Колесников - Возведение подземных сооружений методом стена в грунте

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

B.C. Колесников, В.В. Стрельникова

ВОЗВЕДЕНИЕ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ МЕТОДОМ "СТЕНА В ГРУНТЕ" ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ

Учебное пособие

Волгоград 1999

Колесников B.C., Стрельникова В.В.

К60 Возведение подземных сооружений методом "стена в грунте". Технология и средства механизации: Учебное пособие. — Волгоград: Изд-во ВолГУ, 1999. — 144 с.

В книге рассмотрен метод "стена в грунте", эффективность его применения, современные землепроходческие агрегаты, перспективные рабочие органы для образования узких глубоких траншей под слоем бентонитовых растворов, дополнительные средства механизации, глинистые растворы, технология возведения подземных сооружений.

Книга рекомендуется для работников проектно-технологических, строительных организаций, студентов высших учебных заведений строительных специальностей и имеет цель способствовать внедрению в строительство метода "стена в грунте" при возведении заглубленных сооружений и противофильтрационных диафрагм.

B.C. Колесников, В.В. Стрельникова, 1999

Издательство Волгоградского государственного университета, 1999

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время застройка городской площади и работы по реконструкции существующих объектов сориентированы на возведение высотных зданий и строительства заглубленных сооружений методом "стена в грунте" вместо традиционных способов — "открытый котлован" или "опускной колодец".

Способом "стена в грунте" называют разработку глубоких узких траншей под глинистым раствором с последующим заполнением их заглинизированным грунтом, грунтобетоном, монолитным бетоном или железобетоном.

Многообразие заглубленных сооружений позволяет широко использовать прогрессивный способ в промышленном, гражданском и гидротехническом строительстве: устройство заглубленных частей зданий и сооружений, подземные галереи; колодцы насосных станций; подземные резервуары и т.д.

Данный способ рекомендуется использовать для защиты от загрязнений грунтовых вод инфильтрационными водами из различного рода отстойников, шламохранилищ, иловых площадок; для предотвращения фильтрации в обход гидротехнических сооружений; защиты от подтоплений и заболачивания территорий и магистральных каналов, водохранилищ или инфильтрации.

Использование способа "стена в грунте" вместо традиционных методов выполнения работ при сооружении подземных помещений способствует снижению сметной стоимости до 25%, подпорных стен и ограждений — до 50%, противофильтрационных завес — до 65%.

Способ позволяет отказаться от дорогостоящих работ по водоотливу, водопонижению, замораживанию и цементированию грунтов, дает возможность экономить дефицитные материалы, металлический шпунт, снижает энергоемкость строительства, а в отдельных случаях является единственно возможным способом возведения подземного сооружения.

На базе метода "стена в грунте" создаются новые оригинальные конструктивно-технологические решения по строительству заглубленных сооружений. Среди объектов различного назначения, построенных по методу "стена в грунте", такие крупные сооружения, как насосная станция Криворожского Южного горнообогатительного комбината, корпус приема и первичного дробления руды Грушевской обогатительной фабрики Никополь-Марганцевского ГОК, противофильтрационные диафрагмы хвостохранилища рудного карьера Ингулецкого ГОК и др.

Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией этого метода остается образование узкой глубокой траншеи в грунтах на глубину до 50 м, шириной 0,5—1,2 м. Для этих целей используют траншеепроходческое оборудование, в основе работы которого — ударный, вибрационный, режущий и водовоздушный принципы разработки грунта в узкой траншее.

В пособии использованы материалы НИИСП Украины, ГПИ "Укрводоканалпроект", ГПИ "Приднепровский про- мстройпроект", проектной конторы Укрспецстройпроект гипроводстроя, а также строительных организаций Минтяжстроя, Минпромстроя, Минводхоза. Использован опыт других проектных организаций, разработки лаборатории заглубленных сооружений кафедры МАСП Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии.

ГЛАВА 1

МЕТОД "СТЕНА В ГРУНТЕ"

И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ.

1.1. Область применения

Метод "стена в грунте" предназначен для возведения заглубленных в грунт сооружений различного назначения. Сущность его заключается в том, что стены заглубленного сооружения возводят в узких и глубоких траншеях, вертикальные борта которых удерживаются от обрушения при помощи глинистой суспензии, создающей избыточное гидростатическое давление на грунт и выполняющей роль крепления траншеи.

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. Метод "стена в грунте" используется при возведении подземных частей и конструкций промышленных, энергетических и гражданских зданий, гидротехнических, транспортных, водопроводно-канализационных инженерных сооружений. В промышленном строительстве методом "стена в грунте" возводятся:

- для комплексов черной металлургии — туннели окалины, скиповые ямы доменных печей, подземные части бункерных эстакад и установок грануляции шлаков, подземные части установок непрерывной разливки стали, корпуса приема и первичного дробления руды, склады для хранения сыпучих материалов;

- для энергетики — вагоноопрокидыватели, транспортерные галереи, атомные реакторы, емкости для хранения отходов;

- для легкой и машиностроительной промышленности — рециркуляционные каналы прядильных фабрик, технологические подвальные помещения, коммуникационные туннели.

Широкое применение метод "стена в грунте" находит при возведении гидротехнических и водопроводно-канализационных сооружений, таких как водозаборы, водопроводные и канализационные насосные станции, емкостные сооружения и сооружения для очистки воды и стоков, противофильтрационные диафрагмы для защиты от утечки воды и стоков в окружающий грунт, а также противофильтрационные диафрагмы для защиты карьеров и котлованов от притока грунтовых вод.

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

- появляется 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 осадки и 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.

1.2. Заглубленные сооружения, возводимые но методу "стена в грунте"

Основными признаками для классификации заглубленных сооружений и их конструкций являются назначение сооружения, объемно-планировочное и конструктивное решение, примененные материалы.

По назначению заглубленные сооружения, возводимые методом "стена в грунте", можно классифицировать 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, не поддающихся очистке и загрязняющих поверхностные и подземные воды; каналы и дренажные коллекторы; противооползневые и многие другие подобные инженерные сооружения.

По конфигурации эти сооружения и конструкции разделяют на:

- линейные, состоящие только из одной протяженной стены (противофильтрационные диафрагмы, подпорные стены, ленточные фундаменты глубокого заложения и другие подобные сооружения);

- линейно-протяженные, имеющие две протяженные ограждающие стены, обычно параллельные друг другу (галереи, коллекторы для совмещенной прокладки инженерных сетей, туннели с вертикальными стенами и др.);

- сооружения колодезного типа с вертикальными стенами — круглые, прямоугольные и многоугольные в плане (подземные этажи зданий, подвалы, колодцы дробильных цехов горнообогатительных комбинатов, бункерные ямы, насосные станции и станции метро, колодезные опоры глубокого заложения и другие сооружения.

По отношению к водоупору стены в грунте подразделяются на совершенные, доведенные до водоупорного пласта (естественного или искусственного) и плотно врезанные в него, несовершенные (висячие), не доведенные до водоупорного пласта.

По материалу наиболее распространены:

- железобетонные несущие ограждающие стены сооружений, воспринимающие вертикальные и горизонтальные нагрузки;

- бетонные, воспринимающие вертикальные нагрузки, а также служащие одновременно противофильтрационными диафрагмами;

- глиногрунтовые, являющиеся противофильтрационными, которые выполняются из естественных или искусственных водоупорных глиногрунтовых материалов, а при их отсутствии — из суглинков в сочетании с синтетическими пленками.

По конструкции "стены в грунте" могут быть:

- буронабивные;

- монолитные бетонные, состоящие из отдельных плотно сопряженных между собой секций;

- монолитные железобетонные, состоящие из отдельных плотно сопряженных между собой секций с непрерывной горизонтальной арматурой, проходящей через стыки секций, или с горизонтальной арматурой, прерывающейся в стыках секций;

- сборные одноярусные — из панелей плоских, ребристых и коробчатых с вертикальными стыками между ними;

- сборные многоярусные — из панелей плоских, ребристых и коробчатых с вертикальными и горизонтальными стыками;

- сборные, состоящие из колонн с боковыми пазами;

- сборные из блоков с вертикальными пустотами-ячейками, омоноличенные армированным бетоном в вертикальных колодцах-пустотах;

- комбинированные многоярусные с ярусами из разных материалов: обычно нижний ярус из глиногрунтовых материалов или бетона (только противофильтрационный), а верхние ярусы, одновременно несущие и противофильтрационные, — из сборного или монолитного железобетона.

Конструктивные решения подземных сооружений представлены на рис. 1.1.

1.3. Способы возведения сооружений методом "стена в грунте"

Метод "стена в грунте" характеризуется как различными способами выполнения отдельных технологических процессов, так и общей последовательностью их осуществления. При строительстве стен в грунте в разных условиях выполняются следующие основные технологические процессы:

- бурение одиночных скважин насухо в устойчивых грунтах, а в неустойчивых — под глинистой суспензией или с применением обсадных труб с использованием соответственно шнековых, ударных или вращательных (лопастных и шарошечных долот) буровых станков;

- разработка коротких траншей под глинистой суспензией способом секущихся скважин;

- разработка горизонтальными слоями сверху вниз под глинистой суспензией коротких траншей отдельными захватками через одну грейферами или длинных траншей пионерным способом, то есть сразу на всю глубину с непрерывным наращиванием длины траншеи (обратной лопатой, драглайном, многоковшовым или штанговым экскаватором, а также бурофрезерными машинами);

- устройство монолитных стен в грунте отдельными секциями из твердеющих материалов (бетон, железобетон) или пионерной отсыпкой нетвердеющих материалов (глиногрунтовых, при необходимости в сочетании с пленками);

- устройство сборных железобетонных стен из плоских, ребристых, коробчатых панелей, иногда в сочетании с направляющими колоннами.

На основе этих процессов созданы следующие основные способы строительства стен в грунте:

- "секущихся свай", при котором буронабивная стена составляется из вертикальных свай, расположенных в одном створе при частичной врезке свай второй очереди в сваи первой очереди;

- монолитных стен в грунте путем строительства их отдельными секциями в траншеях из "секущихся скважин";

одноярусных "сборных стен в грунте" с рабочим стыком между стеновыми плоскими и ребристыми панелями и с нерабочими стыками;

- сборных многоярусных стен в грунте с рабочими вертикальными и горизонтальными стыками между стеновыми панелями;

- сборномонолитных стен в грунте из коробчатых стеновых панелей с рабочими их стыками и замоноличиванием вертикальных пустот-колодцев;

- комбинированных стен в грунте, сочетающих в себе верхние ярусы несущих стен при нижнем противофильтрационном ярусе;

- комбинированных стен заглубленных сооружений в водоносных пластах большой или неограниченной мощности с созданием на требуемой глубине в основании искусственного водоупора.

1.4. Эффективная область применения метода "стена в грунте"

Эффективность метода "стена в грунте" может проявляться двояко: когда метод "стена в грунте" является единственным технически возможным методом строительства и его нельзя заменить никаким другим методом, а также когда из нескольких технически возможных методов строительства заглубленного сооружения метод "стена в грунте" является наиболее эффективным по выбранному критерию сравнения. В первом случае область эффективности называют областью незаменимости метода "стена в грунте". Во втором — областью сравнительной экономической эффективности.

К области незаменимости метода "стена в грунте" относятся, в частности, следующие случаи:

- сооружение имеет в плане большие размеры и очень сложную конфигурацию, что исключает возможность успешного применения метода опускного колодца из-за большой вероятности его частых перекосов при опускании, а большая глубина заложения сооружения в водонасыщенных неустойчивых грунтах и сжатые сроки исключают возможность строительства его в открытом котловане;

- сооружение имеет разную ступенчато- или плавно меняющуюся глубину заложения стен по его периметру, что также исключает возможность его возведения методами опускного колодца и в открытом котловане;

- сооружение закладывается на значительную глубину в сильно проницаемых суффозионных и подверженных выпору грунтах в условиях отсутствия в его основании водоупорных пластов для сопряжения с ними противофильтрационных шпунтовых или ледопородных диафрагм;

- сооружение большого размера в плане и большой глубины строится в суровых климатических условиях при длительном периоде морозов, что практически исключает его возведение опускным методом из-за опасности примерзания конструкций к окружающему грунту, а возведение его в открытом котловане невозможно в требуемые сроки из-за сильных морозов;

- строительство сооружения производится в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений на стесненной площадке, когда опускной метод и строительство в открытом котловане исключаются из-за возникновения опасности нарушить устойчивость смежных сооружений (эти случаи наиболее часты в связи с реконструкцией и расширением промышленных предприятий и подземных объектов в городах);

- сооружение является незамкнутым, то есть линейным или линейно-протяженным (противофильтрационная диафрагма, подпорная стенка или галерея), осуществление которого методом опускного колодца вообще невозможно, а сооружение в открытом котловане также заведомо исключается из-за явной технической нецелесообразности (большие глубины заложения);

- сооружение представляет собой канализационный коллектор, который необходимо уложить в короткие сроки в неустойчивых водонасыщенных грунтах в глубокой траншее при отсутствии металлического шпунта.

Из приведенных примеров незаменимости метода "стена в грунте" видна особо важная роль, которую играет этот метод в техническом прогрессе строительства заглубленных сооружений.

Исследования показали, что метод "стена в грунте" при разных грунтовых условиях, разных размерах сооружений в плане и по глубине заложения имеет область применения более широкую, чем методы строительства в открытом котловане и опускного колодца (таблица 1.1).

Наряду с выяснением области незаменимости или сравнительной эффективности метода "стена в грунте" следует установить также и область неприменимости этого метода:

- крупнообломочные грунты с пустотами между отдельными камнями, не заполненными мелкозернистыми грунтами, в результате чего глинистая суспензия с большими скоростями проваливается в грунт и траншею создать не удается;

- карстовые грунты с пустотами, которые также могут служить путями для утечки глинистой суспензии, в результате чего ее горизонты в траншее не удается поддержать на нужном уровне, что приводит к быстрому обрушению стенок траншеи;

- текучие илы, особенно когда они залегают у поверхности земли;

- насыпные грунты на территории современных и древних свалок, имеющие включения твердых, в частности металлических предметов, таких как рельсы и балки, а также пересекающие трассу траншеи, подземные сооружения и инженерные сети, перенос которых невозможен;

- твердые включения, в частности валуны, если их размеры превышают 150—200 мм.

Преимущества метода "стена в грунте" настолько велики, что поиски путей преодоления приведенных выше ограничительных факторов ведутся очень интенсивно.