12) Время сверления единичного отверстия, можно записать как: Tсв .ед k пов ( t м t cв t дм t пер ) , (13) где t м - время монтажа, t cв - время сверления, t дм - время демонтажа, t пер - время перемещения оборудования и инструмента на следующее место производства работ. Время монтажа складывается из следующих временных отрезков: (14) t м t анк t уст t пв t пэ t ук , где t анк - время необходимое на установку анкера складывается из времени бурения отверстия, продувки и расклинивания анкера, t уст - время, необходимое на установку станины сверлильной машины и электромотора, t пв - время необходимое на подключение воды, t пэ - время необходимое на подключение электропитания, t ук - время необходимое на установку сверлильной коронки. Время сверления зависит от скорости проходки: h t св n удл t удл , (15) Vпр где n удл - количество удлинителей сверлильных коронок, t удл - время необходимое на остановку процесса сверления, снятие коронки со шпинделя, установку удлинителя сверлильной коронки, установку коронки и возобновление процесса сверления, h - глубина сверления, Vпр - скорость проходки по бетону зависит в основном от прочности бетона. В результате проведенных исследований была установлена зависимость скорости проходки от прочности бетона. Анализ графика зависимости скорости проходки от прочности бетона наглядно показывает, что между скоростью проходки и возрастанием прочности бетона существует практически линейная зависимость. Эту зависимость можно выразить следующей формулой: Vпр = 5,6 - R· 0,0052 Для удобства пользования данные графика, использованные в таблице приведены к табличной форме зависимости скорости проходки от класса бетона. Таблица 9. Скорость проходки в железобетоне с армированием до 1.5% 16 Класс бетона Скорость проходки, см/мин. В3,5 5,3608 В5 5,2620 В7,5 5,0904 В10 4,9188 В12,5 4,7472 В15 4,5808 В20 4,2376 В25 3,8996 В30 3,5564 В35 3,2184 В40 2,8752 В45 2,5372 В50 2,1940 В55 1,8560 В60 1,5128 Время демонтажа складывается из следующих временных отрезков: t дм t дст t ов t оэ t ск (17) где t дст - время необходимое на демонтаж станины сверлильной; t ов - время необходимое на отключение воды; t оэ - время необходимое на отключение электропитания; t ск - время необходимое на снятие сверлильной машины. Время перемещения оборудования и инструмента на другую захватку складывается из следующего: (18) t пер t сб t п t раз , где t сб - время на сбор оборудования и инструмента; t п - время на перенос оборудования, определяется по формуле: n Lзахв tп = , (19) V где n – количество пройденных отрезков между захватками; Lзахв - расстояние между захватками; V – скорость перемещения с грузом; t раз - время на размещение оборудования и инструмента. При проведении ремонта, реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений с использованием «алмазных» технологий ниже уровня воды, время работ существенно увеличивается. При этом в формулу вводится время подготовительных работ: Tпод.св .ед = t подг + k под ( t м t cв t дм t пер ) . (20) В связи с повышенной сложностью проведения работ под водой, все предстоящие операции сначала моделируются на суше, поэтому к времени производства основных работ прибавляется величина t подг . По наблюдениям, t подг 17 составляет до 80% от общего времени производства работ, k под - повышающий коэффициент, учитывающий сложность проведения работ под водой (k под = 3 ÷ 5). Главной особенностью подводной резки и сверления является использование мощных гидравлических агрегатов. Это продиктовано тем же, что и при сверлении, обстоятельством, поскольку для вращения алмазного инструмента под водой требуется много большая мощность, чем при выполнении этих работ на воздухе. При дисковой резке дополнительные нагрузки также возникают из-за того, что при вращении диска внутренние пазы и торцевые поверхности сегментов вызывают завихрения воды, препятствующие его вращению. Для того, чтобы избежать этого, применяются диски с толщиной корпуса меньше стандартной, соответственно и более тонкие алмазные сегменты, что снижает площадь поверхности диска и снижает сопротивление воды его вращению. При использовании «алмазных» технологий под водой на выполнение тех же операций уходит больше времени, чем при работе в надводном положении. Коэффициент k под , так же, как и при проведении работ выше уровня воды, определен на основании практического опыта и зависит от глубины места производства работ. Максимально возможная глубина, при использовании стандартного оборудования, составляет 16 метров. Это ограничение вызвано максимальной длиной гидравлических шлангов, идущих от гидроагрегата к рабочему органу, приводящему в движение алмазный инструмент. По наблюдениям, значение коэффициента k под находится в диапазоне от 3 до 5. Для более точного определения k под не хватает ряда наблюдений. Необходимо отметить, что применение алмазных технологий на гидротехнических объектах в их подводной части является единственно возможным методом проведения работ по изготовлению отверстий и проемов при ремонте и реконструкции гидросооружений. Четвертая глава посвящена экономической эффективности применения «алмазных» технологий в гидротехническом строительстве Использование тяжелой техники и пневмоотбойников для ремонта и демонтажа строительных конструкций в гидротехническом строительстве имеет одно существенное ограничение - динамические нагрузки, которые могут привести к трещинообразованию и потере монолитности сооружения. Поэтому, как правило, тяжёлая техника на сооружениях напорного фронта не применяется, а использование пневмоотбойников – ограниченно. Тем не менее, интересно провести сравнение результатов использования двух технологий. В качестве примера можно сравнить работы по разрушению бетона объемом 10 м³ методом алмазной резки и с помощью пневмоотбойника. Исходя из нормативных документов (Территориальные Строительные Нормы), при работе пневмоотбойником стоимость составит 211 152 рублей, а стоимость алмазной резки того же объема будет 78 535 рублей. Трудозатраты по данному объему при работе пневмоотбойником составят 26,18 человеко-часа, а при алмазной резке 12,46 18 человеко-часа. Таким образом, выполнение работ методом алмазной резки имеет себестоимость и трудозатраты ниже, чем при работе отбойным молотком (рис.1). Пневмоотбойник Алмазная техника Рис. 1. Сравнение трудозатрат и стоимости выполнения работ алмазной техникой и пневмоотбойником. Аналогичный результат был получен при изготовлении отверстия большого диаметра на Акуловском гидроузле. При использовании алмазного сверления объем удалённого железобетона составил 9,49 м³. В случае же, когда работы проводились отбойным молотком, для получения отверстия необходимого размера вынималось 25,75 м³ только из-за того, что изготовить цилиндрическое отверстие по данной технологии технически невозможно. Сроки проведения работ алмазной техникой составили 10,5 рабочих дней, а отбойным молотком 29 дней, что практически в три раза дольше. Альтернативу «алмазным» технологиям при ремонте и реконструкции гидросооружений может составить технология «микровзрывания». Однако, и в этом случае, как правило, «алмазные» технологии имеют преимущество за счёт скорости производства всего комплекса мероприятий, с учетом одинаковой «чистоты» строительной площадки после их окончания, при несравнимо большей безопасности проведения работ. Так, при замене лицевого слоя бетона на противоположных стенках шлюза Яхромского гидроузла использовались две указанные технологии. В том случае, когда работы проводились буровзрывным методом, при равной стоимости работ (80 000 руб.), время их выполнения отличалось более чем в три раза (10 дней заняли микровзрывы и 3 дня - алмазный метод). В главе также показаны преимущества технологии с использованием алмазной резки и сверления в области экологии и производственной безопасности. При помощи этой технологии можно обеспечить наивысшую точность в работе с соблюдением самых жестких допусков. Последующая чистовая обработка поверхности среза не требуется, что позволяет избежать большого объема пылеобразования, возникающего при выравнивании поверхностей и шлифовании бетона. 19 Также необходимо сказать о полном отсутствии строительного мусора при производстве работ по ремонту, реконструкции и демонтаже с использованием алмазной резки и сверлении. Весь объем демонтируемых конструкций представляет собой набор элементов в виде прямоугольных параллелепипедов. Это позволят временно складировать и транспортировать демонтированные элементы с помощью крана и грузовиков, а не экскаваторами и самосвалами. 120 100 80 60 максимальный уровень шума азмазной техники, дБ А максимальнодопустимы й уровень шума, дБ А 40 20 библиотечный шум, дБ А 0 Рис.3. Соотношение максимального уровня шума алмазной техники и максимально допустимого уровня шума. «Алмазные» технологии имеют также большие преимущества перед другими технологиями по уровню производимого на строительной площадке шума. Шум определяют как совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность. Так, для колеблющегося во времени и прерывистого шума максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБ А, а для импульсного шума 125 дБ АI. Примеры: уровень шума в читальном зале библиотеки составляет 60 децибел, шум от движения трамвая - 70...80 дБ А, шум двигателя легкового автомобиля - 80 дБ А, автосирена - 100 дБ А. Максимальный уровень шума алмазной техники равен 89 дБ А. Соотношение максимального уровня шума алмазной техники и максимально-допустимого уровня шума представлено на рис.3. Полное отсутствие запыленности и вибраций при использовании метода алмазной резки и сверления делает затруднительным сравнение с другими методами, так как сложно сравнивать существующие для этих методов данные с нулевыми показателями в случае алмазных технологий. Отсутствие мусора и пыли на стройплощадке и возможность аккуратного удаления продуктов резки и сверления делает метод исключительно эко-логичным и предпочтительным с точки зрения охраны окружающей среды. Общие выводы 1. Проведенный в работе анализ особенностей применения алмазной резки и сверления при решении задач по разрушению и обработке бетона и железобетона в гидротехническом строительстве показал его высокую эффективность и пре- 20 имущества по сравнению с другими методами. Опыт использования метода, как у нас, так и за рубежом, показал, что он может быть рекомендован для широкого внедрения при проведении работ по ремонту, реконструкции и демонтажу гидротехнических сооружений и объектов. 2. Несмотря на то, что объемы работ с применением метода алмазного сверления и резки в гидротехническом строительстве за последнее десятилетие выросли в 1,5 - 2 раза, как за рубежом, так и в нашей стране, технология его использования при ремонте, реконструкции и демонтаже гидротехнических сооружений до настоящего времени не разработана. Об этом свидетельствует отсутствие рекомендаций и нормативных документов, регламентирующих применение этого перспективного метода в гидротехническом строительстве. 3. На основе анализа многолетнего опыта работ соискателя по использованию данного метода на более чем 200 объектах, а также результатов специальных исследований выявлены основные факторы, существенно влияющие на процесс алмазного сверления и резки гидротехнического бетона и железобетона. В частности, установлены: - зависимость скорости проходки и расхода алмазного инструмента при сверлении и резке от прочности бетона; - зависимость от условий выполнения работ; - зависимость от специфики конструкций и выбора технологической схемы резки и сверления. 4. Разработаны рекомендации по расчету оптимальной длины реза, включающие методику расчета оптимальной длины реза конструкций. 5. Разработаны рекомендации по подбору оборудования необходимого для оптимальной организации процесса производства работ по ремонту и реконструкции с применением метода алмазной резки и сверления в гидротехническом строительстве, включающие таблицы зависимости критериев выбора оборудования от факторов влияния. 6. Разработаны рекомендации по расчету времени необходимого для оптимальной организации процесса производства ремонтных работ, включающие методику расчета времени производства работ. 7. На основе вышеперечисленных рекомендаций разработан технологический процесс ремонта, реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений с применением алмазной резки и сверления. 8. На основе сравнения альтернативных технологий, используемых при ремонте, реконструкции и демонтаже гидротехнических объектов, показано экономическое и организационное преимущество технологии, основанной на алмазной резке и сверлении. 9. Результаты работы могут быть использованы как основа для разработки нормативного документа, регламентирующего технологический процесс, основанный на методе алмазной резки и сверления и используемый при ремонте, реконструкции и демонтаже гидротехнических объектов и сооружений. 21 Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК: 1. Косолапов А.В. Использование технологии алмазной резки и сверления бетона и железобетона в гидротехническом строительстве / Зерцалов М.Г., Косолапов А.В.// Гидротехническое строительство. 2008 №4. 2. Косолапов А.В. Использование алмазной резки и сверления при ремонте и реконструкции гидротехнических сооружений // Вестник МГСУ. 2010 г. № 4 Т.4. В других научных изданиях: 3. Косолапов А.В. Основы алмазной техники и технологии в строительстве. Учебное пособие. М. АСВ, 2004 г. 4. Kossolapov A. “Basis of concrete drilling and sawing technology in construction” М. АСВ, 2007. 5. Косолапов А.В. « Производство гидротехнических работ. Часть 2. параграф 39.2. /Зерцалов М.Г., Хечинов Ю.Е., Корчагин Е.А., Жохов Е.И., Конюхов Д.С., Манько А.В.// Учебник для вузов. М.: Издательство МГОУ, 2010 г. 6. Косолапов А.В. Использование метода алмазной резки и сверления при ремонте и реконструкции гидротехнических сооружений /Зерцалов М.Г., Косолапов А.В.// Тезисы доклада на конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии.». Санкт-Петербург, ВГИИГ. 2010 г. 7. Косолапов А.В. Книга для операторов алмазной техники. М.: Стротекс консалтинг. 2010 г. 22
