Комплексный технологический процесс

Переработка грунта для возведения подземной части зданий

Общие положения

Производство строительно-монтажных работ, в том числе возведение подземной части зданий и сооружений, сопряжено с выполнением значительных объемов земляных работ. Их объем ежегодно увеличивается.

Земляные работы относятся к наиболее трудоемким и тяжелым строительным работам, выполняемым в сложных условиях, зависящих от природно-климатических факторов, характеристик грунта, имеющейся застройки и т.д. Поэтому одной из задач, стоящих перед проектировщиками, технологами, строителями, является разработка и реализация технологий, способствующих сокращению объемов земляных работ. Конкретно это выражается в совершенствовании конструкций земляных сооружений на основе оптимизации конструктивных решений подземных частей зданий и сооружений; рациональном использовании рельефа местности; применении свайных фундаментов; технологии "стена в грунте"; исключении перевалок грунта; бестраншейной прокладке коммуникаций; повышении строительных качеств грунта (трамбование, укрепление и т.п.). Этим целям служит и развитие средств механизации земляных работ на ближайший период: переход на гидравлическое управление, создание широкого ряда типоразмеров машин и их сменного рабочего оборудования, позволяющих в конкретных условиях обеспечить заданную геометрию земляного сооружения, автоматизация землеройно-транспортных машин в целом или их отдельных рабочих процессов, в том числе учета фактически выполненного объема работ и др.

Вместе с тем необходимо учитывать и факторы, которые ведут к увеличению объемов земляных работ; снятие растительного слоя проведение рекультивации земель, расширение строительства объектов, имеющих экологическое назначение. Сложность и трудоемкость производства земляных работ может возрастать в условиях реконструкции подземных частей зданий и сооружений.

Основными элементами комплексно-механизированного технологического процесса производства земляных работ являются:

конструкция земляного сооружения, его геометрические размеры, конфигурация, пространственная форма, назначение;

состав технологического процесса по созданию земляного сооружения, количество, последовательность и содержание операций, связанных с переработкой грунта;

комплект машин, способных реализовать сформированный технологический процесс, их технические, технологические и экономические параметры;

совокупность условий производства земляных работ, обусловливаемых реальным месторасположением строительного объекта;

фактор времени, связанный с заданной или возможной продолжительностью выполнения земляных работ на объекте.

Земляные сооружения

Грунт представляет собой естественную среду, в которой размещается подземная часть зданий и сооружений. Переработка грунта является одним из основных технологических процессов при их устройстве.

В ходе производства земляных работ создается земляное сооружение, которое является частью конструкции подземной части здания или подземного сооружения. Земляным сооружением называется инженерное сооружение, устраиваемое из грунта в грунтовом массиве или возводимое на поверхности земли.

Земляные сооружения классифицируются по следующим признакам: отношению к поверхности земли, функциональному назначению, сроку службы, геометрическим параметрам, пространственной форме.

По отношению к поверхности земли их можно разделить на выемки, насыпи и подземные выработки. Выемкой называют земляное сооружение, создаваемое в грунтовом массиве ниже поверхности земли; насыпь - земляное сооружение, возводимое из грунта выше поверхности земли; подземные выработки - земляные сооружения, возводимые на определенной глубине и закрытые с поверхности земли.

По функциональному назначению земляные сооружения подразделяются на котлованы, траншеи, ямы, скважины, отвалы, плотины, дамбы, дорожные полотна, каналы, планировочные площади, тоннели, выработки. Наиболее характерные типы земляных сооружений и их элементы представлены на рис.1.

Рис.1. Профили земляных сооружений

1 - поверхность земли; 2 - котлован с откосами; 3 - котлован с вертикальными стенками; 4 - траншея с вертикальными стенками; 5 - траншея с откосами; 6, 7 - канал; 8 - яма; 9 - дорожное полотно; 10 - отвал; 11 - плотина (дамба); 12 - скважина; 13 - подземная часть здания; 14 - обратная засыпка пазух; 15 - подземная выработка; 16 - тоннель

В зависимости от срока службы земляные сооружения делят на постоянные и временные. Постоянные - предназначены для эксплуатации в течение длительного времени. К ним относятся: планировочные площади и территории, земляные полотна рельсовых и безрельсовых дорог, каналы различного назначения, плотины, дамбы и др.

Временные земляные сооружения устраивают для развертывания и выполнения последующих строительно-монтажных работ. К их числу относятся подземные выработки, котлованы, траншеи, ямы, скважины, временные отвалы грунта и др.

Геометрические параметры земляного сооружения - длина, ширина, глубина (высота), диаметр для сооружений круглого поперечного сечения - отражают основные размеры подземной части и служат для определения объема разрабатываемого грунта. От этих параметров зависит выбор состава технологического процесса и комплекта землеройной техники. Одним из параметров, оказывающим наибольшее влияние на технологию производства земляных работ, является вертикальный параметр земляного сооружения - глубина для выемки, высота для насыпи, диаметр для сооружений круглого поперечного сечения.

Исследования показывают, что в промышленном строительстве земляные сооружения, имеющие глубину до 5 м, занимают в общем объеме до 80% и лишь около 2% земляных сооружений имеют глубину свыше 10 м. Проектная глубина зависит от региона строительства. Может быть предложена следующая градация земляных сооружений по глубине: мелкие до 2 м, средние до 5 м, глубокие до 10 м, очень глубокие свыше 10 м.

Земляное сооружение может состоять из нескольких частей в зависимости от размеров и объемов. На рис.2 показано четыре типа пространственной формы земляного сооружения. Простая (куб, параллелепипед, усеченный обелиск, цилиндр и др.), простая составная форма, когда земляное сооружение представляет собой набор простых, имеющих или не имеющих общих участков примыкания; вертикально-составная форма, представляющая собой земляное сооружение, состоящее из нескольких простых в вертикальном направлении; сложная составная форма, представляющая собой комбинацию двух последних типов пространственных форм земляного сооружения.

Рис.2. Типы пространственной формы земляных сооружений

а - простая: б - простая составная; в - вертикальная составная; г - сложная составная; 1,2,3,4 - части земляного сооружения; сплошная линия - части имеют общие участки примыкания; пунктирная линия - части не имеют общих участков примыкания

Анализ земляных сооружений показывает, что на долю простой пространственной формы приходится до 50%. второй тип -30%, третий -15% и к сложно-составной форме можно отнести около 5% земляных сооружений.

Введение понятия пространственной формы приводит к созданию некоторой объемной модели земляного сооружения, использование которой повышает обоснованность решений по формированию состава комплексного технологического процесса (КТП) и механизированного комплекса.

Для формализованного описания пространственной формы можно использовать графы (см. рис.2). Вершина графа представляет собой какую-либо часть земляного сооружения, а ребра 1-2, 2-3, 3-4 показывают взаимосвязь этих частей в его общей конструкции. Формализацию такого вида целесообразно применять, когда организационно-технологические расчеты, связанные с подготовкой производства земляных работ на объекте, могут быть решены с использованием ЭВМ.

Комплексный технологический процесс

Производство земляных работ на объекте, создание земляного сооружения для размещения в нем подземной части здания или сооружения связано с переработкой грунта, который в полном объеме или частично разрабатывается, перемещается, укладывается, планируется, уплотняется. Выполнение всего необходимого набора работ происходит в результате осуществления комплексного технологического процесса. Этот процесс состоит из нескольких простых операций, выполняемых в определенной технологической последовательности, определяемой пространственной формой земляного сооружения, условиями производства работ, техническими и технологическими параметрами используемых землеройных и землеройно-транспортных машин.

Простые операции (процессы) могут быть распределены по трем группам: подготовительные, основные и вспомогательные.

К основным процессам относятся: разработка грунта в земляных сооружениях типа "выемка"; укладка грунта в "насыпи", бурение скважин, погрузка грунта, перемещение грунта в пределах строительной площадки; транспортировка грунта за пределы объекта и завоз грунта на объект; послойное разравнивание и уплотнение грунта; планировка грунта; рыхление мерзлого или трудноразрабатываемого грунта; отделка поверхности земляного сооружения; обратная засыпка выемок или пазух.

В состав подготовительных процессов входит: понижение уровня грунтовых вод, устройство противофильтрационных завес и экранов, укрепление грунтов, разбивка земляных сооружений.

К группе вспомогательных процессов относятся: подготовка забоя, содержание и ремонт землевозных дорог, временное крепление стенок и откосов земляного сооружения, бурение шпуров, нарезание щелей для производства взрывных работ, срезка недоборов грунта, устройство съездов и въездов, увлажнение грунта, укладка текстильных материалов, контроль качества работ.

Состав процессов при выполнении земляных работ на объекте определяется условиями производства работ на строительной площадке. К ним относятся физико-механические свойства грунтов, наличие подземных вод, климатические условия, степень стесненности выполнения работ на площадке, ее расположение относительно других объектов и др.

Состав комплексного процесса производства земляных работ на объекте определяется технологом при разработке проекта производства работ (ППР).

Выполнение подготовительных и вспомогательных процессов. При разбивке зданий и сооружений используют геодезическую разбивочную основу, выполненную на этапе инженерной подготовки строительной площадки, т. е. привязывают продольные и поперечные оси здания на местности.

Для детальной разбивки осей здания и обозначения контура котлована служит строительная обноска. Она может быть сплошной по всему периметру здания или прерывистой (рис.3, а). Прерывистая более удобна, так как не создает помех движению автотранспорта.

Вертикальные отметки в строящемся здании определяют относительно отметки ±0,00, которая соответствует уровню пола 1-го этажа (рис.3, б). Все отметки, расположенные выше, берут со знаком "+", а ниже - со знаком " -".

Рис.3

Привязку здания следует начинать в точке O₀, имеющей минимальное возвышение цоколя над спланированной плоскостью. В этой точке определяется наибольшая глубина котлована.

Из точек O₁,O₂,O₃,O₄ и других точках пересечения поперечных и продольных осей опускают отвес на поверхность земли и забивают колышки. От осей откладывают расстояние, равное

(b₁12) + b₂ + b₄+ b₅

b₁ - ширина фундаментного блока, b₂ - допустимое увеличение ширины траншей под фундамент при разработке грунта экскаватором, принимают равным 10 см, b₄ + b₅ -величина заложения откоса котлована с учетом траншей под фундамент.

Во многих случаях возведения подземных конструкций зданий и сооружений приходится выполнять в условиях подземных (грунтовых) вод, затрудняющих производство земляных и других работ нулевого цикла. Они существенно снижают срок службы конструкций, соприкасающихся с грунтом, эксплуатационные характеристики подземных частей зданий и сооружений. В зависимости от конкретных гидрогеологических условий производство работ по осушению грунтов можно выполнять следующими способами: открытым водоотливом; дренажем; глубинным водоотливом.

Наиболее простым и экономичны способом является открытый водоотлив, который можно применять также в сочетании с глубинным водоотливом.

В процессе разработки выемки (грунта из котлована или траншеи ее дну придают небольшой уклон к устраиваемому в самой нижней части приемнику (зумпфу), из которого воду откачивают поршневым, диафрагмовым или центробежным насосом и отводят по лоткам или водоотводным канавам от выемки. Затем разработку выемки ведут наклонным слоями с заглубленным зумпфом. Дойдя до проектной отметки по периметру котлована за пределами основания сооружения устраивают водоотводящие канавы, ширина которых по дну должна быть не менее 0,3 с уклоном 0,002-0,005. Грунтовая вода, просачиваясь через откосы и дно котлована, поступает в водоотводящие канавы и по ним в зумпф, откуда также откачивается насосами.

При значительном притоке воды водоотлив должен вестись двумя насосами непрерывно. Перерывы, связанные со сменностью производства строительных работ на площадке, выходом из строя насосов, другими причинами приводят к накоплению воды в выемке, разжижению грунтов, которые затем приходится укреплять щебнем или бетоном, и в конечном счете все это увеличивает затраты и продолжительность работ нулевого цикла.

Использование открытого водоотлива может сопровождаться нежелательными явлениями (наличие в выемке воды, мелких частиц грунта, нарушение структуры и устойчивости грунтового массива), которые затрудняют производство работ, ухудшают строительные свойства грунта, как основания будущего сооружения. При интенсивном водоотливе могут быть затронуты грунты в основаниях соседних зданий.

Более совершенным является метод глубинного водоотлива или искусственного понижения уровня грунтовых вод: иглофильтровый и вакуумный методы, водопонижающие скважины.

Наибольшая эффективность применения иглофильтров обеспечивается в песчаных грунтах с коэффициентом 1-50 м/сут. Если необходимо понизить уровень грунтовых вод на глубину 7-9 м, иглофильтры устанавливают в два яруса (рис.4).

Рис.4

При необходимости понижения уровня грунтовых вод на глубину свыше 20 м применяют способ вакуумного водопонижения. В этом случае используются установки с вакуумным водопонижением (УВВ) и эжекторные иглофильтровальные установки (ЭИУ).

Сущность вакуумного водопонижения заключается в том, что в отличие от водопонижения легкой игло-фильтровальной установкой, где центробежный насос создает в грунте положительное избыточное давление, установки вакуумного водопонижения создают и непрерывно поддерживают в фильтровальном звене вакуум (рис.5, а), в результате чего обеспечивается интенсивный подсос и снижение уровня грунтовой воды.

Рис.5. Схемы иглофидьтровальных установок с вакуумным (а) и электроосмотическим (б) водопонижением

1 - фильтровое звено; 2 - депрессионная кривая после понижения иглофильтром; 3 - центробежный насос; 4 - вакуум-насос; 5 - стальная труба (анод); 6 - иглофильтр (катод); 7 - депрессионная кривая после электросушения

Водовоздушная смесь поступает в иглофильтр и откачивается вакуум-насосом. В установках с вакуумным водопонижением для того, чтобы постоянно поддерживать вакуум, через трубку, проходящую внутри иглофильтра, подают воздух, который обогащает поры грунта, и процесс откачки грунтовых вод происходит более интенсивно.

Эжекторные иглофильтровальные установки включают в себя иглофильтры с эжекторными водоподъемниками. Внутри иглофильтра находится труба, имеющая в нижней части эжекторное устройство, - диффузор с насадкой. Во время работы иглофильтра в концевую полость между его наружной и внутренней трубами центробежным насосом подается под давлением 750-800 кПа "рабочая вода". Дойдя до насадки, она через нее устремляется вверх - к диффузору (попадание рабочей воды в грунт исключается). При этом скорость движения рабочей воды резко возрастает и в пространстве между насадкой и диффузором создается вакуум, под давлением которого грунтовая вода через фильтровальное звено засасывается внутрь иглофильтра. Смешавшись с рабочей водой, она по внутренней трубе направляется вверх к коллектору и далее в водосборник. Часть воды после очистки от частиц грунта поступает в центробежный насос и используется как рабочая вода.

В слабофильтрующих грунтах ЭИУ монтируют в заранее пробуренные скважины под защитой обсадных труб. В верхней части скважин после монтажа иглофильтра устраивают глиняный тампон.

Для повышения эффективности работы иглофильтровых установок в глинистых грунтах с невысокими коэффициентами фильтрации (менее 0,1 м/сут) используют способ электроосмоса - перемещение воды в грунт под влиянием пропускаемого через него постоянного тока. В этом случае в грунт рядом с иглофильтрами на расстоянии до 1 м погружают стальные трубы или стержни из арматурной стали (рис.5, б), которые подключают в цепь к положительному полюсу источника постоянного тока с напряжением 30-60 В. По воздействием электрического тока вода, содержащаяся в порах грунта, освобождается и перемещается в сторону иглофильтра. В результате водоотдача грунта повышается более чем в 5 раз.

Для осушения больших строительных площадок, на которых разрабатывается грунт и устраиваются выемки для строительства подземной части здания или сооружения, эффективен способ, основанный на использовании открытых водопонизительных скважин-колодцев, оснащенных насосами. По периметру будущей выемки устраивают скважины диаметром до 400 мм и погружают в них фильтровые колонны. Фильтровая колонна состоит из обсадной трубы с фильтром отстойника, водоподъемной трубы; по верху вокруг фильтровой колонны устраивают грунтовую обсыпку высотой 0,2-0,3 м (рис.6). Внутрь фильтровой колонны опускают насос, производительность которого определяется параметрами, характеризующим приток грунтовых вод. Приводной двигатель насоса может находиться как внутри скважины, так и над ее устьем. В первом случае он имеет водонепроницаемое исполнение и работает в затопленном состоянии, во втором - соединяется с насосом длинным трансмиссионным валом.

Рис.6. Схема скважины-колодца

1 - привод насоса; 2 - обсыпка; 3 - фильтровая колонна; 4 - водоподъемная труба; 5 - насос

Применяют также открытые самоизливающиеся скважины. Изливающуюся из устья воду отводят к водосборникам и откачивают насосами. Скважины могут иметь различный наклон. Вертикальные скважины служат для снятия избыточного напора в нижележащих водоносных слоях грунта. Горизонтальные могут устраиваться в откосах выемок.

Использование установок для искусственного водопонижения вызывает необходимость решения задач экологического характера. В первую очередь - это необходимость применения экологически чистых технологий, которые не допускали бы загрязнения подземных вод, попадания в них вредных примесей.

Нередко при интенсивной откачке грунтовых вод в районе строительства нарушаются гидрогеологические условия. Нарушается взаимосвязь подземных вод с поверхностными, в результате чего могут произойти нарушения действующих водозаборных систем, осушение родников и т.д. Продолжительные откачки грунтовых вод особо опасны на застроенных городских территориях, так как они могут вызвать оседание земной поверхности, деформации зданий и сооружений, смещение осей инженерных сетей. Поэтому выбор способов защиты земляных сооружений от воздействия подземных вод должен сопровождаться анализом и разработкой соответствующих природоохранительных мероприятий.

Для ограждения котлованов, траншей, подземных выработок и защиты проводимых в них строительных работ от поступления грунтовых вод в зависимости от физико-механических свойств грунта, его состояния, мощности водоносных слоев существуют следующие способы закрепления грунта: замораживание, инъецирование в грунт растворов-отвердителей, устройство тиксотропных противофильтрационных экранов и завес, устройство шпунтовых ограждений.

В сильно водонасыщенных грунтах (плывунах) при разработке глубоких выемок, подземных сооружений создаются противофильтрационные завесы с помощью естественного или искусственного замораживания грунтов. Естественное замораживание применяется в районах с низкими температурами. В летнее время вскрывают котлован до уровня грунтовых вод, а затем в период наступления морозов допускают промерзание грунта на откосах и дне выемки на глубину 20-30 см. После этого послойно (10-15 см) снимают грунт, давая каждый раз промерзнуть грунту вглубь на 30 см. Таким образом, возникает льдогрунтовая оболочка, защищающая выемку от проникания в нее грунтовых вод.

При искусственном замораживании по периметру выемки устраивается временная водонепроницаемая ледяная стенка. Для этого в заранее пробуренные скважины погружают замораживающие колонки, состоящие из наружных замораживающих и внутренних питающих труб, соединенных трубопроводом, по которому подают специальную жидкость - рассол (растворы солей с низкой температурой замерзания), охлажденный в холодильной установке до -20-40 °С. В результате циркуляции рассола вокруг колонок начинают образовываться столбы замороженного грунта, которые, постепенно увеличиваясь в диаметре, соединяются в единую льдогрунтовую стенку.

В качестве хладоносителя может использоваться жидкий азот. Поступая в систему магистрального и распределительных трубопроводов и далее в замораживающие колонки, жидкий азот переходит в газообразное состояние - "кипит" при температуре - 196 °С. Газообразный азот выводится через газоотводящие трубопроводы для последующего сжижения. И хотя стоимость замораживания грунта с использованием азота возрастает по сравнению с использованием рассола, сроки создания защитной завесы сокращаются в несколько раз. Это существенное преимущество сказывается в аварийных ситуациях, например, при прорыве воды или плывунов в зону производства работ.

Способ замораживания имеет свои недостатки: временное сохранение эффекта завесы (на период работы замораживающей установки), длительный процесс наращивания и последующего оттаивания ледяной завесы повышение влажности грунта счет перемещения воды к охлажденным участкам грунта и др.

Ограждение выемок от поступления в них грунтовой воды может даваться путем инъецирования в грунт растворов-отвердителей. Проникая в поры и трещины грунта породы, они связывают зерна грунта и, твердея, превращают его в водонепроницаемый и неразмываемый монолит.

В зависимости от вида растворов существуют следующие основные инъекционные способы: цементация, битумизация, глинизация, силикатизация.

Цементацию применяют в крупнозернистых песках, гальке, гравии, трещиноватых скальных породах с коэффициентом фильтрации 80-200 м/сут. В грунт с помощью труб-инъекторов под давлением нагнетают водоцементные растворы.

При битумизации песчаных и трещиноватых скальных грунтов в качестве отвердителя используют расплавленный битум или холодную битумную эмульсию.

В качестве инъекционного материала при глинизации используют водную суспензию бентонитовых глин, которые содержат на менее 60% минерала монтмориллонита.

Силикатизацию или инъецирование, сначала водного раствора силиката натрия Na₂SiO₃, а затем хлористого кальция CaCl₂ применяют при устройстве водонепроницаемой завесы песчаных и лессовых грунтах, имеющих коэффициент фильтрации 80 м/сут.

Растворы вступают в реакцию образуют гель кремниевой кислоты (nSiO₂mH₂O), который связывает частицы грунта и затвердевает.

Устройство тиксотропных противофильтрационных экранов толщиной 0,15-0,25 м производят с применением механизмов ударного, режущего, вибрационного и водовоздушного действия.

В качестве машины ударного действия используют копровый агрегат, который вплотную друг к другу погружает в грунт несколько стальных шпунтин или пустотелых свай (рис.7). Затем первый погруженный элемент извлекают гидравлическим трактором, а в образовавшуюся полость подают глиноцементный или глинистый раствор, обладающий тиксотропными свойствами. Тиксотропную суспензию приготовляют из бентонитовой глины, способной абсорбировать, т.е. поглощать воду в количестве, до 7 раз большем собственной массы, а после водонасыщения загустевать, приобретая гидрофобные (водоотталкивающие) свойства.

Извлеченный элемент погружают в месте, расположенном от последнего погружения на расстоянии не более чем ширина стороны поперечного сечения погруженного элемента. Процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирована противофильтрационная завеса.

Погружение и извлечение пусто-образующих элементов можно выполнять с использованием вибрационного оборудования.

Щели в грунте для заполнения их противофильтрационными материалами можно устраивать с помощью машин с режущим рабочим органом (цепной рабочий орган, бар, канат и др.).

Противофильтрационный экран может быть устроен с помощью оборудования, которое разработано шведской фирмой "Алимак" (рис.8). В массиве грунта бурится скважина глубиной до 10 м и диаметром 0,5 м. В момент, когда бур начинает извлекаться из скважины, через его полный вал под давлением подается цемент и перемешивается с разрыхленным грунтом. В грунте образуется цементно-грунтовая свая, Затем на расстоянии, меньшем диаметра сваи, бурится новая скважина, в которой также устраивается цементная колонна. Между двумя колоннами снова бурят скважину, при этом частично захватывая материал двух соседних свай. В результате образуется стенка из сомкнутого ряда свай, обладающая противофильтрационными свойствами. Оборудование позволяет устраивать не только вертикальные, но и наклонные сваи (до 15° во всех направлениях).

В последние годы в практике зарубежного строительства получил распространение вертикальный дренаж, устраиваемый с помощью дренирующих свай и дренирующих стен (рис.9). Конструкции и технология устройства дренирующей сваи показаны на рис.10. Вначале производят бурение скважины диаметром около 90 см и глубиной до 6 м в обсадной трубе (рис.10, а). В готовую скважину помещают арматурный каркас, внутри которого закреплена труба, в нижней части имеющая ряд отверстий для поступления в нее грунтовой воды. В полость между обсадной и внутренней дренажной трубами опускают бетонолитную трубу и далее ведут бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). В основание сваи подают фильтр-бетон и одновременно начинают подъем обсадной трубы. Затем бетонируют сваю обычным бетоном.

Рис.7. Устройство тиксотропного противофильтрационного экрана

1 - свая, извлекаемая из грунта; 2 - свая, погружаемая в грунт; 3 - противофильтрационный экран; 4 - трубы для подачи суспензии, приваренные к сваям

Рис.8. Оборудование для устройства цементно-грунтовых свай "Алимак"

а - общий вид установки; б - схема устройства скважин; 1 - базовый трактор; 2 - емкость с цементом; 3 - рукав для подачи цемента; 4 - рама бура; 5 - привод вращения бура; 6 - бур; 7 - полый вал бура; 8 - отверстие для подачи цемента; 9 - цементно-грунтовая свая

Рис.9. Виды дренирующих свай и стен

а - отдельно стоящие сваи-опоры; б - стена из дренирующих свай; в - двухсторонняя дренирующая стена: г - односторонняя дренирующая стена: 1 - сваи-опоры; 2 - фильтр-бетон: 3 - дно котлована; 4 - сваи, 5 - стена

При возведении подземной части зданий и сооружений большие требования предъявляются откосам и стенкам выемок. Необходимость их крепления, а также конструкции крепления зависят от гидрогеологических условий и конструкции подземной части возводимого сооружения.

Вертикальные стенки в грунтах естественной влажности при отсутствии грунтовых вод допускаются без крепления: при глубине выемок в песчаных и крупнообломочных грунтах не более 1 м, в супесях - 1,25 суглинках и глинах - 1,5 м, в особо плотных грунтах - 2 м.

При больших глубинах для превращения обвалов и оползней стенок выемок устраивают откосы, метры которых определяются и регламентируются СНиПом. Необходимость устройства откосов ведет к значительному увеличению габаритов земляного сооружения и соответственно объемов разработки грунта, повышению материальных и трудовых затрат.

Для уменьшения объемов земляных работ, а также в случаях, разработка выемок с откосам возможна из-за стесненности площадки или наличия грунтовых вод, устраивают выемки с вертикальными стенками.

Временная крепь может быть выполнена в виде деревянного или металлического шпунта, металлических, железобетонных (забивных) или бетонных (буронабивных) свай, между которыми устанавливают затяжку из досок, железобетонных плит или наносят покрытие из торкрет-бетона, деревянных щитов с опорными стойками, щитов с распорными рамами и других конструкций.

Рис.10. Схема технологического процесса устройства дренирующих свай (а) и стен (б)

1 - дно котлована: 2 - поверхность земли; 3 - насос для откачки грунтовых вод; 4 - автобетоносмеситель; 5 - экскаватор-кран; 6 - арматурный каркас; 7 - грузовой автомобиль; 8 - экскаватор; 9 - установка для приготовления бетонной смеси

Шпунтовое крепление представляет собой сплошную стенку из металлических или деревянных элементов, жестко защемленную грунтом. Наибольшее распространение получил металлический шпунт с плоским, корытообразным, Z-образным профилем. С одной стороны поперечного сечения шпунт имеет паз, с другой - гребень. При забивке шпунта гребень одной шпунтины заходит в паз другой и в грунте создается сплошная стена, предохраняющая откосы глубоких котлованов от обрушения. Для забивания шпунта используют дизель-молоты или вибрационные и виброударные погружатели. После завершения работ по устройству подземной части металлический шпунт извлекают для последующего использования.

Закрепление откосов глубоких котлованов может производиться при помощи металлических или железобетонных свай, забитых на расстоянии 0,5-1,5 м друг от друга. По мере разработки стены выемки закрепляют деревянной дощатой затяжкой. Доски толщиной 5-7 см вставляют между сваями и расклинивают грунтом.

Если глубина выемки 3-4 м, свайное крепление может работать консольно, воспринимая боковое давление за счет заглубления свай в грунт на глубину 3-5 м.

При большей глубине выемки требуется дополнительное крепление свай. Оно может быть выполнено с помощью распорок-расстрелов, упираемых в продольные пояса-обвязки, устанавливаемые на сваях на расстоянии не менее 0,5 м от их верха. Расстрелы устанавливают через 4-6 м вдоль оси котлована.

В глубоких котлованах (более 10 м) расстрелы могут устанавливаться в несколько ярусов. Расстрелы изготовляют из металла составного профиля (двух швеллеров, четырех уголков) или труб диаметром 30-40 см. Конструкция расстрела может быть раздвижная, телескопическая.

Расстрелы обеспечивают достаточную жесткость и могут быть использованы многократно. Однако такой тип крепления имеет ряд недостатков. Во-первых, расстрелы располагаются в пределах контура подземной части сооружения, что значительно затрудняет ее монтаж. Во-вторых, при увеличении ширины котлована до 15- 20 м масса расстрелов достигает 2-3 т, что требует значительного времени и средств на их установку и закрепление.

В последнее время для воспринятия опрокидывающих моментов, возникающих от действия грунта на шпунтовые, свайные и другие ограждения выемок, применяют анкерные устройства (грунтовые анкеры). Анкеры устраивают в одном или нескольких уровнях по высоте откоса под углом к горизонту до 25°.

Основная деталь анкера - растягиваемый элемент (тяга)- выполняется из металла. Анкерную тяг) одним концом крепят к конструкции стенки, а другим - в грунтовой массив за пределы возможной призмы обрушения и закрепляют там с помощью инъецируемого в грунт раствора (рис.11). Грунтовой анкер устраивают следующим образом. После раз работки котлована до определенной отметки под углом к горизонту забуривают скважину диаметром 20- 30 см и глубиной 8-20 м, часто применяя при этом обсадные трубы. Тягу заводят в скважину, после чего в нее инъецируют раствор, замоноличивая анкер по всей длине или только в нижней его части. Когда раствор затвердеет, анкер натягивают. Грунтовые анкеры располагают друг от друга через 3-5 м.

Конструкции анкеров отличаются материалом, из которого изготовлена тяга, несущей способностью и способом закрепления в грунте. В качестве тяг применяют также стальные трубы, металлические рифленые стержни диаметром 18-40 мм, высокопрочную проволоку в виде пучков, прядей или канатов, профилированную сталь. Несущая способность анкера составляет 150-2500 кН, причем наибольшее значение относится к проволочным тягам. По способу заделки в грунт различают трубчатые ненапрягаемые анкеры и предварительно напряженные инъекционные анкеры без уширения или с уширением.

Рассмотренные виды крепления откосов выемок требуют значительного расхода металла. Несмотря на то, что 80% свай и шпунта удается извлечь, значительная их часть остается непригодной для последующего использования. Забивка свай и шпунта вызывает нежелательные последствия, связанные с шумом и сотрясением близрасположенных зданий. Поэтому более прогрессивными являются системы крепления с применением буронабивных свай или устраиваемые с помощью метода "стена в грунте", а также метода торкретирования.

Рис.11. Укрепление стенок котлованов с помощью грунтовых анкеров

а - схема анкерного крепления, б - технологическая последовательность установки грунтовых анкеров; 1 - свая; 2 - пояс-обвязка; 3 - контур подземного сооружения; 4 - грунтовой анкер, 5 - здание, расположенное рядом; I - бурение скважины с обсадной трубой; II - установка анкерной тяги и соединение ее с наконечником; III - извлечение обсадной трубы и инъецирование раствора; IV - натяжение тяги; V - закрепление тяг в анкерной головке

Нанесение покрытий на стенки выемки методом торкретирования осуществляется с помощью цемент-пушки или шприц-бетон-машины. В этом случае бетонная смесь под высоким давлением наносится на поверхность грунта стены котлована. Частицы первого слоя бетона проникают в грунт, а последующих слоев - в незатвердевшую еще бетонную смесь. При необходимости можно укладывать арматурную сетку по грунту или между слоями. В результате получают сплошное монолитное крепление толщиной до 75 мм. При сооружении глубоких котлованов торкретирование проводят ярусами. При значительной толщине покрытия торкрет-бетоном могут применяться грунтовые анкеры. Указанные системы креплений имеют еще одно преимущество, основанное на том, что само крепление входит в конструкцию подземного сооружения, образуя его стены.

Стенки траншей и небольших котлованов крепят с помощью деревянных щитов, закрепляемых стойками, подкосами, распорками. В последнее время при креплении стенок траншей шириной до 3 м все большее применение находят инвентарные крепления, состоящие из отдельных секций (например, конструкции ЦНИИОМТП, ВНИИГС и др.). Каждая секция состоит из сборно-раздвижных рам и инвентарных щитов ограждений. Распорные рамы опускают в траншею, после этого между стенками траншеи и распорных рам закладывают инвентарные щиты и раздвигают стойки с помощью винтовых распорок до плотного контакта щитов с грунтом.