Косолапов Андрей Владимирович ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОЙ РЕЗКИ И СВЕРЛЕНИЯ

На правах рукописи
Косолапов Андрей Владимирович
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ АЛМАЗНОЙ РЕЗКИ И СВЕРЛЕНИЯ
ПРИ РЕМОНТЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Специальность- 05.23.07 – Гидротехническое строительство
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва 2010
1
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
Московском государственном строительном университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Зерцалов Михаил Григорьевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Марчук Андрей Николаевич
кандидат технических наук
Зимнюков Владимир Анатольевич
Ведущая организация:
ОАО «Институт Гидропроект»
Защита состоится 15 июня 2010 г. в 15 часов 30 минут на заседании
диссертационного совета Д 212.138.03 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва ул. Спартаковская, дом 2/1 аудитория 212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского
государственного строительного университета.
Автореферат разослан « » ________ 2010 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 изготовлении в них проемов и отверстий. С 1975 года в европейских странах и США начали использовать алмазные стенорезные машины для резки строительных конструкций
из железобетона. В 1992 году эту технологию стали применять в нашей
стране. Новизна метода заключается в применении алмазного инструмента в
качестве рабочего органа именно стенорезной машины, которая не создает
ударных нагрузок при воздействии на конструкции и не оставляет после себя макро- и микротрещин. Отсутствие ударных нагрузок на сооружение и
возможность проведения работ в подводной части сооружений делает особенно привлекательным использование метода в гидротехническом строительстве, поскольку в процессе возведения, эксплуатации и ремонта требуется создание проемов и отверстий, а также демонтаж конструкций в целом
или частично. Применение технологии алмазной резки и сверления позволяет
решать уникальные задачи, которые невозможно решить другими методами.
Данный метод обладает также экономической эффективностью по сравнению
с применением других технологий по демонтажу конструкций из бетона и
железобетона, а также высокой экономичностью.
Цель диссертации – на основе обобщения отечественного и зарубежного опыта разработать научное обоснование оптимальной технологии алмазного сверления и резки в гидротехническом строительстве. Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
- провести анализ технических характеристик и возможностей алмазной техники и инструмента;
- разработать теоретическое обоснование эффективности технологического процесса алмазной резки и сверления;
- изучить особенности технологии выполнения работ по алмазной резке
и сверлению в подводных условиях.
- разработать оптимальные технологические процессы по применению
алмазной резки и сверления с учетом ограничений в гидротехническом строительстве.
- исследовать экономическую и организационную эффективность использования метода при возведении, эксплуатации и ремонте гидротехнических сооружений.
Объектом исследования является метод алмазной резки и сверления
бетона и железобетона при возведении, ремонте и демонтаже гидротехнических сооружений.
Предметом исследований является изучение технологического процесса алмазного сверления и резки бетона и железобетона с целью разработ-
3
ки рекомендации по его оптимальной организации при возведении, ремонте
и демонтаже гидротехнических сооружений.
Научная новизна работы: на основании анализа факторов, характеризующих алмазную резку и сверление (мощность используемого оборудования, прочностные характеристики бетона и железобетона, количество подаваемой для охлаждения воды и хронометраж технологических операций)
разработаны рекомендации по выбору оптимальной организации процессов
резки и сверления при возведении, ремонте и демонтаже гидротехнических
объектов.
В соответствии с рекомендациями Международной ассоциации специалистов по алмазной резке и сверлению (IACDS) в работе была проведена
классификация алмазной техники, что позволило на ее основе создать международный нормативный документ по определению и классификации технических параметров оборудования и механизмов для алмазной резки и
сверления.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные
соискателем рекомендации позволяют организовать оптимальный технологический процесс алмазной резки и сверления бетона и железобетона при его
использовании в гидротехническом строительстве.
На защиту выносятся: методика оптимального выбора технологического процесса алмазной резки и сверления и ее апробирование на различных
типах гидросооружений.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обеспечена результатами, полученными при использовании метода для реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений, а также сооружений промышленно-гражданского и транспортного назначений.
Личный вклад автора состоит в том, что соискатель, используя свой
опыт применения метода при строительстве, эксплуатации, ремонте и демонтаже сооружений различного назначения, одним из первых в нашей стране,
показав его технологические преимущества, влияние на безопасность гидросооружений и высокую экологичность, начал активно внедрять метод в практику гидротехнического строительства. При личном участии автора был разработан и принят международный нормативный документ по определению и
классификации технических параметров оборудования и механизмов для алмазной резки и сверления.
Результаты исследования были внедрены: при проектировании Краснополянской ГЭС-2, при реконструкции плотины гидроузла «Кузьминск» на р.
Ока, при ремонте на объектах канала им. Москвы, Акуловского гидроузла
Мосводоканала, реконструкции нефтеналивного причала Новороссийского
порта и при демонтаже АЭС Белене (Болгария) и других сооружений промышленно-гражданского назначения.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 3 печатных работах.
4
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 5-ти глав, основных выводов, списка литературы из 110 наименований и приложений на 5 листах. Объем диссертации составляет 163 страниц,
включая 110 страниц текста, 6 таблиц, 140 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 проведен анализ существующей алмазной техники и
алмазного инструмента. Разработана классификация алмазной техники
(рис.1).
АЛМАЗНАЯ ТЕХНИКА
Машины для сверления
электрические
Машины для резки
дисковые
швонарезчики
станинные
электрические
бензиновые
ручные
гидравлические
дизельные
гидравлические
канатные
бензиновые
электрические
пневматические
гидравлические
специальная техника
электрические
цепные
кольцевые
ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Машины для разрушения
гидравлические
кусачки
гидравлические
клинья
приспособления
и принадлежности
Рис. 1. Укрупненная классификация алмазной техники
Рассмотрены сверлильное и стенорезное оборудование и алмазный
инструмент для этой техники. Подробно проанализирована технология свер5
ления и резки бетонных и железобетонных конструкций. Показана компактность и мобильность алмазного оборудования, позволяющие проводить работы в ограниченном пространстве.
В главе 1 также даны примеры из личного опыта участия соискателя в
проектах, когда алмазные технологии использовались при демонтаже и реконструкции объектов различного назначения. На основании этих работ автором показано, что отсутствие при использовании указанной технологии
ударных нагрузок и возможность применения в подводных условиях, дает
возможность сделать вывод о целесообразности и эффективности ее применения на гидротехническом строительстве.
Достоинства применения метода алмазной резки и сверления, проявившиеся в промышленно-гражданском, транспортном и энергетическом
строительстве показали целесообразность и эффективность его применения в
гидротехническом строительстве, особенно учитывая отсутствие при его
применении ударных нагрузок и возможности использования в подводных
условиях.
Был выполнен анализ зарубежного опыта в этой области и рассмотрены некоторые примеры использования за рубежом «алмазных» технологий
на гидротехнических сооружениях.
Канал для водоснабжения Южной Калифорнии (Colorado River Aqueduct), построенный в 1934 г., имеет длину 385 км, проходит по территории
Аризоны и Калифорнии. 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.
Целесообразность применения технологии алмазной резки в этом случае была обусловлена ее уникальными характеристиками при разрушении
железобетона, в частности, отсутствие ударных нагрузок, по сравнению с
другими методами демонтажа, возможность проведения работ в чрезвычайно
короткие сроки, с одной стороны, и возможность бережного отношения к
подстилающему слою основания, с другой показали, что алмазная резка явилась наилучшим методом производства работ.
В 2001 г., принимая во внимание большую населённость городов Таунсвилль и Турингова, плотина Ross River (Австралия), была обследована с
учётом новых требований, предъявляемых к безопасности подобных сооружений. В 2003 г. комиссия экспертов рекомендовала до установки затворов,
регулирующих уровень воды в водохранилище и попуск расходов в нижний
бьеф, уменьшить высоту водослива на 3,45м. На первом этапе было принято
решение выполнить сверление скважин в удаляемой части водослива с последующим использованием гидроклиньев для её раскалывания на мелкие
блоки. На втором этапе удаляемый массив был разделен по высоте на две части, для чего по длине водослива выполнялась горизонтальная алмазная резка бетона на двух уровнях.
6
Вся работа по понижению высоты водослива была выполнена за 2,5 недели. Можно отметить, что использование метода алмазной резки при реконструкции плотины Ross River позволило также в значительной степени
избежать загрязнения воды в водохранилище шламом, образовавшимся бы в
результате механического и взрывного разрушения бетона.
Плотина гравитационного типа Yuzuruha (Япония), построенная в 1974
году на острове Awaji-shima для регулирования паводковых расходов, 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 приблизительно на 25м. выше. Первоначально в теле плотины с помощью алмазных коронок просверливались
сквозные отверстия диаметром 0,15м. по контуру верхней полукруглой части
тоннеля и формировался его свод. Затем канатной машиной была выполнена
резка вдоль днища и боковых стенок формируемого проема.
Выделенный монолитный блок разрезался на части, после чего каждая
последовательно выдвигалась на платформу, установленную на верховой
грани плотины.
Решение в пользу применения алмазных технологий было принято благодаря бережному их воздействию на бетонные конструкции, то есть полное
отсутствие трещинообразования в теле бетона в процессе выполнения работ.
Еще один фактор, повлиявший на принятие решения по выбору технологии это экологическая чистота метода алмазной резки и сверления.
Для демонтажа временного водовода, сооружённого в здании ГЭС Капанда (Ангола) в строительный период, использовались как алмазная резка,
так и сверление. Демонтаж водовода, имевшего длину 18м, ширину 10,3 м и
высоту 8,8 м, осложнялся тем, что проводился в условиях ограниченного
пространства. В 60-ти дневный срок было вырезано и удалено для утилизации 978 элементов в виде 70 блоков, весом до 35т каждый.
Проведение работ по демонтажу массивов железобетона в стесненных
условиях было возможно только с применением метода алмазной резки, позволяющего разделить бетон на крупные блоки для его последующего демонтажа. Получение блока с правильными геометрическими размерами, очень
важными при демонтаже, другими методами практически исключено.
На Бурейской ГЭС были проведены работы по веерному отбору кернов
Ø 300 мм скважинами до 15 м из укатанного бетона тела плотины Направления бурения изменялись от вертикального вниз, горизонтального по нисходящей и восходящей до вертикального вверх.
Размеры галерей, в которых проводились работы, составляли 3м в высоту и 3 м в ширину. Отсутствие буровых станков, способных развернуться
внутри такого ограниченного пространства, заставило использовать технологии алмазного сверления, поскольку установка разбиралась на транспорта7
бельные части с габаритными размерами 1,8 х 1,5 м и перемещалась внутри
плотины из галереи в галерею вручную.
Изучение зарубежного опыта использования метода алмазной резки и
сверления в гидротехническом строительстве позволило соискателю разработать технические рекомендации для его внедрения в отечественной практике с учетом использования техники в зимних условиях и, в частности, с
личным участием автора были выполнены следующие работы.
В процессе эксплуатации канала им. Москвы 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. На одной стороне шлюзовой камеры был
применен буровзрывной метод, а на 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/сек.
В случае использования алмазной резки для замены старого бетона была применена следующая технология. На место удаленного бетона был уложен новый. Весь объем работ выполнен бригадой из трех человек, в течение
трех дней. Тот же объем бетона, удаляемый буро-взрывным методом, был
удален за десять дней, что наглядно показывает, что применение алмазных
технологий ведет к существенному сокращению сроков выполнения работ.
При производстве работ по реконструкции Акуловского гидроузла проектом была заложена прокладка дополнительных водоводов и подключение
их к существующей распределительной камере. В этой монолитной железобетонной камере было необходимо устроить круглое отверстие в вертикальной стене диаметром 2,25 м и глубиной до 2,50 м.
Изначально были испробован взрывной метод, его применение привело
к образованию макро- и микротрещин в теле сооружения. Также оказался
неприменим метод динамического разрушения с помощью отбойного молотка из-за того, что пыль, образующаяся при работе, полностью закрывала зону
производства работ. Для решения задачи было предложено использование
алмазных технологий. По контуру будущего проема были просверлены секущиеся отверстия диаметром 120 мм, что позволило отсечь внутреннюю
часть массива от сооружения и сформировать проем.Работы были выполнены за 10 дней. Была важна также экологическая чистота метода, особо важная для системы Мосводоканала.
При реконструкции Новороссийского морского порта был проведен
ремонт нефтеналивного пирса. Пирс изначально был сооружен из предварительно напряженных железобетонных плит. В процессе эксплуатации между
плитами образовались промежутки, вызванные перемещениями плит, и пирс
перестал быть единой конструкцией. Для решения проблемы был предложен
следующий метод: соединить плиты между собой путем пропущенных через
них тросов (попеременно с верхней стороны плиты и с нижней). Для этого в
8
каждой плите предусматривалось изготовление двух пар встречных по
направлению отверстий под углом 25 градусов к горизонту диаметром 80 мм
и глубиной 180 см.
Только использование метода прецизионного алмазного сверления
позволило собрать все плиты пирса в единую конструкцию.
При реконструкции водосливной плотины гидроузла «Кузьминск» на
р. Оке для укрепления сооружения возникла потребность в разборке и снятии
облицовки верха правого устоя плотины. При проектировании было предложено решить эту задачу методом алмазной канатной и дисковой резки. Работы были проведены под непосредственным руководством соискателя.
Сооружение, построенное в 1913 г., представляет собой комбинацию
из блочной кладки из природного камня и участков железобетона. В теле
опоры были обнаружены трещины, а некоторые части сооружения были
смещены, что в результате вызвало необходимость в укреплении конструкции путем заключения ее в железобетонный каркас. Для бетонирования
верхней плиты нужно было снять 200 мм верхней поверхности устоя, не
нарушая целостности сооружения. Методом, позволяющим решить данную
задачу, был выбран метод алмазной резки, как не вызывающий динамических нагрузок на конструкции при выполнении работ.
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 с поверхности сооружения на утилизацию.
Работы были выполнены в течение девяти дней.
Опыт работы автора позволил выявить основные преимущества алмазного метода:
- данный метод дает возможность резки бетона вместе с арматурой;
- при его использовании не возникают динамические и вибронагрузки
на конструкцию, что не нарушает монолитности и цельности гидросооружений;
- данный метод позволяет получить высокую скорость выполнения работ при малых трудозатратах;
- алмазная резка и сверление не имеют ограничений на толщину и глубину конструкции, что позволяет решать уникальные задачи;
- высокая компактность и мобильность оборудования дает возможность
проведения работ в ограниченном пространстве;
- данный метод является наиболее предпочтительным с точки зрения
охраны окружающей среды и поэтому экологически более чистым по сравнению с другими методами разрушения и обработки бетона;
- метод алмазной резки и сверления позволяет обеспечить производственную безопасность при проведении работ.
9
Во второй главе представлена разработанная автором методика по организации оптимального технологического процесса при производстве работ по
алмазному сверлению. Для этого были проведены исследования факторов влияющих на технологию (мощность используемого оборудования, прочностные
характеристики бетона и железобетона, количество воды для охлаждения и пр.).
Влияние вышеперечисленных факторов можно было бы исследовать методом факторного анализа. Только исследование влияния прочности бетона на
скорость производства работ при алмазном сверлении и резке потребует более 10
миллионов рублей на проведение эксперимента. Соискатель использовал статистические материалы, собранные им за восемнадцать лет наблюдений в условиях
строительной площадки. Полученные данные были обобщены и в расчетах
применялись усредненные показатели.
Алмазная резка - это абразивное резание специальным инструментом
хрупких материалов, к которым относятся бетоны. Режущим органом инструмента являются специальные абразивные накладки, изготовленные из композиционного материала, в металлическую матрицу которого введены алмазные зерна
диаметром 400-800 мкм. В процессе резания поверхность алмазосодержащего
композита движется вдоль обрабатываемой поверхности на некотором расстоянии от нее так, что в непосредственном контакте с разрушаемым материалом
находятся ограниченное количество выступающих из матрицы алмазных зерен.
Каждое из них прорезает бороздку в материале, таким образом, процесс разрушения материала алмазным инструментом является множественным микрорезанием.
Глубина h бороздки, прорезаемой единичным алмазным зерном, составляет в
среднем одну десятую часть диаметра зерна. Бороздка имеет две зоны разрушения. Первая находится у дна, ее сечение повторяет профиль алмазного зерна,
высота ее примерно 0,9 h. Здесь происходит хрупкое и квазихрупкое растрескивание материала до частиц размером много меньше h. Во второй зоне, лежащей
над первой, происходит периодическое отделение частиц размером порядка h.
Частицы разрушенного материала размещаются в объеме заполнения между
поверхностями композита и неразрушенного материала и непрерывно удаляются
из зоны резания, увлекаемые рабочей поверхностью инструмента.
h
Py
Px
Рис.1. Схема сил действующих на алмазную коронку
10
Расчет усилия подачи и потребляемой мощности при алмазном сверлении бетона
можно представить следующим образом. При величине подачи на оборот h >0 и
угловой скорости  на каждое из алмазных зерен действуют силы Py и Px ,
действующие в плоскости подачи и плоскости резания. Схема сил действующих
на алмазную коронку представлена на рис.1.
Равнодействующие усилия подачи и резания
(1)
Py   см ∑S' a
Px  Px 
где  см - временное сопротивление одноосному сжатию бетона;
 - коэффициент сопротивления строительного материала сверлению;
 S a - суммарная площадь контакта алмазных зерен, участвующих в резании, с бетоном.
r
Rв
Rн
P
Рис.2 Схема приложения равнодействующей силы.
 см =2,5 
где  - временное сопротивление одноосному сжатию бетона.
Суммарная площадь контакта определяется по формуле
Sn 
 n
H
(2)
(3)
где  n - коэффициент относительного количества алмазных зерен, участвующих в резании, зависящий от величины подачи на оборот;
 - весовое содержание алмазов в коронке;
 - удельный вес алмаза, г/мм 3 ;
H - высота алмазного слоя, см.
Учитывая, что силы резания распределяются равномерно на торцевой
поверхности, то равнодействующую можно приложить в центре тяжести
элемента (рис.2)
С учетом значения сил Px и PY полезная мощность определяется выражением:
2,5Lhrn
кВт
(4)
N 2
10  0,975H
11
Одним из основных факторов являются временные затраты на выполнение
отдельных технологических операций. С целью его изучения были проведены
исследования изменения этого фактора при различных условиях проведения
работ в зависимости от: различных классах бетона, различного процента его
армированности, различных глубинах и диаметрах сверления. На основе изучения всех технологических операций и их хронометража было установлено
следующее.
Общее время сверления есть сумма времени единичных серийных сверлений:
Tсв   Tсв .ед
(5)
Время сверления единичного отверстия, можно записать как:
Tсв .ед  k пов ( t м  t cв  t дм  t пер )
(6)
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;
k пов - коэффициент повышения, который был выведен эмпирическим путем, после анализа проведения многочисленных экспериментальных измерений:
k  k сту  k выс  k арм
k пов  зим
4
где k зим - коэффициент повышения, учитывающий сложности проведения работ в зимних условиях, т.е. дополнительные мероприятия по организации водоснабжения, на обогрев оператора, на полный слив воды и продувку системы сверления при перестановке на другую захватку и пр. Значение коэффициента – от 1,0 до 1,5;
k сту - коэффициент повышения, учитывающий сложности проведения работ в сложных стесненных условиях. Значение коэффициента – от 1,1 до 1,7;
k в ыс - коэффициент повышения, учитывающий сложности при проведении
работ на высоте с применением подмостей, лесов, туры и пр.. Значение коэффициента – от 1,0 до 1,2;
k арм - коэффициент повышения, учитывающий сложности при проведении
работ по сверлению железобетона с площадью армированности (отношение
площади перерезаемой арматуры к площади бетона на развертке цилиндра
сверления) больше 1,5%.. Значение коэффициента – от 1,0 до 1,9.
Время монтажа складывается из следующих временных отрезков:
(7)
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;
12
Скорость проходки, см/мин
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
(8)
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. Результаты исследования этой зависимости приведены в виде графика
(рис.3). (при его составлении были использованы результаты статистических
наблюдений, которые велись автором с 1992 по 2009 год при выполнении работ по алмазному сверлению в бетонах различных классов). Пользуясь графиком, находим цифровое значение скорости проходки в зависимости от
средней прочности бетона.
7
6
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Прочность бетона, кгс/см.кв.
Рис. 3. 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
13
где Vпр - скорость проходки по бетону, см/мин;
R – средняя прочность бетона, кгс/кв.см.
Время демонтажа складывается из следующих временных отрезков:
t дм  t дст  t ов  t оэ  t ск
(9)
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.
Время перемещения оборудования и инструмента на другую захватку складывается из следующего:
(10)
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 =
(11)
V
где n – количество пройденных отрезков между захватками;
Lзахв - расстояние между захватками;
V – скорость перемещения с грузом,1 км/час или 17 м/мин.
t раз - время на размещение оборудования и инструмента.
Диаметр сверления,
мм
600
500
400
300
200
100
0
1
1,5
2
3
6
Мощность, кВт
Рис. 4. Зависимость максимального диаметра сверления от мощности
сверлильной машины.
Еще одним важным условием достижения оптимальных результатов
сверления является расход воды подаваемой на коронку для охлаждения инструмента и выноса шлама из зоны сверления. Важность этого технического
условия объясняется тем, что при алмазном сверлении зерна алмазов, уже
вышедшие из процесса резки бетона, все еще находятся в зоне сверления.
При подаче воды больше нужного количества, происходит их вымывание,
что ведет к повышенному износу алмазного инструмента.
14
Расход воды.
литр/мин
14
12
10
8
6
4
2
0
30
50
80
160
250
350
500
Диаметр сверления,
мм
Рис. 5. Зависимость расхода воды от диаметра сверления.
При недостаточном количестве воды происходит интенсификация процесса вскрытия алмазных зерен, что также ведет к изменению скорости проходки. Для установления влияния этого фактора были также проведены исследования результаты которых показаны на рис.4.
Вышеизложенный метод расчета составлен для проведения работ в
конструкциях расположенных выше отметки воды. Но при проведении ремонта, реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений, в некоторых случаях приходится проводить работы ниже уровня воды.
Главной особенностью подводного сверления является использование
исключительно сверлильных машин с гидравлическим приводом. Это продиктовано тем, что для вращения коронки под водой, требуется много большая мощность, чем при выполнении этих работ на воздухе.
Было установлено, что при подводном сверлении для охлаждения коронки и вымывания шлама из зоны сверления расходуется в несколько раз
больше воды, чем при сверлении в нормальных условиях. Так как, при сверлении в надводном положении вымывание шлама происходит за счет силы
гравитации, которая заставляет воду вытекать из зоны сверления. В воде,
вместо этого, происходит выдавливание шлама, что требует большего давления подаваемой для охлаждения воды, чем в аналогичном случае в надводном положении.
Специальный хронометраж при проведении подводных работ не проводился, однако анализ фактора времени необходимого для выполнения данной технологической операции показал, что при сравнении с обычными
условиями, на выполнение тех же операций под водой уходит как минимум в
три раза больше времени. Формулу времени сверления единичного отверстия
в подводных условиях можно записать как:
Tпод.св .ед =k под ( t м  t cв  t дм  t пер )
(12)
где k под - повышающий коэффициент, учитывающий сложности проведения работ под водой, k под = 3…5.
15
При рассмотрении вопросов связанных с производством работ по алмазным технологиям необходимо остановиться на себестоимости алмазного
инструмента.
Таблица 1
Зависимость стойкости алмазного инструмента от прочности бетона.
Класс
бетона
Средняя прочность
бетона, кгс/кв.см
Стойкость алмазного сегмента,
м/мм.
В3,5
46
5,7
В5
65
5,3
В7,5
98
5,0
В10
131
4,7
В12,5
164
4,3
В15
196
4,0
В20
262
3,5
В25
327
3,0
В30
393
2,5
В35
458
2,0
В40
524
1,9
В45
589
1,8
В50
655
1,7
В55
720
1,6
В60
786
1,5
При расчете себестоимости алмазного сверления стоимость инструмента, необходимого на выполнение работ берется по формуле:
Сал.инстр  сед.кор  N кор
где сед.кор - цена единичной коронки;
N кор - количество коронок, необходимое для выполнения работ.
Количество коронок определяем:
H
N кор 
lед .кор
где H – общая глубина сверления;
lед.кор - стойкость одной коронки, определяемая как произведение стойкости
алмазного сегмента на его высоту:
lед.кор = lсег  hсег
где l сег - стойкость алмазного сегмента, м/мм;
hсег - высота алмазного сегмента, мм
16
Скорость проходки кв.м/час
Таблица 1 была составлена по результатам исследований, проведенных в
условиях действующих объектов. В ней представлена зависимость стойкости
алмазных коронок от прочности бетона.
Треть глава посвящена рассмотрению алмазной дисковой резки. Для
определения времени необходимого для выполнения работ по алмазной 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
обобщены и в дальнейших расчетах применялись усредненные показатели.
7
6
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Прочность бетона, кгс /с м.кв.
Рис. 6. Зависимость скорости проходки от прочности бетона
Общее время резки есть сумма времени единичных серийных резов:
(13)
Tрез  Tед. рез
Время, затраченное на сверление одного отверстия, состоит из времени
монтажа машины и оборудования для резки, время резки, время демонтажа и
время перемещения оборудования и инструмента на следующее место производства работ.
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 = 6,2 – R· 0,00488
где Vпр - скорость проходки по бетону, кв.м/час;
k – коэффициент прочности;
R – средняя прочность бетона, кгс/см².
17
Изложенный метод расчета составлен для резки конструкций расположенных выше отметки воды. При проведении ремонта, реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений, в некоторых случаях приходится
проводить работы в подводном положении.
Главной особенностью подводной резки является использование мощных гидравлических стенорезных машин. Это продиктовано тем, что для
вращения диска под водой, требуется много большая мощность, чем при выполнении этих работ на воздухе. Дополнительные нагрузки также возникают
из-за того, что при вращении диска, внутренние пазы и торцевые поверхности сегментов вызывают турбулентные завихрения, препятствующие вращению диска. Для того чтобы избежать этого применяются диски с толщиной
корпуса меньше стандартной.
Так же как и в случае сверления, при алмазной резке на выполнение
тех же операций под водой уходит в три – пять раз больше времени. Таким
образом, можно представить формулу времени затрачиваемого на сверление
единичного отверстия в подводных условиях как:
(14)
Tпод. рез.ед =k под ( t м  t рез  t дм  t пер )
где k под - повышающий коэффициент, учитывающий сложности проведения работ под водой, k под = 3…5.
Применительно к канатной резке железобетона невозможно пользоваться тем алгоритмом, что применим к сверлению и дисковой резке. Основные
этапы технологии могут быть описаны таким же порядком, но в данном случае особую роль играет сам метод алмазной канатной резки. От того, какой
будет геометрия отрезаемого элемента, как расположена канатная машина,
как расставлены дополнительные ролики, каковы углы входа и выхода каната, от длины канатной петли и от толщины единичного реза меняется очень
многое. Это и скорость проходки, и количество перестановок оборудования и
время монтажа и демонтажа и даже стойкость алмазного инструмента. Поэтому данное направление требует более глубоких исследований.
Четвертая глава посвящена исследованию экономической и организационной эффективности метода алмазной резки и сверления. Использование
тяжелой техники, по сравнению с другими методами, применяемыми для ремонта и демонтажа в гидротехническом строительстве, имеет одно существенное ограничение. Это динамические нагрузки на гидросооружения, которые недопустимы, так как они приводят трещинообразованию и потере
сплошности бетона.
Кроме того, очень часто, работы при реконструкции и ремонте гидросооружений проводятся в условиях ограниченного рабочего пространства. В
подобных условиях очень важны компактность и мобильность алмазной техники.
В качестве примера можно сравнить работы по разрушению бетона
объемом 10 м³. Исходя из нормативных документов (Территориальные Стро18
ительные Нормы), при работе пневматическими отбойными молотками 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 человекочаса. Таким образом, выполнение работ методом алмазной резки имеет себестоимость и трудозатраты ниже, чем при работе отбойного молотка.
В пятой главе показаны преимущества технологии алмазной резки и
сверления в области экологии и производственной безопасности. При помощи этой техники можно обеспечить наивысшую точность в работе с соблюдением самых жестких допусков. Последующая чистовая обработка поверхности среза не требуется, а это позволяет избежать большого объема пылеобразования, возникающего при выравнивании поверхностей и шлифовании
бетона.
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 экологичным и предпочтительным с точки зрения охраны окружающей среды.
Основные результаты исследования
1. На основании выполненных исследований разработана методика
классификации алмазной техники, в которой учтены особенности инструмента, привода и системы крепления оборудования.
2. Проанализированы особенности применения алмазных технологий
на практике при решении задач по разрушению и обработке бетона и железобетона в разных областях строительства и показана его высокая эффективность в частности, при использовании в гидротехническом строительстве
позволяющая:
- производить работы, не нарушая монолитности и сплошности бетонных массивов гидротехнических сооружений;
- применять с получением экономического эффекта при выполнении
работ по демонтажу крупных массивов бетона и железобетона;
- использовать при изготовлении отверстий и проемов в подводной части сооружений;
- обеспечить производственную безопасность работ по ремонту и реконструкции гидросооружений и значительно уменьшить воздействие на окружающую среду.
3. Предложены теоретические основы для расчета процессов алмазной
резки бетона.
4. Разработаны рекомендации по оптимальной организации процесса
производства работ по алмазному сверлению в гидротехническом строительстве. Установлена линейная зависимость скорости проходки при сверлении
19
от прочности бетона. Исследована зависимость мощности двигателя от диаметра сверления. Исследована зависимость расхода воды от диаметра сверления.
5. Установлены особенности и разработаны рекомендации по производству алмазного сверления в подводных условиях.
6. Исследована зависимость расхода алмазного инструмента от прочности бетона при сверлении.
7. Разработаны рекомендации по оптимальной организации процесса
производства работ по алмазной дисковой резке в гидротехническом строительстве. Установлена зависимость скорости проходки от прочности бетона
при алмазной дисковой резке.
8. В связи с тем, что на сегодняшний день не хватает данных для выработки рекомендаций по оптимизации использования канатной резки, даны
рекомендации для дальнейших исследований.
9. Показаны производственная и экологическая безопасность метода.
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
В других научных изданиях:
2.
Косолапов А.В. Основы алмазной техники и технологии в строительстве. Учебное пособие. М. АСВ, 2004 г.
3.
Kossolapov A. “Basis of concrete drilling and sawing technology in
construction” М. АСВ, 2007.
20