Подземные сооружения – способы строительства!
Подземные сооружения возводят обычно тремя основными способами: открытым, опускным и «стеной в грунте». Выбор способа устройства зависит от глубины заложения и гидрогеологических условий. При открытом способе котлован отрывают со шпунтовым ограждением или естественными откосами. На дне котлована устраивают сооружение. Этим способом возводят сооружения с небольшим заглублением до 15 м и преимущественно в сухом грунте. В остальных случаях применяют способы: опускной или «стена в грунте».
Способ кессона используют при нежелательных осадках вблизи расположения сооружений или при существовании опасности наплыва грунтовых масс в колодец, в общем, его применяют в скальных, крупнообломочных и сильнообводненных грунтах. Кессонные работы выполняют в следующей последовательности. Сначала сооружается кессонная камера, на потолке которой монтируется шахтная труба и шлюзовой аппарат. Сжатый воздух, нагнетенный в камеру от компрессной станции, вытесняет воду из камеры. Разработку грунта в кессоне ведут вручную или гидромеханическим способом. По мере погружения на потолке сооружают надкессонное строение.
Сооружения диаметром больше 20 м возводят с применением одноковшовых экскаваторов, разрабатывающих грунт внутри колодца и грузящих его в 1,5…2-кубометровые бадьи. На поверхность бадьи поднимают с помощью башенных или козловых кранов и разгружают в автотранспорт или в отвал. При учете того, что экскаватор имеет значительную массу, его в котловане опускают в разобранном виде. Работая во влажных грунтах, для экскаваторной стоянки в котловане сооружают деревянный настил или строят деревянные островки. Чтобы осадка сооружения была равномерной, разработку грунта по периметру ножевой части производят вручную, затем экскаватором грунт грузят в бадьи и краном поднимают на поверхность.
Если приток грунтовых вод незначительный и отсутствуют вблизи сооружения, чувствительные к осадкам, то грунт разрабатывают с водоотливом. При интенсивном поступлении в котлован воды через днище разработку грунта осуществляют гидромеханическим способом, применяя эжекторы и реже – эрлифты с дополнительным подмывом.
Когда сооружение погружают в грунт, следят за его массой, которая должна превышать силы бокового трения не меньше чем на 25%. Удельная сила трения в ориентировочных расчетах в зависимости от типа грунта равняется 10…30 кН на 1 кв. м. Такие внушительные силы, затрудняющие опускание, а в некоторых случаях делающие его невозможным, преодолевают различными способами. Например, нижние части колодцев утяжеляют или используют массу наземного сооружения, предусмотренного проектом, над колодцем; также применяют вибрацию, подмыв или устраняют шероховатости наружной колодезной поверхности, покрывая ее специфическими составами. Силы трения между опускным колодцем и грунтом уменьшают еще с помощью тиксотропной рубашки. В этом случае у колодца нижнюю часть изготовляют шире толщины стены на 5…10 см и в сформировавшуюся полость между наружной поверхностью подземного сооружения и грунтом нагнетают коллоидный раствор. Он образует рубашку, которая снимает силы трения по колодезной боковой поверхности. Остаются силы трения только в пределах ножевой поверхности, составляющая примерно 10…13% всей поверхности колодца.
Метод погружения опускного колодца в тиксотропной рубашке лучше, чем традиционный метод сооружения опускного колодца, т. к. он позволяет снизить стоимость работ на 16…20%, затраты труда на 36%. Во время опускания колодца организовывают постоянное наблюдение за скоростью и вертикальностью колодца. Если он завис в верхней части, то грунт в отстающей стороне ножа выбирают или размывают водой. Ее подают по трубам, которые установлены со стены (с ее внешней стороны). Иногда чтобы увеличить массу колодца, его зависшую сторону утяжеляют с помощью пригрузов из железобетонных блоков. В крайних случаях зависший колодец опускают путем создания искусственных динамических колебаний почвы направленным взрывом взрывчатого вещества в стороне от сооружения.
В России применяют два вида стен, возводимых методом «стена в грунте»: 1) траншейные – сплошная стена из монолитного бетона или железобетонных сборных панелей; 2) свайные – сплошной ряд буронабивных винтовых свай с Иваново, установленных вертикально.
В зависимости от свойств и влажности грунта используют два способа возведения стен методом «стена в грунте» – сухой и мокрый. Сухим способом строят стены в устойчивых маловлажных грунтах, при этом глинистый раствор не требуется. Стены подземного сооружения в неустойчивых водонасыщенных грунтах возводят мокрым способом. Чтобы неустойчивый грунт не обрушался в процессе его разработки и при укладке смеси из бетона, стенки траншей обычно закрепляют. Заполняют траншею глинистым раствором, защищающий грунт от обрушения. Благодаря этому такие работы, как водопонижение, забивка шпунта и замораживание не выполняются. При мокром способе качество и ведение работ зависят от технологической характеристики глинистого раствора, точнее, от его способности кольматировать, заключающаяся в отложении на поверхностях и в порах грунта принесенных частиц глины, создавая в ней водонепроницаемую пленку в толщину от 2 до 5 мм. Такими свойствами владеют бентонитовые глины Кавказских месторождений.
Железобетонные монолитные стены возводят с разбиванием их на захватки длиной от 4 до 6 м, отделяющихся друг от друга с помощью железобетонных свай или инвентарной перегородки. Затем грунт, находящийся под глинистым слоем, извлекают из этой траншейной захватки, после производят установку арматурных каркасов, и смесь из бетона укладывают методом ВПТ (вертикально перемещающейся трубы). При бетонировании следует соблюдать очередность: вначале бетонирую четные, а после нечетные траншейные захватки, стыкующиеся между собой. Свайные стены строят путем последовательного бурения и бетонирования свай, выполняя работы насухо в устойчивых маловлажных грунтах или применяя глинистый раствор в неустойчивых водонасыщенных грунтах.
Траншеи, защищенные глинистым раствором, разрабатывают землеройными машинами общего назначения (грейферами, драглайнами и обратными лопатами), буровыми станками ударного и вращательного бурения, специальными ковшовыми и фрезерными установками. Трудоемкость работ, связанных с устройством ограждающих конструкций подземного сооружения методом «стена в грунте», снижают с помощью сборных железобетонных панелей. Устанавливают панели в открытую траншею, между собой их соединяют, пазухи (пространства за стеной) и полости под панельной подошвой по направлению снизу вверх заполняют, используя метод ВПТ с тампонажными растворами, которые имеют хорошую подвижность.
Устройство подземных сооружений способом «стена в грунте» относится к скрытым работам. Качество работ устанавливают после того, как извлекут грунт из котлована. Поэтому здесь для качества необходимо контролировать и уделять большое внимание каждому рабочему процессу. В проекте сооружения по контролю качества включают следующие требования: 1) проверка характеристик траншеи, глинистого раствора и зачистки дна до установки армированных каркасов, сборных панелей и укладки бетонной смеси; 2) правильность установки ограничителей между траншейными захватками, удерживающих бетонную смесь от проникновения в смежную захватку.
Способы строительства подземных сооружений
Разновидности подземных сооружений
Наиболее распространенными видами подземных сооружений являются: подземные гаражи, сооружения промышленно-технологического назначения (емкости водопроводных и канализационных сетей, заглубленные части дробильно-сортировочных цехов, металлургических производств и т.п.); убежища ГО, пешеходные тоннели, подпорные стены и т.д.
Специфической особенностью зданий с развитой подземной частью является тот факт, что при расчете осадки здания во внимание принимают только дополнительную нагрузку, т.е. вес сооружения за вычетом веса грунта в объеме подземной части здания. При равенстве веса здания и вынутого грунта осадки будут равны нулю, что особенно важно при строительстве вблизи существующих сооружений.
Другими особенностями подземных сооружений являются существенное сокращение теплопотерь через стены, возможность сохранения дневной поверхности грунта, повышение прибыли с единицы площади городской территории, защищенность помещений от внешних воздействий.
Проектирование подземного сооружения состоит из нескольких этапов:
– разработка объемно-планировочного решения в соответствии с назначением сооружения;
– выбор наиболее экономичного способа строительства с учетом глубины заложения подошвы сооружения, грунтовых и гидрогеологических условий;
– решение вопросов водозащиты и гидроизоляции;
– расчет внешних нагрузок от грунта и внутренних нагрузок;
– расчет и определение параметров конструкций (внутренних и ограждающих);
– выбор способов крепления стен котлованов (при котлованном способе) и расчет параметров.
Все способы строительства можно разделить на две группы: способы строительства с поверхности и подземные.
Способы строительства с поверхности включают котлованный, опускного колодца и «стена в грунте».
При котлованном способе отрывается котлован, в котором обычными способами возводится подземное сооружение. После завершения строительства котлован засыпается грунтом. Этот способ обеспечивает возможность устройства наружной гидроизоляции и более благоприятные условия укладки бетона.
Недостатком данного способа является необходимость резервирования значительных площадей вокруг котлована для устройства стен с устойчивыми углами откосов, поэтому применение такого способа ограничивает глубину до 5–7 м.
Отличие способа «стена в грунте» состоит в том, что ограждающие стены подземного сооружения создаются в узкой выработке по контуру сооружения, и уже под защитой возведенных стен удаляется грунт из внутреннего объема сооружения. В водонасыщенных грунтах стены обычно заглубляют до водоупорного слоя, что обеспечит отсутствие водопритока в процессе разработки грунта. Если водоупора на досягаемой глубине нет, то возможно ведение подводной разработки грунта.
Устойчивость стен выработки обычно обеспечивается тем, что при отрывке траншеи она заполняется тиксотропным глинистым раствором, земляные работы и последующее бетонирование (или установка сборных элементов) ведутся под раствором. Устойчивость уже возведенных стен в процессе выемки грунта из внутреннего пространства обеспечивается временными распорками, а при больших размерах в плане – грунтовыми анкерами.
Из вариантов «стен в грунте» наибольшее распространение получили:
а) устройство стены в виде секущихся буронабивных свай;
б) отрывка траншеи шириной до 1–1,5 м захватками длиной по 3–6 м и устройство стены из монолитного железобетона бетонированием методом вертикальной перемещающейся трубы (ВПТ);
в) отрывка траншеи и устройство стены из погружаемых в нее сборных панелей заводского изготовления.
Самой «щадящей» по отношению к близрасположенным сооружениям является первая технология, т.к. она обеспечивает устойчивость грунта. Выполняется она следующим образом (рисунок 4.1).
Под глинистым раствором (а в плывунах под защитой обсадной трубы) проходятся и бетонируются методом ВПТ скважины 1 и 2. Через 2–3 суток после схватывания бетона проходится скважина 3, в нее погружается арматурный каркас и производится бетонирование. Далее в порядке номеров проходятся остальные скважины, при этом все нечетные армируются.
Вариант «б» при использовании специальных разделителей между захватками позволяет создавать стены, способные воспринимать изгибающий момент не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. К сожалению, в этом варианте в наибольшей степени сказываются недостатки бетонирования под глинистым раствором, и изнутри таких стен приходится обычно устраивать гидроизоляцию и второй железобетонный слой, воспринимающий давление воды. Схема выполнения монолитной стены показана на рисунке 4.2.
 |
| Рисунок 4.1 – Схема устройства «стены в грунте» из секущихся свай: 1–7 – последовательность проходки и бетонирования свай |
| Рисунок 4.2 – Схема устройства монолитной стены в грунте: а – отрывка захватки грейфером; б – погружение арматурного каркаса; в – бетонирование методом ВПТ |
Достоинством варианта «в» является использование готовых плит, на поверхность которых при заводском изготовлении может быть нанесен гидроизоляционный слой, что обеспечит их полную водонепроницаемость. Вертикальные кромки плит снабжены специальными захватами-направляющими, обеспечивающими стыковку плит при погружении по всей длине. Полости стыков заполняются водонепроницаемым тампонирующим раствором сразу после установки плит, но при протечках могут быть дополнительно уплотнены тем или иным способом (инъекция непроницаемого материала, заваривание металлическими накладками) после удаления грунта изнутри сооружения. Сборная стена в грунте имеет качественную внутреннюю поверхность, что, наряду с водонепроницаемостью, делает этот вариант весьма ценным.
Общим ограничением применения вариантов «б» и «в» является наличие в грунте твердых включений валунов. Имели место случаи неудач и даже поломки дорогостоящих механизмов при попытках откопки траншей через слой валунной морены. Опыта устройства стен по вариантам «б» и «в» в плывунных грунтах еще недостаточно. Есть основания опасаться, что, несмотря на заполненность траншеи глинистым раствором, в момент черпания грунта грейфером и отрыва его от массива возникающий в зоне отрыва вакуум будет вызывать наплыв грунта в траншею и оседание прилегающей к траншее поверхности грунта.
При строительстве подземных сооружений в особо сложных грунтовых условиях применяют методы временного или постоянного закрепления грунтов. В качестве временного закрепления любых грунтов применяется рассольное (холодным раствором хлористого кальция) или криогенное (жидким азотом) замораживание. Для постоянного закрепления галечников и трещиноватых скальных грунтов применяется цементация методом инъецирования, крупные и средние пески и лессовидные грунты могут быть закреплены методом силикатизации. Песчаные и пылевато-глинистые грунты могут быть закреплены цементацией с помощью струйной технологии.