Класификация на скалния масив
Преди избор на метод за скален изкоп задължително е оценяване на скалния масив. Три основни системи намират приложение в практиката:
RQD – Rock Quality Designation
RQD е простото мерило за качеството на скалния масив, базирано на данните от сондажи. Изчислява се като сумата от дължините на парчетата керн над 10 см, разделена на общата дължина на сондажния интервал. RQD = 0–25% (много лошо), 25–50% (лошо), 50–75% (средно), 75–90% (добро), 90–100% (отлично). Прост, бърз, но дава само обща картина.
Q-система (Barton)
Q-системата на Barton, Lien и Lunde (1974) е по-детайлна система от 6 параметъра: RQD, брой пукнатинни системи (Jn), грапавост на пукнатините (Jr), степен на изветряване (Ja), наличие на вода (Jw) и коефициент за намаляване напрежението (SRF). Q = (RQD/Jn) × (Jr/Ja) × (Jw/SRF). Q варира от 0,001 (изключително лошо) до 1000 (изключително добро). Широко използвана при тунелиране и при скален изкоп.
GSI – Geological Strength Index
GSI (Hoek) е по-нов индекс, оценяващ скалния масив на базата на: структурата (блокова, ламинирана, хаотична) и повърхностните условия на пукнатините (много добри, добри, лоши, много лоши). GSI варира 0–100. Използва се за определяне на якостта на скалния масив по критерия на Hoek-Brown – основата на скалномеханичното проектиране при тунели и откоси.
Якост на скалата и скалния масив
Разграничаваме якостта на интактната скала (UCS – Unconfined Compressive Strength, измерена в лаборатория върху проба без пукнатини) от якостта на скалния масив (в реални условия – с пукнатини, изветряване). UCS типично варира от 5 MPa (много слаби скали – мергели) до 300+ MPa (много здрав гранит). Скалният масив е значително по-слаб от интактната скала.
Категоризацията по УCS е ключова за избора на метод: UCS <25 MPa – рипер, UCS 25–80 MPa – хидравличен чук, UCS >80 MPa – взривяване. Но и пукнатиноватостта влияе: много пукнатинен масив с UCS 100 MPa може да се разрохка с рипер.
Методи за скален изкоп
Директен изкоп (при меки скали)
При много меки скали (UCS <10–15 MPa) – мергели, слаб варовик, изветряли кристалинни скали – стандартният багер с твърд кофер или зъбат кофер може директно да изкопае скалата. Икономичен, без специализирано оборудване. Ограниченията: само при много меки скали.
Риперован изкоп
Риперованият изкоп с тежки булдозери (D9, D10, D11) е ефективен при UCS 15–60 MPa и при пукнатинена скала. Прекъсва се скалата на разохкани блокове, след което се товари с багери. По-евтин от взривяването при малки обеми и при пукнатинена скала. Вибрациите са по-малко от взривяването.
Хидравличен чук
При изкопи в урбанизирана среда или при малки обеми взривяването е неприемливо. Хидравличният чук на багер разбива скалата последователно. По-бавен от взривяването, но контролируем и без ограничения за близост до сгради. Ефективен при UCS до 80–100 MPa при правилен избор на чук и длето.
Взривяване
При по-твърда скала (UCS >60–80 MPa) и при по-голям обем взривяването е икономически изгодно. Предварително сондиране, заряждане с взривни вещества и контролирано взривяване разрушава скалата на управляеми блокове. Подробно – вижте статията за взривни работи. Изисква специализирани разрешителни и квалифицирани взривари.
Диамантено рязане
При прецизни изкопи в близост до съществуващи конструкции (рязане на стара армирана бетонна конструкция, прецизни канавки за тръбопроводи) диамантеното рязане е незаменимо. Диамантени верижни триони, диамантени дискови триони и диамантени коронки режат скалата и бетона с хирургична точност и минимални вибрации.
Геоложки изненади при скален изкоп
Скалните изкопи са особено уязвими на геоложки изненади. Честите проблеми включват: гнезда от меко изветряло ядро в здрава скала (приличащи на почви при сондиране, но непредсказуеми при изкоп), наличие на нагнетени подземни води в пукнатини (при пробиване на пукнатина – внезапно изтичане), рудни прожилки или минерализации с различна якост, и хетерогенно разпределение на якостта дори в привидно хомогенен масив.
Геотехническото проучване с достатъчен брой сондажи, специализирани тестове (перколационни тестове, лабораторни изпитвания на керна) и геоложко картиране на изложената скала при изкопа са задължителни мерки за управление на риска.
Скален изкоп в България
Скалните изкопи са ежедневна реалност в планинската инфраструктура. При строителството на магистрала „Хемус" (А2) през Стара Планина, магистрала „Струма" (А3) и при тунелите по националните пътища в планините – скалните изкопи съставляват значителна часть от строителните обеми. Геоложките условия варират от меки мергели в Дунавската равнина до много твърди гнайси и гранити в Родопите.
Управление на изкопаната скала
Изкопаната скала е ценен ресурс – не отпадък. Твърдата, чиста скала е отличен строителен материал: за насипи (при пътища и диги), за каменни облицовки, за рипрапи и брегоукрепвания, и за производство на трошен камък (при наличие на мобилна трошачка). Планирането на „баланса на земните маси" (cut and fill balance) е ключово при пътното строителство – минимизирането на транспорта на скала/почва намалява значително разходите.