Разработка скальных грунтов

Разработка скальных грунтов представляет собой сложный технологический процесс, требующий применения специализированной техники, особых методов воздействия на породу и соблюдения строгих мер безопасности. Скальные грунты обладают высокой прочностью, плотностью и жёсткими структурными связями, что делает невозможным их выемку стандартным землеройным оборудованием без предварительной подготовки. Выбор технологии разработки зависит от физико-механических характеристик породы, объёмов работ, близости застройки и экологических требований.

Общая характеристика скальных грунтов

Согласно ГОСТ 25100-2011 «Грунты. Классификация», к классу скальных грунтов относят грунты, обладающие жёсткими структурными связями кристаллизационного и/или цементационного типа. Эти породы характеризуются высокой прочностью, низкой влагоёмкостью и устойчивостью к воздействию агрессивных факторов окружающей среды.

Скальные грунты представляют собой твёрдые и плотные породы, такие как гранит, базальт, известняк, песчаник, гнейс, сланцы, мрамор, кварцит и другие горные образования. В отличие от дисперсных грунтов, скальные породы не поддаются простой механической обработке обычной землеройной техникой — для их разработки требуется предварительное разрушение или рыхление.

Классификация скальных грунтов по ГОСТ 25100-2011

Классификация скальных грунтов по ГОСТ 25100-2011 включает выделение классов, типов (подтипов), видов, подвидов и разновидностей на основе различных признаков. В классе скальных грунтов выделяют типы и подтипы по генезису, а виды и подвиды — по вещественному составу.

Типы скальных грунтов по генезису

Тип (подтип)	Виды (примеры пород)
Магматические интрузивные	Граниты, гранодиориты, диориты, сиениты, габбро, нориты, перидотиты, дуниты, пироксениты
Магматические эффузивные	Базальты, андезиты, риолиты, дациты, трахиты, порфириты
Метаморфические	Гнейсы, сланцы, кварциты, мраморы, роговики, скарны
Осадочные	Песчаники, конгломераты, известняки, доломиты, мел, мергели, гипсы, ангидриты, алевролиты, аргиллиты
Вулканогенно-осадочные	Туфопесчаники, туфоалевролиты, туффиты, вулканические туфы
Элювиальные	Скальные грунты трещинных зон коры выветривания

Разновидности по физико-механическим свойствам

По ГОСТ 25100-2011 скальные грунты дополнительно подразделяют на разновидности по количественным показателям:

По пределу прочности на одноосное сжатие (в водонасыщенном состоянии):

• Очень прочные: более 120 МПа

• Прочные: 50–120 МПа

• Средней прочности: 15–50 МПа

• Малопрочные: 5–15 МПа

• Полускальные (пониженной прочности): 3–5 МПа

• Полускальные низкой прочности: 1–3 МПа

• Полускальные очень низкой прочности: менее 1 МПа

По пористости:

• Непористые: менее 3%

• Слабопористые: 3–10%

• Среднепористые: 10–30%

• Сильнопористые: более 30%

По степени выветрелости:

• Слабовыветрелые: коэффициент выветрелости 0,9–1,0

• Средневыветрелые: 0,8–0,9

• Сильновыветрелые: менее 0,8

По размягчаемости в воде:

• Неразмягчаемые: коэффициент размягчаемости более 0,75

• Размягчаемые: менее 0,75

Классификация по группам для разработки (ЕНиР)

Для целей определения трудоёмкости разработки грунты делятся на группы согласно ЕНиР:

• Грунты I–IV — нескальные

• Грунты IVр—Vр — разборно-скальные (рыхлятся клиньями или отбойными молотками)

• Грунты V–VII — скальные (требуют взрывных работ или специального оборудования)

Способы и технологии разработки скальных грунтов

Под разработкой грунта понимается типовой этап земляных работ, включающий вскрытие и выемку грунтового массива с целью формирования нового рельефа. Для скальных грунтов выделяют несколько основных методов разработки.

Буровзрывной метод

Буровзрывной способ является наиболее эффективным и широко применяемым методом разработки скальных грунтов. Он предполагает использование энергии взрыва для разрушения горного массива и перемещения разрушенной породы.

Этапы буровзрывных работ:

1. Бурение шпуров (отверстий диаметром 25–75 мм, глубиной до нескольких метров) или скважин

2. Размещение взрывчатых веществ (аммонит, тротил, динамит и др.)

3. Забойка (заполнение оставшейся части шпура инертным материалом)

4. Взрывание

5. Выемка разрыхлённой породы экскаваторами

Виды взрывных работ:

• Шпуровой метод — применяется при небольших объёмах и высоте уступа до 5 м

• Скважинный метод — используется при высоте уступа более 5 м

• Метод камерных зарядов — для массовых взрывов при разработке котлованов или каналов значительных размеров

Буровзрывной метод обеспечивает высокую производительность, однако требует строгого соблюдения мер безопасности и имеет ограничения при использовании вблизи существующей застройки из-за сейсмического воздействия, разлёта осколков и пылегазовыделения.

Механический метод

Механический метод реализуется с использованием специализированной техники для последовательного разрушения грунтового массива. Применяется для разработки полускальных, трещиноватых и выветрелых скальных пород, а также в условиях, когда взрывные работы невозможны.

Основные виды оборудования:

Гидромолот — навесное оборудование для экскаватора, осуществляющее разрушение породы мощными ударными воздействиями. Работает на глубине до 5 м и подготавливает поверхность к дальнейшей обработке другими землеройными машинами. Преимущества метода — снижение шума и вибраций по сравнению с взрывными работами, возможность точной и контролируемой разработки.

Виброрыхлитель (виброриппер) — оборудование, сочетающее преимущества гидромолота и рыхлителя. Использует вибрационные колебания для разрушения связей между частицами породы. Применяется для рыхления мерзлых грунтов, горных пород различной крепости (кварцит, сланцы, известняк, гранит).

Рыхлитель на базе бульдозера — применяется для поверхностного рыхления грунтов III–IV групп на глубину 300–600 мм. Для скальных грунтов V–XII групп требуется предварительное рыхление взрывным способом.

Роторные фрезы — вращающийся барабан с резцами, который разрушает грунт за счёт механического воздействия. Позволяют производить безвзрывную добычу с одновременным измельчением породы прямо в забое.

Гидромеханический метод

Основан на свойстве грунта размываться под направленным воздействием струи воды, подаваемой под высоким давлением. Метод эффективен при наличии значительных ресурсов воды и электроэнергии. Для скальных грунтов применяется ограниченно и подходит для пород средней прочности.

Комбинированные методы

Сочетают несколько технологий для достижения оптимального результата. Например, взрывное рыхление с последующей механической выемкой экскаваторами, или применение гидромолота для доработки после взрыва.

Безвзрывные технологии

В условиях плотной городской застройки или вблизи действующих коммуникаций применяются безвзрывные методы разрушения:

Гидроразрыв (гидрораскалывание): в пробуренные шпуры устанавливаются клинья, которые под действием гидравлического давления раздвигаются и раскалывают породу.

Невзрывные расширяющиеся смеси (НРС): в шпуры закладывается цементная смесь (например, НЕОКРЭК), которая при застывании расширяется и создаёт напряжение более 7500 т/м², вызывая разрушение породы без шума, вибрации и разлёта осколков.

Канатная резка: порода разрезается алмазными канатными машинами на отдельные глыбы заданных размеров.

Разработка котлованов в скальных грунтах

Разработка котлована в скальных грунтах представляет особую сложность и требует специального подхода, тщательного планирования и применения профессионального оборудования. Стандартные методы копки здесь неэффективны из-за высокой прочности и плотности пород.

Особенности работ

Скальные грунты отличаются высокой твёрдостью, неоднородностью состава и наличием трещин, что требует индивидуального подхода к каждому участку котлована. Важным фактором является необходимость сохранения стабильности окружающих грунтов и соседних построек — неправильные действия могут привести к обрушению или деформации конструкций.

Согласно СНиП 3.02.01-87, крутизна откосов выемок в скальных грунтах (включая скальные) составляет не более 80°. При разработке с применением взрывных работ крутизна откосов должна быть установлена проектом. Число уступов и местных углублений в скальных грунтах для котлованов под жилые дома не должно превышать трёх.

Этапы разработки котлована

Подготовительный этап:

• Проведение геологических изысканий для определения структуры и состава пород, наличия трещин и пустот

• Проектирование котлована с учётом геологических условий

• Разработка проекта производства работ (ППР)

• Подготовка площадки: очистка, установка ограждений и знаков

Основной этап:

• Срезка растительного слоя грунта

• Предварительное рыхление скального грунта выбранным методом (буровзрывным или механическим)

• Разработка разрыхлённой породы экскаваторами

• Погрузка и вывоз грунта

• Зачистка дна и откосов котлована

Завершающий этап:

• Укрепление стенок котлована

• Устройство водоотведения

• Контрольная геодезическая съёмка

Методы разработки

Буровзрывной метод применяется при больших объёмах работ и при отсутствии ограничений на взрывные работы. Обеспечивает высокую скорость разработки, однако требует соблюдения строгих мер безопасности.

Механическая разработка с использованием гидромолотов и фрезерных установок применяется при ограничениях на использование взрывчатки или в условиях плотной городской застройки. Этот метод более экологичен и безопасен, но менее производителен.

После рыхления взрывами скальные грунты V и VI групп разрабатываются экскаваторами. Разрыхлённая порода погружается в автосамосвалы и вывозится или используется для обратной засыпки, отсыпки насыпей и других целей.

Укрепление откосов и стенок котлована

Для предотвращения осыпания и обрушений применяют следующие методы крепления:

• Торкретирование — нанесение под давлением бетонной смеси, которая заполняет трещины и неровности, образуя монолитную структуру со скальной породой

• Шпунтовое ограждение — установка металлических шпунтовых свай, соединяемых замками

• Анкерное крепление — установка анкеров с фиксацией в устойчивом массиве породы

• Комбинированное крепление — использование нескольких методов одновременно

Техника безопасности

Работы в скальных грунтах требуют особого внимания к организации и безопасности:

• Детальный инструктаж всех участников работ

• Применение средств индивидуальной защиты

• Регулярный мониторинг состояния грунтовых оснований и соседних конструкций

• Соблюдение правил хранения и транспортировки взрывчатых материалов

• Контроль качества на каждом этапе работ

Преимущества и недостатки методов

Метод	Преимущества	Недостатки
Буровзрывной	Высокая производительность; эффективен для твёрдых пород	Строгие требования безопасности; риск повреждения соседних объектов; шум и вибрации
Гидромолот	Экологичность; контролируемое воздействие; подходит для городских условий	Меньшая производительность; высокая стоимость оборудования
Фрезерование	Одновременное измельчение породы; высокая точность; безопасность	Ограничения по прочности пород; высокая стоимость
Безвзрывные смеси	Отсутствие вибраций и шума; не требует разрешений на взрывные работы	Длительное время разрушения (до 24–48 часов); зависимость от температуры

Техника для разработки скальных грунтов

Для разработки скальных грунтов применяется следующая специализированная техника:

• Экскаваторы с усиленными ковшами — для выемки разрыхлённой породы

• Гидромолоты — для механического дробления

• Бульдозеры-рыхлители — для поверхностного рыхления

• Виброрыхлители (виброрипперы) — для рыхления методом вибрации

• Роторные фрезы — для послойного фрезерования

• Буровые станки — для подготовки шпуров и скважин при взрывных работах

• Дробильные ковши — для измельчения крупных обломков

---

Разработка скальных грунтов требует комплексного подхода, включающего тщательное изучение геологических условий, грамотный выбор технологии и оборудования, а также строгое соблюдение норм безопасности и экологических требований. Правильная организация работ позволяет обеспечить высокую производительность при минимальных рисках для окружающей среды и соседних сооружений.