Проектирование ограждений котлованов
Проектирование ограждения котлованов — это инженерный процесс разработки конструкций и технических решений, предназначенных для обеспечения устойчивости и безопасности стенок котлована при строительных работах. Цель проектирования заключается в предотвращении обрушения грунта, защите строительной площадки от подземных вод и минимизации воздействия на соседние сооружения и окружающую среду.
Ограждения котлованов проектируются с учётом глубины котлована, особенностей грунта, уровня грунтовых вод и близости существующих зданий или коммуникаций.
Строительство глубоких котлованов всегда представляло собой одну из самых сложных задач в области подземного строительства. Для успешного осуществления строительства подземной инфраструктуры необходимо внедрять новые технологии, способные эффективно функционировать в условиях плотной городской застройки. Работы по возведению многоуровневых подземных автостоянок, инженерных коммуникаций, транспортных тоннелей, пешеходных переходов и других сооружений начинаются с создания ограждающей конструкции котлована.
Строительство подземных сооружений открытым способом может осуществляться как в котлованах без дополнительного крепления, где борта формируются под естественным углом откоса грунта, так и в котлованах, где применяются ограждающие конструкции для укрепления бортов. Устройство котлованов в откосах является наиболее простым и, как правило, экономичным решением. Однако использование этого метода ограничивается различными факторами, особенно в условиях ограниченного пространства городской застройки.
Давайте рассмотрим основные типы ограждающих конструкций, применяемых для укрепления бортов котлованов:
- ограждение из труб,
- металлический шпунт (типа Ларсена),
- ограждение из буронабивных свай,
- стена-в-грунте,
- ограждение с помощью струйной цементации грунтов,
- ограждение с помощью анкеров,
- противофильтрационные завесы.
Ограждение из труб
Эта система ограждения котлована представляет собой наиболее экономичное решение и включает в себя установку металлических труб (обычно бывших в употреблении) диаметром 114-530 мм в пробуренные скважины. В процессе осуществления работ и разработки грунта в котловане между металлическими элементами устанавливается забирка из деревянных досок, предотвращающая осевший грунт.
Этот метод ограничивается применением для глубин котлована до 5 метров. Важно отметить, что ограждение из труб не обеспечивает полную водонепроницаемость. Поэтому в случае использования данной конструкции в грунтах с высоким уровнем влажности требуется применение систем водопонижения, что, в свою очередь, может привести к дополнительным осадкам в зданиях вокруг котлована.
Металлический шпунт (типа Ларсена)
Шпунтовые ограждения котлованов широко применяются в гидротехническом строительстве, особенно в условиях водонасыщенных грунтов. Замковое соединение шпунтинов обеспечивает эффективную защиту от проникновения воды внутрь котлована. Существует несколько распространенных форм металлических шпунтов с U-, Z-, H-образным поперечным сечением. Установка шпунта в грунт чаще всего производится с использованием метода вибропогружения.
Ограничения использования шпунта включают невозможность его использования в насыпных грунтах с наличием строительного мусора, а также в гравелистых и полускальных грунтах. Дополнительными факторами являются высокая стоимость и длительные сроки поставки высококачественных металлических шпунтов иностранного производства.
Обычно считается, что шпунт может быть переиспользован для крепления нескольких котлованов, но на практике извлечение шпунта из плотного грунта представляет собой сложную задачу. Эффективность извлечения ограничивается, и часто удается извлечь только 50% шпунта, иногда даже вовсе не удается, особенно в случае использования горизонтальной противофильтрационной завесы с использованием метода струйной цементации в дне котлована.
Ограждение из буронабивных свай
Для установки буронабивных свай в водонасыщенных грунтах применяется метод бурения под защитой обсадной трубы. Процесс включает в себя бурение с использованием обсадной трубы, за которой следует бетонирование скважины, осуществляемое через поднимаемую бетонолитную трубу. Завершающим этапом является опускание арматурного каркаса в еще несхватившийся бетон.
Для создания ограждений котлованов обычно используют буросекущиеся сваи с диаметром 600-1000 мм. Эти сваи обладают высокой прочностью и жесткостью, что позволяет использовать их для создания котлованов глубиной до 15-20 метров. Важно отметить, что использование буронабивных свай сопряжено с увеличением продолжительности и стоимости строительства, а также не всегда обеспечивает водонепроницаемость стен котлована из-за возможного расхождения свай на значительных глубинах.
Стена-в-грунте
Устройство ограждений котлованов по методу «стена в грунте» включает в себя формирование глубоких узких траншей с применением глинистого раствора для защиты, а затем проведение бетонирования с использованием вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Траншеи создаются отдельными захватками, их длина в плане обычно соответствует размерам навесного оборудования и составляет обычно 2-3 метра.
Технология «стена в грунте» считается наиболее надежной ограждающей конструкцией с высоким предельным изгибающим моментом, что позволяет применять ее для создания самых глубоких котлованов. Однако стоимость этой технологии является ее недостатком, делая ее самой дорогостоящей среди методов ограждения котлованов.
Также стоит отметить, что при использовании метода «стена в грунте» в техногенных пористых грунтах или трещиноватых известняках возможно проникновение бентонитового раствора. В таких случаях требуется предварительная цементация грунтов, что дополнительно увеличивает уже высокую стоимость данного метода.
Ограждение с помощью струйной цементации грунтов
Устройство ограждений котлованов при помощи струйной цементации грунтов предоставляет ряд значительных преимуществ:
- В случае устройства котлована в водонасыщенных грунтах, ограждение из грунтоцементных колонн выполняет дополнительную функцию противофильтрационной завесы, предотвращая поступление воды в котлован.
- Обладает высокой производительностью, достигающей до 150 погонных метров в смену.
- Оказывает минимальное воздействие на окружающую застройку, поскольку отсутствуют ударные и вибрационные воздействия.
- Позволяет создавать свайные ограждения котлована в ограниченных пространственных условиях, таких как на расстоянии 300 мм от стены здания, а также под консольными частями зданий при помощи компактных буровых установок.
- Возможно создание грунтоцементных свай диаметром от 600 до 3000 мм.
Для обеспечения противодействия изгибающим моментам, сваи армируются металлическими трубами диаметром 114-273 мм или двутаврами. В ограждающей конструкции могут быть использованы различные конфигурации, такие как один ряд касательных или отдельно стоящих свай, расположенных в шахматном порядке, два ряда для увеличения надежности, или в виде гравитационной стены.
Также возможно комбинированное создание ограждения котлована с использованием буронабивных и грунтоцементных свай. Буронабивные сваи принимают на себя боковую нагрузку от грунта, а грунтоцементные сваи выполняют роль противофильтрационной завесы между буронабивными сваями.
Для более глубоких и ответственных котлованов также возможно создание ограждения в два ряда, где первый ряд состоит из бурокасательных свай или труб, а второй ряд — из грунтоцементных колонн.
Ограждение котлована с помощью анкеров
В котлованах неглубокой глубины (до 3-5 метров) стабильность ограждения обеспечивается защемлением его ниже дна котлована. Однако, при строительстве котлованов с глубиной более 5 метров необходимо применять различные методы крепления, которые способны снизить моменты в ограждении и предотвратить его деформацию.
Для обеспечения устойчивости глубоких котлованов часто используют распорные системы из труб или крепление при помощи грунтовых анкеров. Опытные специалисты, работавшие с анкерным креплением в котлованах, знают, что проведение разработки грунта и монолитного строительства в котловане без распорных конструкций гораздо более эффективно и удобно. Это позволяет сократить общие сроки и стоимость работ.
Грунтовые анкеры обычно применяются для удержания борта котлована или для улучшения устойчивости откосов. Крепление ограждающей конструкции грунтовыми анкерами является наиболее оптимальным с точки зрения удобства разработки грунта и проведения монолитных работ.
Противофильтрационные завесы
Строительство котлованов в устойчивых грунтах часто проходит без трудностей, однако, когда грунтовый массив оказывается в обводненном состоянии, задача становится более сложной. В таких ситуациях часто применяется шпунтовое ограждение котлована, достигающее глубины слоя естественного водоупора, как правило, представленного твердыми или полутвердыми глинами.
Однако, возникают ситуации, когда естественный водоупор либо отсутствует, либо находится на значительной глубине, что делает его достижение с использованием ограждающих конструкций экономически нецелесообразным. Применение водопонижения, в свою очередь, может быть опасным из-за суффозионных процессов, негативно влияющих на фундаменты близлежащих зданий и сооружений.
Современные технологии, такие как струйная цементация грунтов, предоставляют эффективное решение этой проблемы, позволяя создать искусственный водонепроницаемый слой — горизонтальную противофильтрационную завесу (ПФЗ). Такие задачи часто встречаются при строительстве стартовых и приемных котлованов для прокладки коммуникаций методом микротоннелирования.
Ключевым требованием к противофильтрационным завесам является обеспечение водонепроницаемости. Поэтому в процессе проектирования необходимо корректно определить диаметр и шаг грунтоцементных колонн. Для обеспечения водонепроницаемости завесы рекомендуется рассчитывать с учетом гарантированного пересечения на заданной глубине.
При проектировании противофильтрационных завес для основания различных транспортных или гражданских сооружений (тоннели, станции метро, котлованы) также необходимо проводить расчет на всплытие.
