Подземна инфраструктура в скалисти терени

Съвременни технологии за бързо и високоефективно изкопаване на канали

Изпълнението на проекти от типа "Воден цикъл" през последните десетина години у нас показа в голяма степен неподготвеността на българските фирми да полагат подземни водопроводи в скалисти терени. Такива бяха условията за работа в немалко градове, например в Северозападна България, а и на други места. Все пак имаше дружества, които успяха да се ориентират в трудната ситуация и показаха на практика, че използването на риперни кофи и каналокопатели са правилните технологии за това.

В интерес на истината трябва да се отбележи, че някои фирми се оказаха неприятно изненадани от скалите, които откриха под разкопания асфалт, но това не бе по тяхна вина. Изглежда, че в някои от етапите на проучвателните и проектантските дейности е имало пропуски. Все пак изпълнителите се оказаха в незавидната ситуация да решават този проблем на място с очевидната перспектива да не изпълнят проекта в определения срок.

Първото най-близко до ума решение на проблема - да използват багери с хидравлични чукове, се оказа крайно неефективно. Разкъртването на скалите вървеше бавно, а амортизацията на багерите - ускорено. В общ план ниската ефективност на хидравличния чук произтича от няколко фактора. Скалата обичайно е много издръжлива на натиск - тя е по-слаба на опън. Хидравличният чук действа чрез натиск, така че той трябва да бъде достатъчно мощен, за да разруши материала, което на свой ред изисква много енергия. Риперната кофа и работният орган на каналокопателя разкъсват материала с изтегляне (опън), при което прилаганата сила е много по-малка, съответно и вложената енергия. На второ място, за постигане на съответните размери на канала, с използването на комбинация от чук и багерна кофа се изкопава повече материал от необходимото. При риперната кофа такъв ефект не се получава, а каналокопателят "изрязва" най-прецизно и гладко стените на изкопа. Сравняването на технологиите в по-конкретен и подробен план разкрива още интересни детайли за нивото на ефективност, свързани с организацията на работа на обекта и разходите за експлоатация и поддръжка на техниката. Ето защо на следващите страници ще разгледаме подробно най-ефективните технологии и техника за полагане на подземна инфраструктура, в т.ч. тръби и кабели, в скалисти терени: риперни кофи, самоходни каналокопатели с режеща верига и ротационни каналокопатели с режещо колело.

Риперни кофи
Риперната кофа (Ripper Bucket) се монтира на рамото на багера, като всеки друг кофа, но в същото време тя е много специален прикачен инвентар. Изработва се от стомана HARDOX и има уникална конструкция. При копаене трите основни зъба с по две остриета, подредени във формата на дъга, се врязват последователно един по един в скалата под оптимален работен ъгъл, като по този начин цялата сила на копаене се прилага в дадения момент само към един зъб. Така силата на вкопаване на риперната кофа е до 7,5 пъти по-голяма в сравнение със обичайната скална кофа с пет зъба. От съществено значение е разположението на трите зъба. Въпреки, че те са монтирани последователно в различни точки от радиуса на дъгата, разстоянието от върха на всеки зъб до върха на рамото на багера е едно и също. Така тези зъби, разкъртвайки скалата, правят изкопа със сравнително равно дъно.

Друг важен момент е, че риперната кофа е основен инструмент, а не спомагателен за подготвителни или довършителни работи. С нея операторът едновременно разкъртва скалата и загребва материала. Като приложение риперната кофа покрива по най-ефективния начин всички дейности, които се извършват с усилена кофа и хидравличен чук при линейни изкопи, като границата е скали, които обичайно се взривяват.

Стандартно капацитетът (обемът) на риперната кофа е около половината или по-малко от този на стандартната кофа за съответния модел багер – за 22-тонен верижен багер той е от порядъка на 0,4 куб. м. Има и по-големи варианти, предлагащи капацитет на загребване почти колкото аналогичната стандартна кофа, но тук силата на вкопаване малко се понижава. По-големите модели са отлично решение за мащабни обекти, където ще се копае в скалисти условия дълго време. Обичайно на пазара се предлагат риперни кофи с различни капацитети, съобразени с различните класове земекопна техника – от багер-товарач до над 120-тонен верижен багер.

В сравнителен план, по изчисления на производител, риперната кофа е четири пъти по-производителна от хидравличен чук (прикачен на багер). Благодарение на особената си конструкция риперната кофа превъзхожда всички видове специализирани кофи за копаене в скали, оформяйки сравнително равно не само дъното, но и стените на изкопа.

Не е тайна, че цената на риперната кофа е сравнително висока. В зависимост от капацитета тя може да бъде почти колкото на един хидравличен чук за същия клас багер. Но технологията на работа с чук влече със себе си много повече разходи, тъй като към първоначалната инвестиция в него трябва да се отчете и организацията на работа на обекта. Освен цената на чука трябва да се предвиди и цената на бързосменника и усилената кофа за изгребване на разкъртения материал. Сметката набъбва драстично, ако се използват заедно два багера, като единият е оборудван с чук и само раздробява скалата, а другият само изгребва разтрошения материал. Въпреки очевидната си неефективност (докато единият багер работи, другият чака) такава организация на работа не е изключение по строителните обекти в България.

При всички случаи използването на хидравличен чук генерира много повече експлоатационни и амортизационни разходи за самия него и за базовата машина: смени на шилото на чука, достигащи до 1-2 седмично, смени на газови акумулатори, ремонти, гресиране и др. При багера характерната амортизация е свързана с подмяна на втулки на рамото, хидравличните цилиндри и стрелата, умора на материала на основните работни органи и като цяло ускорена амортизация на машината.

Така разходите за изкопаване на линеен метър канал в скалист терен стават многократно по-високи, отколкото ако се използва един багер с риперна кофа. В същото време скоростта на работа се различава драстично. В български условия са правени изчисления, които показват, че на 1 линеен метър производителност с чук се падат 6 линейни метра с риперна кофа при един и същ клас базова машина и ширина на канала 70-80 см.

Самоходни каналокопатели с режеща верига
Самоходният каналокопател с режеща верига (Trencher) често се нарича и каналокопател за водопроводи (Pipeline Tencher). Това е специализирана машина с дизелов двигател, която може да бъде с колесна или верижна ходова част. Обикновено по-малките модели са колесни, а по-големите - верижни. Някои производители предлагат опцията наклоняемост на веригите, респективно на цялата машина. Това обезпечава работа в ограничени пространства, на склонове и възможност за оформяне на изкоп под определен ъгъл. По-големите каналокопатели (могат да достигнат габаритна дължина 16 м и тегло 100 т) разполагат с кабина и съвременно управление с възможност за настройване на изкопаване на траншея по права линия.

Най-важният компонент на машината е работната верига, която се разполага на носещата стрела. На пръв поглед тя прилича на верига за ходова част, но по нея са разположени специални термично закалени работни зъби (ножове). По форма те са подобни на тези, които се монтират по ротора на фреза за асфалт. Най-образно казано, каналокопателят може да се определи като голям моторен трион.

Тъй като се предлагат различни видове режещи вериги в зависимост от работните условия, в нашия случай трябва да се избере вариантът за работа в скалисти терени. Самата верига се задвижва най-често хидростатично и ъгълът й спрямо повърхността на терена може да се регулира - при по-големите модели в рамките на 15-20°. Всеки каналокопател се предлага с избор от няколко варианта на вериги за различни работни дълбочини, достигащи максимум 5,5 м. Ширините на рязане са до 1,2 м, но за скалисти терени веригите са по-тесни - обикновено не надхвърлят 910 мм.

Материалът се копае и загребва благодарение на въртенето на работната верига, след което попада на транспортна лента. Тя позволява избор на посоката на отвеждане (отляво или отдясно), според условията и пространството на обекта. Делители за формиране на изкопаната маса позволяват симетрично разпределение на материала от двете страни на траншеята. Някои производители предлагат като опция транспортна лента за директно товарене на материала в кош на самосвал.

Машината предлага изключително висока скорост на копаене. В зависимост от модела и теглото й могат да се изкопаят траншеи в обикновени почви от порядъка на 200-250 м/ч или количества от порядъка на 650-700 т/ч (500-550 куб. м/ч). От голямо значение за производителността на даден каналокопател е твърдостта на откопавания материал. За съпоставка може да се отбележи, че 40-45-тонна машина при твърдост (устойчивост на натиск) на земната маса 103-105 МПа (твърди скали като базалт, андезит, риолит), може да достигне 400-420 т/ч. Има големи модели, които могат да работят при твърдост (устойчивост на натиск) от 120-140 МПа, като производителността достига до 650 т/ч. По изчисления на български фирми-изпълнители каналокопател с мощност 540 к.с., тегло 60 т, работна дълбочина 4 м (дължина на веригата) и ширина 910 мм може да постигне производителност до 120 линейни м/ч изкопан канал в скалист терен.

В сравнителен план 120 м/ч в скалист терен е теоретично постижимо с конвенционална техника, която съставлява седем верижни багера: четири багера с хидравлични чукове и три с кофи за изгребване на разкъртения материал. Но тъй като една машина - каналокопателят, има производителността на няколко, се реализират значителни икономии: най-напред на гориво и второ, съкращава се времето за изпълнение на траншеята. При дадения каналокопател разходът на дизел е около 70 л/ч. Ако багерите в нашия случай са 25-тонни, разходът на всеки ще бъде около 20-25 л/ч в зависимост от марката, модела и амортизациите. Така срещу една машина с разход 70 л/ч имаме 7 х 20-25 л/ч= 140-175 л/ч. Освен това, от практическа гледна точка, е изключително трудно да се постигне висока производителност от багери с хидравлични чукове и кофи на едно място. В случая процесът е възпрепятстван от необходимите логистика и синхрон на седемте машини, работещи едновременно. А и често на самия обект просто няма място за толкова много машини.

Логично е да възникнат опасения как ще работи каналокопател в градска среда. Всъщност проблеми не би трябвало да има, ако е ясно от къде точно минава съществуващата подземна инфраструктура. Ето защо успешно изпълнени проекти с каналокопатели има в Балчик, Велико Търново (Арбанаси), Ракитово, Брегово, Стара Загора, Средец, Кричим, Троян, Кърджали, Димитровград, Луковит, Разлог, Нови Пазар, София, Перник, Хисаря, както и в много села. Има случаи, когато използването на риперна кофа ще бъде по-удачно, ако не е съвсем известно каква инфраструктура има под земята. В случая трябва да се отбележи, че производителността на багер с риперна кофа достига до около 50% от тази на каналокопател в зависимост от големината на сравняваните машини.

Ротационни каналокопатели
Работният орган на ротационния каналокопател (Rockwheel / Wheel Saw) представлява голямо колело, по което са монтирани работни зъби (ножове) от много твърда карбидна стомана. Задвижва се от хидромотор с висок въртящ момент, осигуряващ голяма производителност и минимално загряване. Има странични улеи за извеждане на изкопания материал далеч от канала. Регулирането на хоризонталното положение и на дълбочината обикновено става по хидравличен път. Характерно е, че този работен орган може да се монтира на мястото на режещата верига на самоходен каналокопател. Но има и модели, които са разработени като прикачен инвентар за преден монтаж на минитоварачи и за заден монтаж към трактори.

За разлика от машината с режеща верига, ротационният каналокопател се използва най-често, когато дълбочината на полагане на подземната инфраструктура не е много голяма - до около 1,5 м. Работната ширина достига 360 мм. Очевидно това е много ефективно решение за полагане на кабели. Прикачните режещи колела се използват за по-малки канали - с дълбочина до 0,6-0,8 м и ширина до 250 мм. В скалисти терени български фирми са постигали до 300 линейни м/ч с верижен минитоварач и прикачен ротационен каналокопател с работна дълбочина 0,4-0,8 м и работна ширина 250 мм.

Много важен момент за правилната експлоатация е подходящото съчетаване на базовата машина и прикачния ротационен каналокопател, който изисква висок хидравличен дебит. Водещите производители на минитоварачи като цяло предлагат по няколко такива колесни и верижни модела. Регулирането на дълбочината става от кабината, като индикаторът, показващ моментната дълбочина се вижда директно през предния прозорец на машината. В стандартния случай работният орган може да се премества наляво и надясно по хидравличен път, което е много удобно при прокопаване на канал в близост до някакво препятствие - стена, стълб, бордюр и др. От двете страни на режещия диск са монтирани специални плочи, т. нар. "ски", осигуряващи максимална стабилност и прецизна работа.