Устройство «стены в грунте» из монолитного железобетона

 

 

1. Введение

Патенты на устройство «стены в грунте» под защитой бентонитовой суспензии впервые были получены немецкими учеными Брандтом и Раннемом в 1912 году. В 1936 г. Летцтерр разработал машины для изготовления «стены в грунте» непрерывным способом.

В начале пятидесятых годов 20-го столетия профессоры Федер и Грац изобрели метод изготовления «стены в грунте» без использования обсадных труб, а профессор Лоренц предложил метод изготовления «стены в грунте», применяемый в настоящее время.

В настоящее время в больших городах возведение высотных зданий и строительство заглубленных сооружений сориентированы на использование метода «стена в грунте» вместо традиционных методов «открытый котлован» или «опускной колодец».

Метод «стена в грунте» предназначен для возведения заглубленных в грунт сооружений различного назначения. Сущность метода «стена в грунте» заключается в том, что стены заглубленных сооружений возводят в узких и глубоких траншеях, вертикальные борта которых, удерживаются от обрушения при помощи глинистой суспензии, создающей избыточное гидростатическое давление на грунт.

После устройства в грунте траншей необходимых размеров их заполняют, в зависимости от конструкции и назначения сооружения, монолитным железобетоном, сборными железобетонными элементами или глиногрунтовыми материалами. В результате этого в грунте формируют несущие стены сооружений или противофильтрационные диафрагмы.

По назначению заглубленные сооружения, возводимые методом «стена в грунте», классифицируются следующим образом:

- промышленные - подземные этажи и фундаменты промышленных зданий, скиповые ямы, установки непрерывной разливки стали, колодцы для дробильных цехов горнообогатительных комбинатов, бункерные ямы под вагоноопрокидыватели; технологические галереи, туннели и др.;

- жилищно-гражданские - подземные этажи и фундаменты жилых и общественных зданий, закладываемых на глубину до 30 м;

- транспортные - подземные переезды и переходы под улицами с интенсивным движением, станции и туннели метрополитенов мелкого заложения; подземные автомагистрали; подземные автогаражи и автостоянки и другие подсобные сооружения, закладываемые на глубине до 25-30 м;

- гидротехнические - водозаборы и насосные станции, располагаемые в берегах рек, водохранилищ и озер; противофильтрационные диафрагмы, устраиваемые как в теле, так и в основании гидротехнических подпорных сооружений на реках, в прудах-накопителях для промышленных сточных вод, неподдающихся очистке и загрязняющих поверхностные и подземные воды; каналы и дренажные коллекторы; противооползневые и многие другие подобные инженерные сооружения.

Метод «стена в грунте» обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами строительства:

- возможность устройства глубоких котлованов в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений, что особенно важно при строительстве в стесненных условиях, а также при реконструкции сооружений;

- резко уменьшается, а в некоторых случаях отпадает необходимость в устройстве водопонижения или водоотлива; уменьшаются объемы земляных работ;

- отпадает необходимость в устройстве обратных засыпок и, следовательно исключаются неравномерные просадки полов и отмосток в процессе их эксплуатации;

- появляется возможность одновременно производить работы по устройству надземных и подземных частей зданий, что резко сокращает сроки их строительства;

- бесшумность метода строительства. Измерения показывают, что уровень шума при строительстве «стена в грунте» ниже обычного шума дорожного движения.

Исключается понижение уровня грунтовых вод, так как бетон «стены в грунте» ограждает конструкцию от проникновения воды.

«Стены в грунте» классифицируются:

- по назначению - несущие, ограждающие и противофильтрационные;

- по материалу - железобетонные, бетонные, грунтоцементные, глинистые, комбинированные;

- по способу изготовления - монолитные, сборные, сборно-монолитные.

Способ сооружения ограждающих и несущих конструкций методом «стена в фунте» может применяться для любых конфигураций и размеров стен в плане. Глубина заложения «стены в фунте» ограничивается требованиями проекта и возможностями имеющегося в наличии оборудования.

Применение способа «стена в фунте» целесообразно при возведении подземных сооружений в стесненных условиях существующей застройки и реконструкции действующих предприятий.

Наибольший эффект достигается в тех случаях, когда «стена в фунте», прорезая водоносные пласты, заглубляется в водоупорный слой. В этом случае появляется возможность производить работы в котловане без устройства водопонижения.

Современные технологии позволяют устраивать конструкции подземных сооружений различных форм, но традиционными и наиболее часто встречающимися являются конструкции из прямолинейных стенок.

Расстояние между стенками, как правило, принимаются до 15-20 м из расчета прочности и устойчивости распорных конструкций. При расстоянии более 20 м устойчивость стен обеспечивается за счет устройства анкерных креплений.

Анкерные крепления «стены в фунте» в один или несколько ярусов следует устраивать в следующих случаях:

- при ширине котлована более 20 м;

- при ширине котлована более 10 м, когда в силу особенностей конструктивного решения могут быть использованы только временные расстрелы, требующие перекрепления.

Анкерные крепления следует использовать во всех грунтах, за исключением рыхлых песков, торфов и глин текучей консистенции.

Обеспечение устойчивости стен за счет применения наклонных анкеров является наиболее простым и эффективным способом.

Стены имеют толщины 500; 600; 800; 1000 и 1200 мм и возводятся из монолитного железобетона, отдельными секциями согласно проекта производства работ (ППР).

2. Машины и оборудование для устройства траншейных «стен в грунте»

Наиболее дорогостоящим и сложным является оборудование для образования узкой глубокой траншеи в грунтах I-IV групп на глубину до 50 м, шириной от 0,5 до 1,2 м.

Для разработки траншей используются следующие виды траншеепроходческого оборудования:

- оборудование вращательного действия с погружным приводом породоразрушающего инструмента;

- оборудование вращательного действия с расположенным на поверхности приводом породоразрушающего инструмента;

- оборудование ударного и ударно-вращательного действия;

- оборудование с породоразрушающим инструментом скребкового типа (экскаваторы-драглайны, скребковые траншеекопатели, экскаваторы с обратной лопатой, грейферные установки);

По способу извлечения разработанного фунта из траншеи все виды землеройных машин и оборудования подразделяются на две группы:

1. Машины и оборудование, землеройным инструментом которых является грейфер, осуществляющий подъем на поверхность разработанного грунта с выгрузкой в транспортное средство или отвал;

2. Машины и оборудование, разрабатывающие грунт специальным буровым инструментом с переводом его в рабочий глинистый раствор и с выносом на поверхность эрлифтной установкой.

В первом случае разработанный грунт не засоряет глинистый раствор, но увеличивается количество операций, связанных с подъемом и опусканием грейфера, а во втором случае необходима обратная циркуляция раствора с очисткой его от шлама.

Ниже приведены технологии устройства «стены в фунте», выполняемые некоторыми видами оборудования.

Разработка грунта в траншее грейферным оборудованием для устройства «стены в грунте»

В настоящее время в России широко применяют для разработки грунта и удаления его из траншеи высокопроизводительное импортное грейферное оборудование, подвешиваемое на телескопической штанге буровой гидравлической установки типа модели HR260 фирмы MAIT (Италия) или на тросовой подвеске специального гусеничного крана типа модели HS 855 HD фирмы Libherr (Германия), оснащенных дополнительным оборудованием для работы по технологии «стена в грунте».

Схема разработки захватки траншеи за один проход грейфера представлена на рис. 2.1.

После разработки траншеи на полную глубину производится проверка глубины траншеи, зачистка траншеи от слоя осыпавшего грунта и осадка глинистого раствора путем плавного опускания и перемещения грейфера по всей плоскости траншеи.

Разработка грунта в траншее барражными машинами непрерывного действия для устройства «стены в грунте»

Барражные машины непрерывного действия применяются для устройства противофильтрационных завес путем разработки грунта на прямолинейных участках большой протяженности на глубину до 30 м.

Разработка грунта в траншее барражными машинами производится под защитой глинистого раствора

Разрушенный грунт извлекается из траншеи эрлифтной установкой в виде пульпы.

Пульпа поступает на очистную установку, либо в отстойник. Очищенный от породы, отстоявшийся глинистый раствор возвращается в траншею. По мере продвижения барражной машины с образованием траншеи ведется подготовка уже разработанных участков к заполнению противофильтрационными материалами.

Рис. 2.1. Разработка захватки траншеи за один проход грейфера.

Для этого участок изолируется от полости остальной траншеи с помощью стальных разделительных инвентарных элементов.

Диапазон геологических условий для машин такого типа ограничен однородными, без крупных каменистых включений, разрезами, представленными породами с пределом прочности на сжатие до 40 МПа.

Барражная машина непрерывного действия модели БМ-0,5/50-2М БМ-0,5/50-3МЭ выпускает ОАО «ВИОГЕМ» имени С.Я. Жука.

Схема разработки грунта в траншее барражными машинами непрерывного действия с удалением пульпы из траншеи эрлифтной установкой представлена на рис. 2.2

По данным ОАО «СГСТУ ВИОГЕМ» производительность барражной машины непрерывного действия модели БМ-0,5/50-3МЭ для нормальных грунтовых условий составляет от 25 до 45 м³ траншеи в час.

Разработка грунта в траншее барражными машинами циклического действия для устройства «стены в грунте»

Барражная машина циклического действия конструкции ОАО «ВИОГЕМ» имени С.Я. Жука модели БМ-30/0,5-3Ш - применяется для разработки как прямолинейных в плане, так и имеющих сложную конфигурацию траншей шириной 0,5 м, в том числе замкнутых, глубиной до 50 м и длиной до 150 м.

Основной операцией технологии проходки барражными машинами циклического действия является поочередная разработка отдельных захваток при последовательном погружении бурового инструмента и его извлечении. При разработке частично перекрывающихся захваток с образованием сплошной полости траншеи глубиной до 30 м проблема отделения участков, подлежащих заполнению, решается посредством установки инвентарных разделительных элементов с последующим их извлечением.

 

 

Рис. 2.2. Барражная машина непрерывного действия модели БМ-0,5/50-3МЭ
1 - базовая платформа барражной машины; 2 - рабочий орган; 3 - разрабатываемая траншея, заполненная глинистым раствором; 4 - породоразрушающий инструмент.

 

При использовании в качестве материала «стены в грунте» жестких конструктивных элементов разработка траншеи может вестись без применения разделителей.

Диапазон геологических условий включает широкий спектр пород - от супесей и суглинков до трещиноватых гранитов с пределом прочности на сжатие до 100 МПа.

Схема разработки кольцевой «стены в фунте» барражной машиной циклического действия приведена на рис. 2.3.

Применение барражных машин цикличного действия наиболее целесообразно при строительстве сложных по конфигурации траншей для различных заглубленных сооружений.

Разработка грунта в траншее фрезерными машинами для устройства «стены в грунте»

Фрезерные машины типа СВД-500 и СВД-500Р предназначены для образования траншей в несвязных, полускальных и скальных фунтах. Машина СВД-500Р снабжена специальной тележкой из двух платформ на рельсовом ходу, каждая из которых снабжена электролебедкой грузоподъемностью 8 тс.

На первой платформе размещено оборудование для привода бурового инструмента, а на второй - для очистки глинистого раствора. Буровой инструмент выполнен в виде электробура с встроенным электроприводом.

Буровой инструмент, подвешенный к базовой машине, скользит по полозьям направляющего шаблона, фиксирующего его положение.

В комплект фрезерной машины СВД-500 входят: компрессор ДК-9, ситогидроциклонная установка ЧСГУ-2, две глиномешалки МГ2-4, агрегат для приготовления и укладки глиногрунтовой пасты ГЗ-1, смеситель глинистых растворов БС-2, эрлифт.

Фрезерная машина обеспечивает разработку траншеи глубиной до 25 м. Работой машины управляет машинист-оператор из кабины, в которой установлен пульт управления. Машина при проходке перемещается на заданный интервал автоматически, при этом величина перемещения задается исходя из контрольных геологических условий грунта.

Схема разработки грунта в траншее фрезерными машинами для устройства «стены в грунте» приведена на рис. 2.4.

 

 

Рис. 2.3. Сооружение кольцевого участка барражной машиной циклического действия модели БМ-30/0,5-3Ш
А - погружной электробур; 1 - самоходный кран; 2 - заполнение ранее пройденного участка траншеи; 3 - готовый участок «стен в грунте»

3. Этапы производства подготовительных работ при сооружении «стены в грунте»

Подготовительные работы

Перед началом сооружения «стены в грунте» выполняются следующие подготовительные работы:

- ограждение строительной площадки;

- вскрытие и перенос подземных коммуникаций, попадающих в габариты стен;

- планировка поверхности площадки и устройства временных дорог;

- размещение временных административно-бытовых зданий;

- подготовка мест для складирования строительных материалов и конструкций;

- монтаж технологического оборудования.

Замена грунта на глубину не менее 3 м привозным песчано-глинистым грунтом с уплотнением (Купл  ³  0,95). Затем, вдоль оси стен производится разработка пионерной траншеи с естественными откосами 1,5-2,0 м.

Сооружение форшахты (направляющей стены).

В разработанной пионерной траншее сооружается монолитная железобетонная форшахта.

Форшахта предназначена обеспечивать:

- проектное направление разработки основной траншеи;

- необходимое положение грейфера в грунте;

- возможность подвески на ней арматурных каркасов, установки оборудования для проходки и бетонирования траншеи;

- отвод переливающегося через край глинистого раствора.

Конструкции форшахты определяются по проекту и сооружаются отдельными секциями из монолитного железобетона.

 

 

Рис. 2.4. Буровая фрезерная машина модели СВД-500
1 - базовая машина; 2 - буровой снаряд; 3 - эрлифт; 4 - образованная траншея; 5 - пульпопровод; 6 - навесное оборудование; 7 - уровень глинистого раствора.

Монтаж и пуск бентонитовой установки

Перед разработкой траншеи необходимо произвести монтаж, опробование и пуск бентонитовой установки для приготовления, подачи, очистки и регенерации глинистого раствора, который первоначально должен заполнять пространство между стенками пионерной траншеи. Далее, по мере разработки грунта грейфером, в захватку должна производится непрерывная подача глинистого раствора с поддержанием его уровня не ниже 0,2-0,3 м от верха форшахты.

4. Этапы производства основных работ при сооружении «стены в грунте»

После сооружения форшахты, для устройства «стены в грунте», последовательно выполняются следующие основные технологические операции:

- разработка траншеи;

- установка и извлечение ограничителей захваток;

- установка секций арматурных каркасов;

- бетонирование траншеи методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ).

Схема строительства подземной части сооружения методом «стена в грунте» по последовательности выполнения технологических операций представлена на рис. 3.1.

 

Рис. 3.1 Схема строительства подземной части сооружения методом «стена в грунте»
1 - форшахта; 2 - разработка фунта в траншейных захватках; 3 – установка армокаркаса; 4 - бетонирование методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ); 5 - устройство обвязочного пояса по периметру; 6 - готовая стена; 7 - глинистый раствор

Разработка траншей

Траншеи при строительстве подземных сооружений способом «стена в фунте» следует разрабатывать под защитой глинистого раствора, отдельными захватками последовательно одна за другой вдоль траншеи или поочередно на различных участках траншеи.

Способ и технологическая последовательность разработки траншей определяется ППР в соответствии с инженерно-геологическими условиями строительства, размерами и конфигурацией и назначением возводимой стены, характеристиками траншеепроходческого оборудования.

В сложных грунтовых условиях при высоком уровне грунтовых вод, а также при глубинах свыше 15 м, когда в качестве ограничителей используются инвентарные металлические трубы, проходку траншей следует производить в две очереди через одну - две захватки.

Длина отдельной захватки составляет, как правило, 2,0-6,0 м и определяется ППР, исходя из условия обеспечения устойчивости стен траншей при их разработке и размера рабочего органа траншеекопателя.

Захватка может быть пройдена за один или несколько проходов рабочего органа траншеекопателя на полную глубину траншеи.

После разработки захватки на полную глубину производится проверка глубины траншеи, зачистка траншеи от слоя осыпавшего грунта и осадка глинистого раствора путем плавного опускания и перемещения грейфера по всей плоскости траншеи, пробный забор шлама, контроль параметров и замена глинистого раствора.

Установка ограничителей захваток

Стальные разделительные элементы устанавливаются по краям захваток в качестве стыкового элемента. Для получения качественных стыков рекомендуется применять металлическую трубу с ребрами из уголков 75´75 мм. Уголки привариваются таким образом, чтобы при погружении трубы они врезались в борта траншеи менее чем на 30 мм.

Разделительные элементы являются сборными и по мере опускания в траншею, собираются из передовой ножевой секции длиной 6 м, рядовой секции 6 м и необходимого числа дополнительных рядовых секций длиной 1-2 м (в соответствии с глубиной траншеи).

Нижняя ножевая часть разделительного элемента должна быть заглублена в дно траншеи не менее, чем на 30¸50 см.

Разделительный элемент и верхняя концевая пластина крепятся на конструкции форшахты с применением специальных инвентарных устройств, с превышением уровня «воротника» форшахты.

После бетонирования захватки ограничители извлекаются через 1-3 часа (до начала сцепления с бетоном).

Установка арматурных каркасов

Устанавливаемый в захватку арматурный каркас должен соответствовать рабочим чертежам и иметь паспорт. Тип, конструкция монтажных стыков арматурного каркаса должны соответствовать проекту.

В состав каркаса входят необходимые закладные детали из листовой стали, монтажные петли, фиксаторы защитного слоя, обеспечивающие центрирование каркаса в траншее, трубы для пропуска грунтовых анкеров.

Секции арматурных каркасов, непосредственно, перед их установкой в захватку следует соединять между собой электродуговой сваркой отдельных элементов.

При глубине траншеи более 10-12 м каркас может состоять из отдельных секций, стыкуемых на высоте перед опусканием в траншею.

Внутри каркасов должны быть предусмотрены проемы с направляющими для установки бетонолитных труб.

Опускание каркаса производят в положении обеспечивающим его свободное прохождение в траншею при геодезическом контроле за вертикальностью и обеспечением проектной величины защитного слоя между несущей арматурой и грунтом.

При установке в захватку, арматурные каркасы устанавливаются на верхней части «воротника» форшахты с помощью поперечных труб или профильных балок так, чтобы продольные несущие стержни арматурных каркасов не доходили до низа траншеи на 25-30 см.

Бетонирование

Бетонирование стен производится под защитой глинистого раствора, не позднее, чем через 4 часа после опускания арматурных каркасов в траншею.

Транспортирование бетонных смесей с бетонных заводов на стройку следует производить в автобетоносмесителях.

Бетонирование следует осуществлять методом вертикально перемещаемой трубы (ВПТ) с одновременной откачкой вытесняемого бентонитового раствора в емкость или разрабатываемую захватку.

Бетонирование каждой очередной секции следует проводить, не допуская перерывов в подаче бетона.

При бетонировании под глинистым раствором необходимо обеспечивать:

- изоляцию бетонной смеси от раствора в процессе ее подачи в траншею;

- отсутствие перемешивания с раствором при укладке;

- непрерывность бетонирования в пределах захватки;

- контроль за технологией в процессе бетонирования.

Траншеи следует бетонировать секциями с применением межсекционных ограничителей.

Бетонирование методом ВПТ ведется при помощи сборно-разборной или цельной бетонолитной трубы с внутренним диаметром 250-350 мм. Монтаж сборной бетонолитной трубы включает следующие операции:

- очистка и подготовка звеньев к работе;

- установка опорной рамы на «воротнике» форшахты;

- монтаж става бетонолитной трубы с последовательным наращиванием звеньев при помощи быстросъемных соединений, когда ранее смонтированная часть подвешивается на опорной раме;

- установку и закрепление на трубе приемного бункера емкостью не менее 1,2 объема бетонолитной трубы.

Схема бетонирования траншеи методом ВПТ представлена на рис. 3.2.

 

 

Рис. 3.2. Схема бетонирования траншей методом ВПТ

В верхнюю горловину трубы следует установить пробку (например, из опилок или пакли в чехле из мешковины) высотой 20-25 см, которая прикрепляется тросиком к верху приемного бункера.

Бетонная смесь из автобетоносмесителя загружается в приемный бункер в объеме на 20% превышающем объем бетонолитной трубы. После этого трубу необходимо поднять на 3-5 см и перерезать тросик, удерживающий пробку. Пробка под действием избыточного давления бетонной смеси передвигается по бетонолитной трубе и выталкивает находящийся в ней глинистый раствор, препятствуя расслоению и перемешиванию бетона. Для выпуска пробки, заполненную бетонной смесью трубу необходимо приподнять на 20-30 см и затем вновь заполнить приемный бункер при понижении уровня бетонной смеси до устья воронки.

Для продолжения бетонирования необходимо обеспечить постоянную подачу смеси в бункер при постепенном поднятии и осаживании бетонолитной трубы.