Разработка технологии ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений с использованием алмазной резки и сверления (стр. 1 )

На правах рукописи

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

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный строительный университет.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Марчук Алексей Николаевич

кандидат технических наук

Ведущая организация: -изыскательский и научно-

исследовательский институт им.

( 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

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. При ремонте и реконструкции гидро-технических сооружений особое внимание уделяется неразрушающему воздей-ствию на существующие конструкции при демонтаже бетонных элементов соору-жений, а также при изготовлении в них проемов и отверстий. С 1975 года в евро-пейских 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 ма-шины, которая не создает ударных нагрузок при воздействии на конструкции и не оставляет при работе макро - и микротрещин в теле сооружений. Отсутствие тре-щинообразования в конструкциях делает эту технологию особенно востребован-ной 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 реконструк-ции 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 являя-ется 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, методичес-ких и практических аспектов организации и технологии ремонта гидросооруже-ний, при использовании алмазной резки и сверления.

Научная новизна работы: научно обоснованы рекомендации по организа-ции технологического процесса при ремонте, реконструкции и демонтаже гидро-технических объектов, с применением алмазной резки и сверления.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные ре-комендации позволяют организовать неразрушающий оптимальный технологиче-ский процесс ремонта и реконструкции гидротехнических сооружений с исполь-зованием 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 гидро-сооружениях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспече-на результатами, полученными при использовании алмазной резки и сверления для реконструкции и демонтажа гидротехнических сооружений.

Личный вклад автора состоит в том, что соискатель, используя между-народный 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 техно-логические особенности алмазной резки и сверления, позволяющие выполнять работы, не нарушая монолитность гидротехнического объекта, а также минималь-но вредное его влияние на окружающую среду, соискатель активно разрабатывал и внедрял, основанную на методе алмазной резки и сверления технологию ремон-та и реконструкции гидросооружений в практику отечественного гидротехничес-кого строительства.

Результаты проведённых автором исследований использовались: при про-ектировании Красно-Полянской ГЭС-2, при реконструкции плотины гидроузла «Кузьминск» на р. Ока, при ремонте объектов канала им. Москвы, при рекон-струкции 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 печат-ных работах, в том числе в двух изданиях рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введе-ния, 4-х глав, основных выводов, списка литературы из 110 наименований и при-ложений на 11 страницах. Объем диссертации составляет 194 страницы, включая 134 страницы текста, 18 таблиц, 76 иллюстраций.

Во введении приведена общая характеристика работы, обоснована актуаль-ность 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 многочислен-ными примерами из зарубежной практики.

- 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 конструк-циях шлюзов, в результате коррозии и механического воздействия, образовались значительные повреждения защитного слоя бетона. Для проведения работ по ре-монту 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 после-дующей укладкой нового, все работы были выполнены в течение трех дней. На выполнение того же объема работ с помощью буровзрывного метода потребо-валось десять дней.

- Акуловский гидроузел. При производстве работ по реконструкции гидро-узла проектом была предусмотрена прокладка дополнительных водоводов и под-ключение их к существующей распределительной камере. В этой монолитной железобетонной камере было необходимо устроить круглое отверстие в верти-кальной 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 бу-дущего 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 железо-бетонными 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 бе-тонирования 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 лице-вой поверхности, после чего отрезанные блоки удалялись из сооружения на утилизацию.

Отдельного внимания, благодаря его уникальности, заслуживает рассмотре-ние 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.

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 демон-таже 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 помо-щью решать уникальные инженерные задачи, связанные с ремонтом и реконс-трукцией гидротехнических сооружений различных типов.

Оценивая применение алмазной резки и сверления в гидротехническом стро-ительстве, 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 раз-ница 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 динамичес-кие нагрузки на сооружение, что не приводит к трещинообразованию и не нару-шает 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 удов-летворяя 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 технология-ми, 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 техно-логия» понимается совокупность действий, способов и средств, направленных на обработку исходных природных и искусственных материалов. При этом прини-мается во внимание изменение характеристик материалов, их состояние и поло-жение в пространстве с целью создания законченной строительной продукции заданных параметров и качества. Здесь же рассматриваются основные компо-ненты 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 строитель-стве. 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	Гидротехническое строительство
1.	Объемы демонтируемых элементов массивов и конструкций имеют стандартные размеры	Демонтируемые элементы намного крупнее, и различаются как по объему, так и по форме в 10 и более раз
2.	Проведение работ возможно в любое время года	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.)
3.	Чаще всего доступ к месту выполнения работ обеспечен со всех сторон сооружения	Как правило, возможность доступа к месту проведения работ ограничена
4.	Применение любой модификации кранов при демонтаже отрезанных конструкций	Выбор модели крана полностью зависит от конкретных условий доступа к месту производства работ (во многих случаях отсутствует возможность применения крана при демонтаже отрезанных элементов, что вызывает необходимость применения лебедок и талей)
5.	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
6.	Требования по сохранению монолитности конструкций не оговариваются	Повышенные требования к сохранению монолитности конструкций и образованию в них трещинообразования
7.	.Влияние производства работ на состояние основания сооружения не учитывается.	Повышенные требования к состоянию основания при замене лицевого бетона или демонтаже элементов сооружения в нижнем бьефе, облицовок откосов каналов и стенок шлюзов.
8.	Средняя насыщенность техникой, не более 1 машины на 20 м²	Высокая насыщенность техникой на захватке (до 4 машин на 20 м²) , вызванная большими объемами работ на одном объекте. Дополнительные мероприятия по технике безопасности
9.	Применение всей линейки оборудования	Применение машин повышенной мощности, вызванное массивностью ремонтируемых сооружений и, как следствие, большими объемами работ на одном объекте. Дополнительные мероприятия по технике безопасности
10.	Стандартные требования к качеству выполняемых работ	Повышенные требования к качеству выполняемых работ. Недопущение нарушения монолитности сооружения
11.	Стандартные требования к соблюдению правил производственной безопасности	Повышенные требования к соблюдению правил производственной безопасности, связанные с особо опасными условиями производства работ. Дополнительные мероприятия по технике безопасности
12.	Стандартные требования по охране окружающей среды.	Повышенные требования по сохранению 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 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:

S = . (2)

Далее определятся форма блока, которая обеспечит наиболее оптимальную схему разрезания конструкции при минимальной площади реза. Рассмотрение раз-личных 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 , (3)

где l - длина единичного реза.

Для определения длины реза всей конструкции L определяется общее число единичных резов:

, (4)

где N - общее число единичных резов, n - общее число элементов, - общее число крайних элементов.