Мерзлые грунты по сравнению с немерзлыми (талыми) характеризуются значительно большей сопротивляемостью разрушению (в 15...20 раз) и абразивностью (в 100…150 раз), трудоемкостью и стоимостью разработки.
Машины для разработки мерзлых грунтов условно подразделяют на две группы:
- машины для подготовки (предварительного рыхления, нарезания на блоки) мерзлых грунтов и последующей окончательной разработки взаимодействующими с ними в комплексе землеройными машинами;
- машины, самостоятельно выполняющие весь комплекс разработки до заданной отметки и эвакуации мерзлого грунта из забоя.
К первой группе относятся навесные рыхлители на тракторах, машины ударного действия для рыхления грунта ударными импульсами, машины безударного действия для отрыва грунта от массива, баровые и дискофрезерные машины для нарезания щелей в мерзлых грунтах.
Ко второй группе относятся землеройно-фрезерные машины, траншейные цепные и роторные экскаваторы, рабочие органы и скоростные режимы которых приспособлены для разработки мерзлых грунтов с промерзанием на всю глубину траншеи.
Машины ударного действия воздействуют на разрушаемую среду (мерзлый грунт, твердое дорожное покрытие, фундамент) ударными импульсами свободно падающих или забиваемых рабочих органов. Самым распространенным видом свободно падающих рабочих органов является клин-молот конусообразной, пирамидальной и клиновидной форм массой 0,5…4,0 т.
Забивание рабочего органа в грунт может осуществляться: свободно падающим грузом, подвешенным на канате подъемной лебедки базовой машины и движущимся относительно направляющей; дизель-молотами и вибромолотами; гидравлическими, пневматическими и гидропневматическими молотами, используемыми в качестве сменного рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов.
Гидро- и пневмомолоты в настоящее время являются самым распространенным и эффективным оборудованием для разрушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой. Однако при работе машин ударного действия возникают динамические нагрузки, вредно воздействующие как на базовую машину, так и на расположенные поблизости сооружения и коммуникации.
Кроме того, в стесненных условиях сложившейся застройки при работе вблизи зданий и подземных коммуникаций широко применяют гидравлические экскаваторы с рыхлительным и захватно-клещевым рабочим оборудованием, которое разрушает мерзлый грунт безударным методом отрыва его от массива.
Оборудование захватно-клещевого типа навешивается на гусеничные гидравлические экскаваторы и предназначено для рыхления мерзлых грунтов, взламывания асфальтобетонных дорожных покрытий, разборки старых зданий, снятия и укладки дорожных плит, труб, установки колодцев, погрузки негабаритов и т.п. Это оборудование, выпускаемое в двух исполнениях (с одно- и трезубым рыхлителем-захватом), устанавливают вместо ковша и рукояти обратной лопаты. Разработка грунта осуществляется при перемещении рукояти клыком-рыхлителем к экскаватору или поворотом клыка в обе стороны относительно рукояти гидроцилиндрами, работающими от гидросистемы машины.
Для разрушения больших объемов мерзлого грунта (например, при прокладке линейных коммуникаций открытым способом) используют высокопроизводительные землерезные и землеройно-фрезерные машины.
Землерезные машины применяют для нарезания щелей шириной до 0,3 м в однородных, мерзлых и трудноразрабатываемых немерзлых прочных грунтах. Они представляют собой баровое, цепное и дискофрезерное рабочее оборудование. Баровые рабочие органы – цепные бары от угольных врубовых машин или комбайнов в виде бесконечной цепи с резцами, обегающей плоскую раму с приводкой и натяжкой звездочками. Барами прорезают вертикальные продольные щели в однородных мерзлых грунтах на глубину до 2,0 м шириной 0,14 м. Ими могут оборудоваться цепные траншейные экскаваторы. Барами прорезают массив мерзлого грунта на отдельные блоки массой 5…10 т, которые удаляют из забоя лебедками и кранами.
Главный параметр землерезных машин – максимальная глубина прорезаемой щели.
Основными достоинствами цепных и баровых землерезных машин являются простота конструкции, удобство в эксплуатации, небольшая металлоемкость, достаточно высокая (до 70 м3/ч) производительность, а недостатками – большие затраты мощности (до 60 % от всей потребляемой) на измельчение грунта и преодоление трения в цепях, низкая долговечность рабочего органа, работающего в абразивной среде.
Дисковые щелерезные (дискофрезерные) машины нарезают в мерзлых грунтах щели шириной 80…120 мм на глубину до 1…2 м с помощью одного или двух оснащенных резцами дисков (роторов) диаметром до 3 м. Эти машины применяют для рытья узких траншей прямоугольного профиля под кабели электропередач и связи, трубопроводов малых диаметров, а также вскрытия асфальтовых дорожных покрытий. Дисковая щелерезная машина предназначена для рытья траншей и щелей шириной 0,28 м и глубиной до 1,3 м в мерзлых и плотных грунтах. Привод рабочего органа может быть механическим и гидравлическим. Скорость резания составляет 2…3 м/с.
Особенностью этих машин является то, что рабочий орган не имеет специального оборудования для транспортирования разработанного грунта. Вынесенный зубьями на поверхность грунт отодвигается в обе стороны от бровки траншеи плужками рамы и располагается валиком вдоль отрываемой траншеи.
Основные достоинства дискофрезерных машин по сравнению с баровыми и цепными – пониженная энергоемкость процесса резания за счет малого количества трущихся поверхностей ротора, а основные недостатки – высокая металлоемкость и ограниченная глубина копания, составляющая примерно 0,5 диаметра ротора.
Эксплуатационную производительность щеленарезных машин определяют по объему разрушенного грунта (м3/ч)
Пэ= h · H · B · v · K в,
где h – количество одновременно нарезаемых щелей;
H, B – глубина и ширина прорезаемой щели, м;
v – рабочая скорость движения машины;
K в – коэффициент использования машины по времени.
Землеройно-фрезерные машины применяют для послойной разработки (фрезерования) мерзлых грунтов и твердых пород при выполнении планировочных работ, отрывке корыт под внутриквартальные дороги, трамвайные и подкрановые пути, а также разрушения асфальтобетонных покрытий с последующей экскавацией разрушенных материалов бульдозерным отвалом.
Главным параметром землеройно-фрезерных машин является ширина фрезеруемой за один проход полосы.
Рабочий орган землеройно-фрезерной машины – фреза диаметром 900…1020 мм, представляющая собой горизонтальный полый вал с приваренными перпендикулярно его оси кронштейнами, которые оснащены сменными режущими наконечниками (клыками) износостойкой твердосплавной наплавкой.
Современные землеройно-фрезерные машины за один проход обрабатывают полосу грунта шириной 2,6…3,4 м при глубине фрезерования до 0,25…0,35 м. После каждого прохода фрезой разрушенный грунт убирается бульдозерным отвалом, производительность при разработке мерзлого грунта составляет 140 … 400 м3/ч. Основным недостатком землеройно-фрезерных машин является интенсивный абразивный износ режущих элементов.