Инновационные технологии, основанные на электрогидроэффекте
Земляное полотно автомобильных и железных дорог, в основных фондах составляющее до 30% стоимости, наиболее подвержено различного вида деформациям. Это могут быть просадки, сплывы, обвалы, оползни, водоразмывы, завышения крутизны откосов, заужение основной площадки поверху и др. Нарушение норм содержания земляного полотна ведет к накоплению остаточных деформаций, влекущих за собой продолжительные сбои в работе.
Существующие технические средства и разработанные под них технологии усиления грунтовых масс не позволяют без длительных перерывов движения поддерживать земляное полотно в эксплуатационном состоянии.
Применение зарубежных методов (габионы Маккаферри, матрацы «Рено», системы «Террамеш» и «Макволл», пригрузочные бермы и другие) позволяют решать лишь некоторые задачи усиления земляного полотна, но при угрозе местного сдвига насыпи эти устройства требуют начальной подрезки насыпи и создают угрозу безопасности движения. Кроме того, стоимость усиления земляного полотна с помощью перечисленных технологий чрезвычайно высока.
Принципиально новых решений требует восстановление путей сообщения при ликвидации последствий стихийных бедствий и техногенных катастроф. Земляное полотно предполагается восстанавливать, по возможности, с сохранением существовавшего плана и профиля. В этом случае при заполнении бреши в высокой насыпи следует ожидать значительных осадок свежеотсыпанного грунта, так как качественно выполнить работы по послойному его уплотнению сложно. Но даже при использовании уплотняющих машин осадки будут составлять 3%, а без уплотнения – до 6 %. При высоте восстанавливаемой насыпи 10 м просадки будут достигать 0,60 м и более, что вызовет повторные перерывы движения для их ликвидации.
Уплотнение свежеотсыпанных грунтов обходов будет задерживать срок сдачи участков в эксплуатацию, вынужденным будет привлечение на их выполнение больших сил и средств.
Особо сложные условия для содержания и восстановления земляного полотна складываются на заболоченной местности и в пределах высоких насыпей.
Таким образом, необходима разработка принципиально новой техники, конструкций и технологии производства укрепительных работ, отвечающих следующим требованиям:
- устранять не только первичные признаки деформаций, а структурно модифицировать грунты тела земляного полотна и его основания;
- обеспечивать сокращение продолжительности выполнения работ;
- быть менее трудоемкими и дорогостоящими, чем традиционные технологии;
- удовлетворять требованиям надежности и долговечности земляного полотна при возрастающих нагрузках и скоростях движения;
- обеспечивать возможность выполнения работ без перерывов движения;
- выполнять работы на высоких насыпях с крутизной откосов до 1:1;
- отвечать современным экологическим требованиям.
В научно-исследовательской лаборатории «Разрядно-импульсных технологий» Военного института (Железнодорожных войск и Военных сообщений) (далее НИЛ РИТ) в результате НИОКР обоснованы конструкция и теория работы мобильного разрядно-импульсного комплекса (МРИК). Главное предназначение комплекса состоит в доставке к фронту работ основного технологического инструмента – электроразрядника. На рисунках 1,2 изображен общий вид комплекса.
Рисунок 1 – Общий вид комплекса.
При конструировании МРИК применялся модульный принцип. Основным конструктивным элементом комплекса является составная металлическая эстакада. Ее размеры в плане определялись количеством и габаритами технологического оборудования, а также требованиями безопасной работы обслуживающего персонала. Суммарная статическая нагрузка на эстакаду может достигать 210 кН.
В целях обеспечения взаимозаменяемости и мобильности платформа эстакады разделена на блоки (А и Б), а блоки на секции-модули (С1, С2, С3, С4). Технологическое оборудование, размещенное на блоке «А» (в головной части комплекса), предназначено для бурения скважин под буронабивные сваи. Оборудование блока «Б» (в тыльной части комплекса) реализует разрядно-импульсную технологию в процессе создания буронабивных свай. Такое конструктивно-технологическое решение позволяет блоки «А» и «Б» включать в работу автономно.
Рисунок 2 – Комплекс, работающий на откосе «больной» насыпи.
Буровой станок устанавливается на специальную площадку, которая может перемещаться поперек секции С1. В поперечном направлении секции С4 может перемещаться площадка с установленным на ней деррик – краном, удерживающим электроразрядник и бетонолитную трубу.
Опирание платформы эстакады на грунт осуществляется посредством металлических стоек, изготавливаемых на месте из стальных труб. С помощью диагональных талрепов стойки объединяются в единую пространственную конструкцию.
Сопряжение платформы эстакады со стойками осуществляется с помощью ригеля, оснащенного специальными катками. Блоки А и Б могут перемещаться относительно стоек в продольном направлении. Таким способом МРИК движется по фронту работ. При этом используются электролебедки и специальная тросовая система, размещаемые на основной платформе.
При формировании буронабивных свай применяется оригинальная технология активирования компонентов бетонной смеси, разработанная в НИЛ РИТ:
- на первом этапе производится предварительная полиимпульсная обработка высоковольтным электрическим разрядом (ВЭР) водно-цементной суспензии в специальном активаторе;
- на втором этапе вводятся модифицирующая химическая добавка и инертные составляющие;
- на третьем этапе цементно-песчаный раствор (мелкозернистый бетон) подвергается воздействию ВЭР в скважине при формировании буронабивной сваи.
Набор 70…75% прочности активированным таким способом бетоном происходит в течение 1,5…2 суток.
Кроме того, экспериментально установлено:
активированный бетон можно замораживать в суточном возрасте без потери прочности;
важным последствием комплексной активации бетонов является ингибирующее воздействие на коррозию стальной арматуры в железобетоне.
Имущество мобильного комплекса может перевозиться железнодорожным транспортом. Для этого потребуется 2 железнодорожные платформы и один крытый вагон.
Сборка комплекса может производиться автомобильными или железнодорожным краном на нулевом или любом другом удобном месте откуда МРИК своим ходом перемещается к фронту работ.
Обслуживает комплекс команда из 17 человек. Производительность – 12 буронабивных свай в смену.
Модульный подход к конструированию элементов комплекса позволил реализовать замкнутый технологический процесс от бурения скважин, установки обсадных труб, заполнения скважин бетоном до образования камуфлетных уширений в теле буронабивной сваи и обустройства подпорной стенки из них. Сваи проходят сквозь тело насыпи (откоса), изменяя структуру грунтов, и заглубляются в грунты основания с целью их упрочения.
Результат работы МРИК – стабилизация земляного полотна: исключение остаточных деформаций, работа конструкции в упругом режиме.
Универсальность разрядно-импульсной технологии подтверждается еще и тем, что МРИК, предназначенный для изготовления буронабивных (цементо-песчаных) свай, после незначительных конструктивных изменений и технологической подстройки может успешно применяться для изготовления анкеров и грунтонабивных свай из сыпучих материалов.
Описанный мобильный разрядно-импульсный комплекс, не имеющий аналогов в стране и за рубежом, успешно применяется при укреплении земляного полотна железнодорожного пути на дорогах РФ.
Однако опыт создания и эксплуатации мобильного разрядно-импульсного комплекса показал, что проблема мобильности решена не в полном объеме. МРИК предназначен для работы ТОЛЬКО на откосах земляного полотна. Создались объективные предпосылки для создания принципиально нового комплекса. Такой мобильный разрядно-импульсный комплекс (предварительное название: МРИК-П, в настоящее время существует в виде тактико-технического задания на опытно-конструкторскую работу) должен быть способен к переброске в кратчайшие сроки в назначенные регионы всеми видами транспорта для выполнения задач по ликвидации последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий на объектах транспорта. Кроме того, новый мобильный агрегат должен обеспечивать следующее:
- возможность работы на строительных площадках небольших площадей (25…30 кв. м);
- переброску в кратчайшие сроки (без разборки) с одного берега водотока на другой, или в составе технологического потока на другие строительные площадки;
- работу на урезе воды и на мелководье;
- выполнять работы в русле реки (на плаву);
- установку на ледовый покров для работы в майне.
В качестве вывода: Теоретически обоснованный, сконструированный и внедренный в производство мобильный разрядно-импульсный комплекс является уникальным конструктивно-технологическим агрегатом. Аналогов в нашей стране и за рубежом ему нет. Анализ опыта эксплуатации комплекса на железных дорогах РФ, произведенного экономического и экологического эффекта, позволил сформулировать перспективы внедрения инновационной технологии, основанной на электрогидроэффекте в транспортное строительство.
доктор техн. наук профессор Веприняк И.А.
кандидат техн. наук доцент Найденов Ю.А.