Jak to robimy – Roboty strzałowe

1. Wyburzenia metodą minerską (za pomocą materiałów wybuchowych)

Materiały wybuchowe są szczególnym źródłem energii, pozwalającym na wykonanie określonej pracy mechanicznej w warunkach, w których inne źródła lub napędzane przez nie urządzenia są znacznie mniej użyteczne. Podstawową zaletą, warunkującą przewagę materiałów wybuchowych nad innymi materiałami energetycznymi, jest bardzo krótki czas wyzwolenia energii wewnętrznej (czas trwania wybuchu). Czas ten mierzony w ułamkach milisekund warunkuje bardzo dużą moc przemiany wybuchowej.

Istotnym kierunkiem wykorzystania materiałów wybuchowych jest również ich zastosowanie w budownictwie. Analogicznie do zastosowań w górnictwie – roboty budowlane wykonywane z wykorzystaniem materiałów wybuchowych nazywane są robotami strzałowymi. Podstawowymi dziedzinami budownictwa, w których stosuje się materiały wybuchowe są prace rozbiórkowe obiektów budowlanych (lub ich elementów) oraz prace związane z urabianiem gruntów.

1.a. Rozbiórki i wyburzenia obiektów prostych

Za obiekty proste i łatwe do wyburzenia można uznać wszelkie fundamenty maszyn i urządzeń (nawet o zewnętrznie skomplikowanych kształtach), płyty i przyczółki mostowe, fundamenty słupów nośnych hal, fundamenty domów i budowli, płytowe fundamenty kominów, wielkowymiarowe belki i słupy, podciągi i inne zwarte konstrukcje, głównie żelbetowe. Wyburzanie tych obiektów młotami hydraulicznymi jest uciążliwe, niekiedy niemożliwe ze względu na wysokość lub głębokość położenia takiego obiektu. Drugim typem obiektów prostych są elementy płaskie (płyty, posadzki, ściany lejów, ściany wież i zbiorników), które są stosunkowo łatwe do rozbiórki nożycami, ale znajdują się na wysokości i są nieosiągalne dla nożyc, usztywniają konstrukcję lub mogą być wyburzane dopiero po obaleniu obiektu

Aby wyburzać takie obiekty przy najmniejszym nakładzie sił i środków, należy:

• wyznaczyć wielkość ładunku dopuszczalnego ze względu na bezpieczeństwo otoczenia,
• wyznaczyć wielkość jednostkowego zużycia MW (w kg/m³);
• zaprojektować siatkę otworów strzałowych tak, by wystąpiło równomierne wysycenie całego obiektu materiałem wybuchowym;
• w elementach (np. fundamentach silników) gęsto i dwuwarstwowo zbrojonych wykonać siatkę otworów dla odsłonięcia zbrojeń;
• w elementach płaskich wytyczyć linie cięcia wybuchowego dla odsłonięcia zbrojeń; po ich przepaleniu element płaski zostanie podzielony na fragmenty dogodne do transportu.

Rozbiórki obiektów prostych są najbardziej zbliżone do strzelań górniczych i wymagają najbardziej podstawowych umiejętności strzałowych.

1.b. Rozbiórki i wyburzenia obiektów wysokich

Do obiektów wysokich zalicza się:

• kominy żelbetowe,
• kominy ceglane,
• wieże szybowe basztowe, węglowe i gaśnicze, ciśnień, przesypowe, kątowe i oświetleniowe,
• inne obiekty, w których stosunek wysokości do szerokości u podstawy przekracza wartość 3.

Rozbiórki obiektów wysokich (kominów, wież) sposobem wybuchowym są niewątpliwie najtańszą, najszybszą i najmniej czasochłonną metodą. Wszędzie tam, gdzie możliwe jest kierunkowe powalenie obiektu, zastosowanie techniki strzałowej jest rozwiązaniem najbardziej korzystnym. Najpoważniejszym zagrożeniem podczas rozbiórki obiektów wysokich jest zazwyczaj zachowanie wyznaczonego kierunku padania oraz drgania wywołane uderzeniem dużych mas o grunt.
Ideę wyburzania obiektów wysokich najłatwiej można przedstawić na przykładzie kominów.

Rozbiórki kominów przemysłowych z zastosowaniem materiałów wybuchowych zasadniczo polegają na wykonaniu włomu, który ma za zadanie wytworzenie osi obrotu oddalonej od osi symetrii komina o pewną odległość. Wyłom powoduje, że większa cześć komina znajdzie się za osią obrotu i jego ciężar zacznie działać na pewnym ramieniu, tworząc moment wywracający. Do wykonania włomu stosowany jest materiał wybuchowy, co pozwala na usunięcie wymaganej części komina w sposób na tyle szybki, aby zachowany został zamierzony kierunek obalenia.

Po wybuchowym wykonaniu włomu kierunkowego na komin działają momenty sił:

• sprzyjające obaleniu,
• przeciwne obaleniu
• zmienne.

Momenty sił sprzyjające obaleniu to:

• moment pochodzący od ciężaru tej części komina, która znajduje się po stronie włomu do granicy wyznaczonej linią obrotu;
• moment pochodzący od liny; wyznacza go pozioma składowa ciężaru zawieszonego na linie, jest to moment zmieniający się w miarę przechylania się komina i zmiany kąta zawieszenia ciężaru.

Momenty przeciwne obaleniu to:

• moment pochodzący od ciężaru zlokalizowanego za linią obrotu, po stronie przeciwnej niż włom (od ciężaru oddzielonego pionową płaszczyzną przechodzącą przez linię obrotu i zlokalizowanego nad strefą podporową);
• moment pochodzący od wytrzymałości na rozrywanie betonu znajdującego się w strefie podporowej;
• moment pochodzący od wytrzymałości na rozrywanie zbrojeń strefy podporowej;
• moment pochodzący od wytrzymałości na wyboczenie prętów zbrojeniowych znajdujących się w strefie włomowej.

Momenty zmienne to:

• moment pochodzący od działania wiatru,
• moment pochodzący od oporu powietrza podczas padania komina; W kominach ceglanych powoduje złamanie komina, zmianę kierunku upadku górnej części komina. W kominach żelbetowych moment ten powoduje kumulację energii sprężystej i jej wyładowanie w końcowej fazie upadku.

Równanie momentów sił i wyznaczenie momentu wypadkowego musi być skrupulatnie przeprowadzone, bowiem z tego wynika wielkość zmiennej siły, przyspieszenie ruchu po łuku i prędkość ruchu komina w pierwszych sekundach po strzale oraz konsekwencje energetyczne i wielkość oddziaływania komina na otoczenie po jego upadku.

Kolejnym bardzo istotnym zagadnieniem podczas prowadzenia wyburzenia komina jest wytrzymałość stopy podporowej. Po wybuchowym wykonaniu włomu całe obciążenie, do tej pory równomiernie rozłożone, zostaje przeniesione dynamicznie na stopę podporową, miażdżąc ją niejednokrotnie i zmieniając warunki kierunkowego obalenia. W takich przypadkach najtrudniej jest zachować założony (planowany)kierunek padania komina.

Innym również istotnym zagrożeniem podczas wyburzania komina sposobem wybuchowym jest oddziaływanie energii upadku na otoczenie. Na ogół ekwiwalent dynamitowy energii upadku kominów żelbetowych jest ponad dziesięciokrotnie większy niż ilość dynamitu użyta dla obalenia komina, dlatego stosuje się rozwiązania, które sprowadzają się do:

• wyburzenia komina na wały i poduszki;
• wykonywania rowów przeciwsejsmicznych;
• wyburzenie komina na budowle istniejące w pobliżu, przeznaczone do przyszłej rozbiórki;
• rozcinania skróconego komina płaszczyzną pionową i obalania każdej części z osobna;
• składania komina (strzelanie dwoma włomami: na dole i w połowie wysokości), dzięki czemu część górna pada na dolną i znaczna część energii wytraca się na destrukcję płaszcza komina;
• skracania komina;
• sztucznego zmniejszania smukłości;
• zwiększania wytrzymałości stopy podporowej;
• stosowania włomu wtórnego (włomu bezpieczeństwa).

Większość tych zabezpieczeń wykonuje się podczas rozbiórki kominów żelbetowych. Kominy ceglane (zbudowane z tworzywa nieciągłego) zachowują się w sposób trudniej przewidywalny jeśli idzie o kierunek i zasięg upadku, natomiast ich parasejsmiczne oddziaływanie na otoczenie – ze względu na inny rodzaj upadku(wydłużony w czasie)) – jest znacznie mniejsze.

W przypadku obalania kominów można zidentyfikować wszystkie zagrożenia i w sposób celowy im przeciwdziałać. Mimo że jest to operacja niekiedy bardzo trudna, można uznać, że praktycznie możliwa jest rozbiórka metodą wybuchową każdego komina.

1.c. Rozbiórki i wyburzenia obiektów wielkośrednicowych

Obiekty wielkośrednicowe charakteryzują się stosunkiem wysokości do średnicy zbliżonym do wartości 2 lub nieco mniejszym. Kolejną cechą charakterystyczną są cienkie, ale dobrze zbrojone ściany oraz wysokość sięgająca kilkudziesięciu metrów. Do tego typu obiektów zalicza się:

• chłodnie kominowe o specyficznej budowie (wysokość ponad 100 m, średnica u podstawy ponad 70 m);
• zbiorniki węgla surowego (tłok i cylinder);
• silosy wapna, cementu i inne.

Znaczna masa tych obiektów (do 10 tyś. Mg) powoduje, że oddziaływanie upadku na otoczenie podczas ich wyburzania za pomocą materiałów wybuchowych może być szkodliwe, a sposób budowy wyklucza naruszenie ich struktury bez odpowiedniej analizy.

Wyburzenie sposobem wybuchowym obiektów wielkośrednicowych, w których możliwe jest dokonanie podziału płaszczyznami pionowymi lub ukośnymi odbywa się poprzez ich klasyczne podcięcie, pod warunkiem, że płaszczyzna podziału nie naruszy struktury nośnej dachu. Stąd konieczna jest wizja lokalna i dokładna ocena układu belek stalowych lub nośnego systemu kratownicowego, tak by płaszczyzna cięcia nie była prostopadła do belek lub kratownicy.

Wyburzenia żelbetowych chłodni kominowych są procesem trudnym nie ze względu na możliwości techniczne, lecz z uwagi na oddziaływanie tych procesów na najbliższe otoczenie. Powierzchnia boczna chłodni kominowej ma kilka tysięcy m². Wygenerowanie powietrznej fali uderzeniowej o nadciśnieniu kilkuset Pa może doprowadzić do uszkodzenia sąsiednich chłodni. Podczas rozbiórki chłodni kominowej z zastosowaniem kilku tysięcy ładunków i kilkuset kg materiału wybuchowego (MW) rozłożonego na dużej powierzchni generuje się PFU o znacznej amplitudzie. Upadek może być synchronizowany i nie stanowi największego z zagrożeń. Większym problemem jest zastosowanie odpowiedniego i niezawodnego sposobu inicjacji kilku tysięcy ładunków. Dlatego podczas strzelań wyburzeniowych należy stosować podwojony lub potrojony system wybuchowego rozcinania żelbetowego płaszcza.

1.d. Rozbiórki i wyburzenia obiektów wielkoprzestrzennych

Obiekty zaliczone do tej grupy posiadają dużą kubaturę, wysokość zbliżoną do szerokości i długość nieraz ponad dwa razy większą od wysokości. Obiekty tego typu metodami strzałowymi można likwidować w dwojaki sposób:

• za pomocą strzelania kaskadowego, rozłożonego w czasie, ale obejmującego całą strukturę żelbetową obiektu.
• przez podział na części płaszczyznami pionowymi i obalanie poszczególnych części,

Wyburzenia obiektów za pomocą strzelań kaskadowych możliwe jest gdy wyburzany obiekt posiada dużą powierzchnię i wysokość, ale nie nadaje się do kierunkowego obalenia ze względu na niekorzystny stosunek wymiarów lub brak miejsca a dolna cześć budowli posiada słupową budowę żelbetową. Kubatura takich obiektów często sięga nieraz 100 tyś. m³, a masa kilkadziesiąt tysięcy Mg.

Strzelanie kaskadowe jest jednorazowym odstrzałem niszczącym strukturę nośną całego obiektu lub wydzielonej, znacznej jego części. Podczas tego typu rozbiórek zużywana jednorazowa masa materiału wybuchowego sięga kilkuset kg, całkowita ilość otworów strzałowych w całym cyklu likwidacyjnym dochodzi do 5÷10 tys. sztuk, ilość otworów strzałowych odpalanych podczas strzelania końcowego (obalającego) nierzadko przekracza 1000 szt.

Ideą tego rodzaju prac rozbiórkowych jest niszczenie wybuchowe wszelkich węzłów nośnych i podpór w sposób zorganizowany, rozłożony w długim czasie (nawet do 7,5 s), tak by gęstość energii przypadająca na jednostkę czasu była stosunkowo mała, a przekazywanie podłożu energii upadku wyburzanego obiektu było również rozłożone w czasie (kilka sekund). Oddziaływanie strzelania i upadku jest wówczas relatywnie małe. Metoda ta jest szybka, ale wymaga dużej wiedzy i umiejętności od kierownika robót strzałowych.

1.e. Rozbiórki i wyburzenia obiektów stalowych

Istnieje znaczna grupa obiektów nie tylko górniczych, których podstawową konstrukcją są stalowe słupy nośne i stalowe belki: kotłownie, zbiorniki kamienia, załadownie produktów handlowych, zakłady przeróbcze, wieże szybowe, zwałowarki i koparki, itp.

Rozbiórka obiektów stalowych dokonywana jest na kilka sposobów:

• demontaż konstrukcji za pomocą palników i dźwigów;
• obalanie strzelaniem z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych;
• obalanie poprzez równoczesne wyburzenie żelbetowych fundamentów, na których wspierają się stalowa konstrukcja nośna wyburzanego obiektu.

Podczas rozbiórki obiektów stalowych (koparki, zwałowarki) posiadających powiązany układ stalowych cięgien jedyną poprawną metodą wyburzenia jest stosowanie ładunków kumulacyjnych dla odcięcia wysięgników lub dla przecięcia cięgien utrzymujących w równowadze wysięgniki: naczynia urabiającego i przeciwwagi. Rozbiórki tego typu (z zastosowaniem kumulacyjnego cięcia stali) mają pewne mankamenty:

• trzeba starannie planować kierunki działania strumienia kumulacyjnego, gdyż duża prędkość stalowych cząstek stanowi zagrożenie rozrzutem;
• ładunek odpalany na powierzchni wytwarza silną falę uderzeniową i akustyczną;
• jakość i jednorodność polskich MW plastycznych jest niska, detonacja nie jest stabilna i ma małą prędkość, a skutki działania ładunku są zmienne;
• niedokładność zadziałania zapalników może spowodować zmianę położenia ładunków względem przecinanego przekroju.

W niektórych przypadkach jest to jednak jedyne bezpieczne dla ludzi rozwiązanie.

Metoda rozbiórki obiektów poprzez równoczesne rozstrzelenie fundamentów oraz konstrukcji stalowej jest najmniej pracochłonna i najbardziej bezpieczna. Podstawową jej zaletą jest uniknięcie zastosowania ładunków kumulacyjnych do przecinania stali (ładunków przykładanych), generujących znaczne wielkości nadciśnienia w PFU i (potencjalnie) znaczny i groźny rozrzut. Ponadto, w większości przypadków ładunki te są wykonywane indywidualnie, ze znacznym naddatkiem ilości MW. Prócz tego przy odpalaniu ładunków kumulacyjnych parametry strumienia nie zawsze są powtarzalne, bowiem zbyt wiele czynników wpływa na poprawność przebiegu detonacji w ładunku. Znane są przypadki kilkukrotnej próby obalenia tego samego obiektu z zastosowaniem ładunków kumulacyjnych, bowiem pierwsza próba była nieskuteczna, mimo że strzelanie naruszyło budowę likwidowanego obiektu, a do jego obalenia nie doszło. Proponowana metoda nie posiada tych wad, bowiem strzelania prowadzone są w żelbetowych fundamentach słupów stalowych z gwarancją całkowitego rozbicia fundamentów w pierwszym strzelaniu. Ponadto, do rozbicia fundamentów żelbetowych można stosować klasyczne górnicze materiały wybuchowe zamiast specjalnie preparowanych materiałów wybuchowych (plastików) lub ładunków kumulacyjnych.