КЕССОННЫЕ РАБОТЫ (проф. вредности и проф. заболевания). Гигиена труда в кессоне. Кессоны представляют устройство, состоящее из рабочей камеры, идущей от нее вверх шахтной трубы, оканчивающейся наверху аппаратной камерой, и шлюза, соединенного с аппаратной камерой. Рабочая камера представляет собой ту часть кессона, в к-рой производятся собственно кессонные работы, т. е. выкапывание и выемка грунта. Обычно она делается из железобетона, но может быть железной и даже деревянной. Шахтная труба предназначена для спуска в камеру людей и материалов и для поднятия из нее выкопанного грунта. Она состоит из отдельных звеньев, наращиваемых одно на другое по мере опускания кессона, и имеет строго вертикальную лестницу для людей. Аппаратная камера заключает в себе несложные механизмы, служащие для подъема из рабочей камеры грунта и спуска в нее материалов и обслуживаемые обычно двумя рабочими внутри ее. Шлюз имеет специальное назначение как медицинского, так и производственного характера, представляя камеру (или камеры), в к-рой может быть создано любое давление воздуха, промежуточное между наружным давлением и давлением в кессоне, без изменения давления в самом кессоне. Создание таких промежуточных давлений необходимо в целях предохране – тшя людей от опасности повреждений и заболеваний, связанных с изменением давления, а также в целях сохранения необходимого давления в рабочей камере в моменты выхода людей наружу или выдачи грунта и подачи материалов. В рабочей камере обычно работает от 6 до 14 человек. Когда кессон дошел до грунта необходимой устойчивости, дальнейшие работы по выемке земли заканчиваются, рабочая камера заполняется бетоном, как и первое звено шахтной трубы; вся же остальная часть кессона снимается, и образовавшееся т. о. незаполненное пространство в каменной кладке заполняется также бетоном, после чего устой готов. Назначение К. р. заключается в том, что при недостаточной для данного сооружения прочности грунта (когда под ним находится водоносный слой) или при необходимости производства работ на дне рек и т. п. под возводимое сооружение (мост, здание и т. п.) подводятся устои и опоры, доводимые до прочного грунта, вследствие чего приходится проходить через воду. Для этой цели в соответствующем слое вода оттесняется воздухом, нагнетаемым под давлением в специальное устройство, называемое кессоном. Величина давления воздуха соответствует глубине нахождения кессона; при этом исходят из расчета, что на каждые 10 м глубины опускания кессона давление подаваемого в него воздуха должно повышаться на 1 атмосферу. Воздух в кессон нагнетается компрессорами из компрессорной станции по воздухопроводам. Т. к. при сжатии воздух сильно нагревается, то, если не принимаются специальные меры для охлаждения, он попадает в кессон значительно нагретым, вследствие чего в таких случаях t° в кессоне оказывается чрезмерно высокой. Это происходит также и в том случае, когда воздухопроводная сеть не изолирована и подвергается нагреванию солнцем. В зимнее время неизолирование воздухопроводной сети ведет к обратным результатам: воздух в кессон может приходить охлажденным, и t° в кессоне может оказаться чрезмерно низкой. Т. к. воздух для компрессоров может забираться в неудачном (в смысле его запыленности) месте и так как при прохождении его через компрессоры, смазываемые маслами, он может загрязняться последними, то иногда воздух в кессоне может оказаться и сильно загрязненным. Влажность в кессоне всегда по неизбежности очень высока, превышает 90% и нередко доходит до полного насыщения. Особенно высока она в шлюзах в период вышлюзовывания, т. к. в связи с понижением давления, все время происходящим в шлюзе, наступает образование тумана в нем и конденсация паров в воду. То же явление имеет место и в рабочей камере в периоды посадки кессона, осуществляемой понижением давления в нем. Вентиляция в кессоне зависит от количества подаваемого в него воздуха, а также от качества грунта; при грунтах, легко проницаемых для воздуха (песчаные), вентиляция кессона и в частности рабочей камеры осуществляется удовлетворительно; в случае же грунта, плохо проницаемого для воздуха (глини – стый, илистый), вентилирование кессона может значительно страдать, если оно не обеспечивается специальными мерами. Для обеспечения необходимой чистоты воздуха (освобождение его от примесей масел, конденсата и пыли) в воздухопроводную сеть включаются резервуары, к-рые в случае надобности могут’ быть снабжены и фильтрами. Дейс

Кессон представляет собой открытую снизу железобетонную или стальную конструкцию (рис. 1,а), состоящую из потолка и боковых стен. Толщина стен кессона книзу уменьшается, и они заканчиваются консолью со стальным ножом. Полость в нижней части кессона называют рабочей камерой. В ней производят разработку грунта, по мере которой кессон опускается под действием собственного веса, а также веса надкессонной кладки, возводимой из бетона над потолком в процессе погружения кессона в грунт. Подачей в рабочую камеру сжатого воздуха обеспечивают отжатие из нее воды, что позволяет вести разработку грунта насухо.

Рисунок 1. Кессон: а - погружение кессона; б - кессонный фундамент; 1 - консоль; 2 - надкессонная кладка; 3 - трубы для сжатого воздуха; 4 - компрессорная станция; 5 - центральная шлюзовая камера; 6

Прикамерки; 7 - шахтные трубы; 8 - потолок кессона; 9 - нож; 10 - рабочая камера кессона; 11 - кладка надфундаментной части опоры; 12-бетон заполнения шахты; 13 - бетон заполнения рабочей камеры; 14 - прочный грунт; 15 - слабый грунт.

Сжатый воздух вырабатывается компрессорной станцией и подается по трубам, как в рабочую камеру кессона, так и в шлюзовой аппарат. Последний состоит из центральной шлюзовой камеры и двух прикамерков - один для рабочих, второй для материалов. Шлюзовой аппарат устанавливают на две шахтные трубы, которые собирают из отдельных металлических звеньев и используют для подъема и спуска рабочих, а также вертикального транспорта материалов и грунта. Спуск рабочих в камеру кессона производят в следующем порядке. Из пассажирского прикамерка выпускают сжатый воздух, что позволяет открыть вовнутрь наружную дверь прикамерка, в которую входят рабочие. Дверь закрывают и в прикамерок из центральной шлюзовой камеры подают сжатый воздух. Когда давление воздуха в прикамерке станет равным давлению воздуха в центральной шлюзовой камере, открывают дверь между ними и рабочие переходят в эту камеру, а потом по металлической лестнице, установленной в шахтной трубе, спускаются в камеру кессона. Подъем рабочих в центральную шлюзовую камеру и выход их наружу осуществляют в обратном порядке.

Изменение давления от нормального к повышенному (процесс шлюзования) и от повышенного к нормальному (процесс вышлюзовывания) в пассажирском прикамерке необходимо производить так, чтобы рабочие могли постепенно приспособиться к новым условиям. Время, потребное для шлюзования и вышлюзовывания, тем больше, чем выше давление воздуха в кессоне.

Для возможности отжатия воды из рабочей камеры кессона избыточное (сверх нормального) давление воздуха в ней должно несколько превышать гидростатическое давление на уровне низа ножа кессона. Наибольшее избыточное давление, при котором

разрешается работать людям в кессоне, равно 400 кПа. Это определяет максимальную глубину погружения кессона от уровня воды в 40 м.

После достижения проектной глубины заложения фундамента камеру кессона заполняют бетонной смесью (рис. 1,б). Затем демонтируют шлюзовой аппарат и шахтные трубы; вертикальную шахту заполняют бетонной смесью. В результате получается массивный фундамент глубокого заложения, на котором возводят кладку надфундаментной части опоры.

Кессоны изготовляют на месте опускания (на естественной поверхности или поверхности искусственного островка) либо в стороне от него. В первом случае кессоны шириной b, не превышающей 15 м, выполняют массивной конструкцией (рис. 2,а); при большей ширине боковые стены (консоли) делают массивными, а потолок - пустотелым, состоящим из балок (ребер), расположенных в одном (поперечном) направлении (рис. 2,б) или в двух взаимно перпендикулярных направлениях (рис. 2,в), и плит. Толщину плит и балок обычно принимают от 50 до 100 см. К устройству пустот прибегают с целью уменьшения веса кессона в период его изготовления и снятия с подкладок. При изготовлении кессона в стороне доставку его к месту погружения осуществляют наплаву. Для придания кессону плавучести максимально облегчают конструкцию. С этой целью пустотелыми делают не только потолок кессона, но и его консоли (рис. 2,г), толщину балок (ребер) принимают от 20 до 40 см, а плит - около 15 см.

По санитарным нормам высота рабочей камеры кессона должна быть не менее 2,2 м. Консоли, имеющие в месте примыкания к потолку сечение толщиной 1,0-1,8 м, книзу заостряют путем придания их внутренним поверхностям наклонов; наклон нижнего участка на высоту около 50 см принимают равным 1:1. Консоль заканчивают банкеткой шириной около 25 см, которую усиливают ножом из листовой или профильной стали. Армируют кессоны в соответствии с расчетом на усилия, возникающие в поперечных сечениях их элементов при возведении фундаментов.

Рисунок 2. Типы кессонов: а - массивной конструкции; б, в - с пустотелым потолком; г - с пустотелыми потолком и консолями.

Преимущество кессонов по сравнению с другими типами фундаментов заключается в том, что они позволяют возводить фундамент глубокого заложения в любых гидрогеологических условиях. В рабочей камере кессона возможно освидетельствование и даже испытание грунта основания, что весьма ценно.

Кессоны имеют и существенные недостатки, к которым в первую очередь следует отнести вредное воздействие избыточного давления на организм рабочих, большой объем бетонной кладки в массивной конструкции фундамента и высокую стоимость кессонных

работ. Если под избыточным давлением до 175 кПа разрешается находиться не свыше 7 ч в сутки, то под давлением в 350-400 кПа максимальное время пребывания составляет только 2 ч, из которых 1 ч затрачивается на процессы шлюзования и вышлюзовывания и только 1 ч используется на полезную работу. В связи с этим стоимость кессонных работ резко возрастает с увеличением глубины погружения кессона в грунт.

Ограждающая конструкция для образования под водой или в водонасыщенном грунте рабочей камеры, свободной от воды, обычно вытесняемой сжатым воздухом. Кессоны сооружаются на поверхности и погружаются в грунт под действием собственного веса и веса надкессонного строения по мере разработки грунта. Кессон может опускаться с суши, с искусственно отсыпанных или намытых островков или с поверхности воды (наплавные кессоны).

Основная рабочая операция при опускании кессона - разработка и выдача на поверхность грунта. Скальные грунты и твердые глины разрабатываются взрывным способом или пневматич. инструментами. При проходке песчаных и поддающихся размыву глинистых грунтов работы ведутся гидромеханизационными установками: грунты размываются гидромониторами и удаляются из кессонов гидроэлеваторами. Гидромеханизация кессонных работ резко сокращает количество работающих в кессоне, уменьшает вредность произ-ва и расход сжатого воздуха, ускоряет и удешевляет стр-во.

В процессе выполнения кессонных работ компрессорная станция непрерывно подает в кессон сжатый воздух, поддерживая в нем необходимое воздушное давление. При ручной разработке грунтов, когда требуется полное их осушение, давление воздуха в камере поддерживается на 0,1-0,3 ат выше тидростатич. давления на отметке забоя. При применении гидромеханизации для улучшения условий размыва грунтов работы ведутся с пониженным воздушным давлением.

В зависимости от величины воздушного давления в камере, согласно правилам безопасности, должны проводиться мероприятия, предупреждающие возможность заболевания рабочих кессонной болезнью, регламентируются продолжительность рабочего дня, время вышлюзовывания и т. д. Допустимый предел воздушного давления установлен 3,9 ат. Этим определена максимальная глубина опускания - ок. 40 м.

В современном строительстве применяются железобетонные кессоны. Боковые стенки их (консоли) внизу заканчиваются ножом, врезающимся в грунт в процессе опускания. В верхнем перекрытии (потолке) кессона имеются шахтные отверстия, над которыми монтируются шахтные трубы и шлюзовой аппарат. Последний обеспечивает возможность транспорта людей и материалов из зоны сжатого воздуха в зону атмосферного давления и обратно. В потолке кессона предусматриваются также отверстия для воздуховодов, водоводов, электропроводов и др. После достижения ножом проектной отметки рабочие камеры заполняются полностью или частично бетоном, песком; иногда их оставляют незаполненными.

Кессоны раньше широко использовались для устройства фундаментов мостовых опор. В современном мостостроении кессоны заменены новыми видами глубоких опор и свайными фундаментами. Вместе с тем в последние два десятилетия кессоны наряду с опускными колодцами все шире используются в пром. стр-ве для погружения в грунт «опускных сооружений» - относительно небольших в плане, но сильно заглубленных подземных сооружений, основные части к-рых предварительно возводятся на поверхности. Этот способ применяется при стр-ве насосных станций, водозаборов, при устройстве глубоких приямков в пром. предприятиях и т. д. Кессонный способ может быть использован в любых грунтовых и гидрогеологич. условиях и более надежен для погружения фундамента или опускного сооружения до проектной отметки, чем способ опускных колодцев. Вместе с тем, кессонный способ имеет существенные недостатки, обусловленные ведением работ под сжатым воздухом: вредность произ-ва, сравнительно высокая стоимость, ограниченная глубина погружения.

Для подводных работ, не связанных с необходимостью заглубления в грунт (ремонтные и восстановительные работы в гидротехнич. стр-ве, подготовка скального основания, выходящего на поверхность дна акватории, и т. п.), иногда применяются съемные кессоны, представляющие собой конструкцию в виде бездонного ящика (воздушного колокола), погружаемого в воду наплаву или с подмостей.

Лит.: Озеров Н.В., Кессонные фундаменты, М., 1940; Зингоренко Г. И. и Силин Н. А., Гидромеханизация кессонных работ, М., 1949; Хализев Е. П., Выбор оптимального режима работы гидромеханизационных установок в кессонах, М., 1957; Правила безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (Кессонные работы), 2 изд., М., 1960.

Кессонные работы применяются при сооружении опор мостов, фундаментов гидротехнических сооружений, при проходке стволов шахт, туннелей, в портовом и доковом строительстве. Они выполняются под водой или под землей в сильно насыщенных водой грунтах.

Сущность кессонного способа ведения работ заключается в вытеснении воды из замкнутого пространства путем нагнетания в это пространство сжатого воздуха. Избыточное давление воздуха должно уравновешивать гидростатическое давление, которое возрастает по мере углубления в грунт. На каждые 10 м погружения давление возрастает на 1000 гПа. Так, например, на глубине 40 м, (предельной глубине, допустимой правилами безопасности для кессонных работ) давление воздуха составляет 5000 гПа. При этом, исходя из процентного содержания кислорода в воздухе (21%), его парциальное давление на этой глубине будет не 210 гПа, как на поверхности, а 1050 гПа. Объем же легких соответственно в 5 раз уменьшится и силы дыхательной мускулатуры оказывается недостаточно, чтобы произвести вдох. В связи с этим работа на глубине требует поддержания повышенного давления с помощью специального снаряжения или оборудования, в частности кессонов.

На рис. 6 представлен разрез кессона. В нем различают рабочую камеру, выполненную из массивного железа или железобетона; шахту для подъема и спуска людей, материалов или оборудования; шлюзовую (центральную) камеру. С двух сторон к шлюзовой камере примыкают прикамерки шлюза, сообщающиеся с наружной атмосферной и центральной камерой тяжелыми пневматически закрывающимися дверьми.

Рис. 6. Схематическое изображение кессона в разрезе.

1 - рабочая камера; 2 - кессонная камера; 3 - надкессонная кладка; 4 - шахта; 5 - шлюзовой аппарат; 6 - пассажирский прикамерок шлюзового аппарата; 7 - ответвление воздуховода; 8 - лебедка; 9 - надкессонный кран; 10 - бадья для выдачи грунта из кессонной камеры; 11 - подающий воздуховод; 12 - место отвала грунта.

Заданное избыточное давление поддерживается с помощью компрессора, управляемого специально обученным лицом (сигнальщиком). Рабочие входят в кессон и выходят из него через людской прикамерок (шлюз). При входе в шлюз давление медленно повышается и при выравнивании его с давлением внутри центральной камеры возможен вход в кессон. При выходе давление в людском шлюзе также медленно снижается до выравнивания с наружным.

В зависимости от назначения кессоны могут быть вертикальные и горизонтальные. Последние находят применение в туннелестроении. Существенное отличие с гигиенической точки зрения заключается в том, что в опускном вертикальном кессоне давление воздуха по мере углубления непрерывно увеличивается, в горизонтальных кессонах оно, как правило, стабильное.

Условия труда в кессонах. Определяющим фактором на кессонных работах является повышенное атмосферное давление, в действии которого на работающих различают 3 периода: период увеличивающегося давления от нормального к повышенному (компрессии), затем период максимально повышенного давления, которое поддерживается определенное время на стабильном уровне и, наконец, стадия постепенно снижающегося от максимального до нормального давления (декомпрессия). Кроме повышенного атмосферного давления, условия труда в кессонах характеризуются своеобразием метеорологических условий и загрязнением воздушной среды. Воздух и в кессонах всегда обладает высокой относительной влажностью, что связано с работой в водообильных грунтах, а также насыщением его водяными парами в результате сжатия.

Температура, воздуха в кессоне зависит от времени года, глубины работ и возможности подогрева сжатого воздуха, она может быть пониженной или повышенной, что в сочетаний с высокой влажностью как в том, так и в другом случае неблагоприятно сказывается на состоянии теплообмена кессонных рабочих. Сжатый влажный воздух, как среда более плотная, обладает повышенной теплоёмкостью и теплопроводностью, что при низких температурах приводит к быстрому переохлаждению организма; при повышенных температурах имеет место затруднение теплоотдачи путем испарения, что в сочетании с тяжелой физической работой может приводить к перегревам организма.

Воздушная среда в кессонах может быть загрязнена аэрозолями смазочных масел, используемых в компрессорах; при прохождении илистых слоёв породы в воздух возможно попадание метана и углекислоты; при выполнении технологических операций, таких, как сварка, взрывные работы, в воздух рабочей зоны могут поступать оксиды азота, оксид углерода и другие вредные газы и пыль.

Используемые для выемки грунта ручные механизированные инструменты являются источниками интенсивного шума и локальной вибрации. Щитовая проходка также сопровождается шумом.

При сооружении кессонной камеры и надкессонной кладки к выполнению бетонных, арматурных, опалубочных и гидроизоляционных работ предъявляются те же требования, что и при сооружении опускных колодцев (§ 1, п. , ). Технология производства этих работ аналогична технологии работ по сооружению опускных колодцев. При устройстве кессонов используются сборные железобетонные элементы.

Организация работ по опусканию кессонов в основном зависит от условий местности, наличия средств механизации, глубины опускания, площади кессона. В практике чаще встречаются кессоны площадью 200—300 м 2 с глубиной опускания 20—30 м, погружаемые с поверхности земли или на местности, покрытой водой при сравнительно небольшой глубине. Последовательность рабочих операций по опусканию кессона представлена на рис. VII-26.

Рис. VII-26.

а — сооружение кессонной камеры; б — монтаж шлюзового аппарата и шахтных труб; в — опускание кессона на некоторую глубину и бетонирование надкессонного строения; г — перемонтаж шлюзового аппарата; д — продолжение опускания и бетонирование надкессонного строения; е — демонтаж шлюзового аппарата и шахтных труб и бетонирование колодца под шахтные трубы

Сначала кессон погружается без подачи сжатого воздуха в камеру, но, как только появилась грунтовая вода, кессон переводится на режим воздушного давления. Воздух отжимает воду из кессонной камеры, благодаря чему можно разрабатывать грунт в ней.

Воздушное давление в камере кессона должно удовлетворять условию

где Р в — избыточное воздушное давление, Па; 10 — гидростатический напор на уровне банкетки ножа, м; γ — плотность воды, т/м 3 .

При гидромеханической разработке грунта воздушное давление может быть снижено (режим пониженного давления):

,

где δ p — допускаемая разность давления гидростатического, и избыточного воздушного, выраженного в Па и зависящего от физических свойств грунта, в котором происходит опускание кессона.

Расход воздуха в кессоне может быть определен расчетом исходя из потребности воздуха на шлюзование, утечку его под нож кессона (при режиме пониженного давления эта утечка невозможна), утечку через неплотности в швах шлюза, шахтных труб, потолка и консолей кессонной камеры.

Для железобетонных кессонов расход воздуха на пополнение его утечек определяется следующим расчетом:

1) для кессонов с надкессонным строением из сплошной кладки и при разработке грунта насухо

2) для кессонов с надкессонным строением из отдельных стен (опускное сооружение) при разработке грунта насухо

3) для кессонов с надкессонным строением из сплошной кладки при разработке грунта гидромеханическим способом

;

4) для кессонов с надкессонным строением из отдельных стен при разработке грунта гидромеханическим способом

где Q — расход воздуха в приведенных условиях (при Р в = 0), м 3 /ч;

ω — площадь потолка кессона, ограниченная внутренними гранями консолей, м 2 ;

n — число шлюзовых аппаратов в кессоне;

P в — избыточное воздушное давление в кессоне, Па;

u — наружный периметр кессонной камеры по ножу, м;

с — коэффициент утечки воздуха через консоли и под нож, приведенный ниже.

Расход воздуха на вентиляцию рабочих помещений кессона определяется по формуле

Q = 25 A (Р в + 1),

где A — число людей, одновременно работающих в кессоне.