Стена в грунте

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 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 фильтраций в обход гидротехнических сооружений; защиты от подтоплений и заболачивания территорий и магистральных каналов, водохранилищ или инфильтрации.

1. Область применения

Способ «стена в грунте» используют при возведении подземных частей промышленных, энергетических и гражданских зданий, гидротехнических, транспортных и коммунальных инженерных сооружений. Такой способ дает возможность устраивать фундаменты и подземные сооружения практически любой глубины (4—50 м и более). Обычно глубина конструкций ограничивается возможностями применяемой землеройной машины. Ширина траншеи может быть 0,2—1,2 м, что также ограничивается имеющимися в строительстве механизмами.

Конфигурация в плане возводимых стен в грунте может быть различной в зависимости от конструкции сооружения и его назначения— прямолинейной, криволинейной и ломаного очертания.

Значительным преимуществом способа «стена в грунте» является возможность совмещения работ по устройству фундаментов и подвалов, что позволяет исключить переброски больших масс грунта. Кроме того, обеспечивается надежность работы полов, а отсутствие котлованов значительно упрощает организацию работ нулевого цикла.

Методом «стена в грунте» можно устраивать подземные помещения внутри существующих зданий при их реконструкции в непосредственной близости к фундаментам. Он позволит значительно сократить объем земляных работ по сравнению с открытым способом, освобождает от необходимости водопонижения.

Применение способа «стена в грунте» может быть ограничено: наличием грунтов с кавернами и пустотами, илов и рыхлых насыпных грунтов, включением обломков строительных конструкций и материалов и других препятствий.

В отечественной практике применяют два типа стен, возводимых способом «стена в грунте»: свайные — образуемые из сплошного ряда буро-набивных свай, и траншейные — образуемые сплошной стеной из монолитного или сборного железобетона.

2. Заглубленные сооружения, возводимые по 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; противо-фильтрационные 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.

3. 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 ступенчатоили 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

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.

4. Типовые конструкции стен

— Использование траншейных стен в грунте позволяет, изменяя расположение отдельных захваток, возводить различные сооружения прямолинейного, криволинейного, ломаного или замкнутого очертания.

Рис. 1 Принципиальные конструктивные решения стыков монолитной стены в грунте

— Стены в грунте, используемые в качестве подпорных, могут быть свободностоящими (консольного типа), а также подкрепленными распорными конструкциями или грунтовыми анкерами. Высота консольной части стены не должна, как правило, превышать 6−8 м.

— Для объектов метрополитена, транспортных тоннелей и других заглубленных сооружений, когда стены в грунте используются как несущие, целесообразно взамен временных анкеров или расстрелов использовать на стадии строительства для обеспечения устойчивости стен элементы сборных или монолитных постоянных сводов, балочных перекрытий с разработкой грунта в котловане полузакрытым способом.

Стены из монолитного железобетона

— Траншейные стены в грунте предусматриваются, как правило, с вертикальным членением на отдельные секции, бетонируемые в захватках траншеи последовательно или через одну. Объем секции, как правило, не более 60 … 80 м³.

— Для обеспечения совместной работы секций должны быть предусмотрены соответствующие конструктивные решения их стыков и монолитная обвязка по верху стены с непрерывным горизонтальным армированием. Конструкция и технология устройства стыков секций устанавливаются проектом в зависимости от назначения и конструктивных особенностей стен (рис. 1). Нерабочие (конструктивные) стыки должны противодействовать взаимному сдвигу секций в поперечном направлении и выполняются без перепуска и соединения арматуры смежных захваток.

Конструкция рабочего стыка должна обеспечить восприятие растягивающих усилий и совместную работу секций стены для чего необходимо предусмотреть соединение рабочей арматуры соседних секций.

— Конструкция и технология устройства стыков отдельных секций должна соответствовать требованиям по водонепроницаемости стен в целом. Для обеспечения водонепроницаемости стыков возможны следующие типовые решения:

Рис. 2. Конструкция арматурных каркасов: 1 — рабочая арматура; 2 — направляющие; 3 — места установки бетонолитных труб

Рис. 3. Арматурные каркасы стен в грунте: 1 — неизвлекаемые ограничители; 2 — стержневой каркас; 3 — лист металлической изоляции

— В бетоне конструкций стен в грунте не допускаются непробетонированные места, включения грунта и глинистого раствора, уменьшение толщины защитного слоя и обнажение арматуры, холодные швы, а также трещины, за исключением поверхностных усадочных.

— Армирование монолитных стен выполняют пространственными каркасами (рис. 3) длиной на 200 … 300 мм менее глубины траншеи, шириной на 100 … 150 мм менее длины захватки, толщиной на 60 … 150 мм менее ширины траншеи. Толщина защитного слоя бетона для рабочей арматуры стен при отсутствии грунтовых вод должна быть не менее диаметра рабочей арматуры и не менее 30 мм. Для постоянных конструкций, работающих в агрессивных средах, толщина защитного слоя бетона и толщина каркаса, должны назначаться с учетом требований СНиП 2.03.11−85.

— При глубине траншеи более 10 — 12 м каркас может состоять из отдельных блоков стыкуемых по высоте при опускании в траншею. Стык арматурных блоков должен устраиваться сваркой выпусков продольной арматуры с обеспечением равнопрочности. Длину блоков следует назначать, избегая размещения стыков в зонах максимальных расчетных усилий. Число типоразмеров арматурных каркасов и составляющих их блоков должно быть минимально возможным.

— Каркасы должны обладать достаточной жесткостью, исключающей возможные деформации при их транспортировке и подъеме в вертикальное положение. Жесткость каркаса достигается введением в его состав диагональных поперечных связей или прокатных профилей.

— При использовании стен в качестве несущих в водонасыщенных грунтах, в тех случаях когда это обосновано технико-экономическим расчетом, допускается облицовка внутренней стороны каркаса металлическими листами толщиной 6 … 10 мм по ГОСТ 19 903–74, служащими для гидроизоляции сооружения. Металлическую изоляцию допускается учитывать при расчете конструкции в качестве листовой арматуры при жестком соединении с армокаркасом и заанкеривании в бетон. Для обеспечения сплошности такой изоляции стыки листов соседних каркасов по мере разработки грунта со стороны котлована следует соединять между собой на сварке или посредством накладок.

Рис. 4. Конструкция панелей для сборных стен в грунте: а) плоская стеновая панель; б) многопустотная стеновая панель; в) ребристые стеновые панели и блоки из них.

1 — выпуски арматуры; 2 — монтажные петли; 3 — закладные детали.

заглубленный подземный стена чернобыльский

Рис. 5. Типы сечений несущих элементов (стоек) для сборных стен в грунте: а) тавровое сечение; б) прямоугольное (коробчатое) сечение, в) двутавровое сечение

Рис. 6. Примеры конструкций сборных стен: 1 — несущая панель; 2 — несущая стойка; 3 — промежуточная панель; 4 — твердеющий тампомажный раствор

Стены из сборного железобетона

— Стены в грунте, как несущие, так и ограждающие, могут сооружаться из сборных железобетонных элементов заводской готовности, представляющих собой плоские, многопустотные или ребристые панели (рис. 4), а также стойки таврового, двутаврового, прямоугольного сплошного сечения (рис. 5). Возможны другие конструкции сборных стен, отличающиеся типом панелей или стоек, способами их соединения и закрепления в траншее. Некоторые типовые конструкции сборных стен приведены на рис. 6.

— Разбивку стен на сборные элементы осуществляют в соответствии с конструктивной схемой сооружения. Габаритные размеры сборных элементов назначаются проектом в зависимости от глубины стен, ширины траншеи, результатов расчета на стадиях изготовления, транспортирования, монтажа и эксплуатации и от принятой технологии работ. Следует учитывать грузоподъемность имеющихся монтажных кранов и транспортных средств.

— Для сокращения общей длины стыков стеновые панели следует принимать максимально возможной ширины, как правило, в пределах 1000 … 3500 мм.

Толщина стенового элемента должна обеспечивать зазор со стенкой траншеи не менее 6 … 100 см в зависимости от формы поперечного сечения и технологии работ.

Длину стеновых элементов следует назначать, как правило, не более 15 … 18 м. При устройстве сборных стен большой глубины стеновые элементы выполняют составными по длине.

Рис. 7. Принципиальная схема сборно-монолитной стены: 1 — стеновой блок; 2 — металлическая изоляция; 3 — бетонное заполнение; 4 — отметка верха стены; 5 — отметка дна котлована; 6 — отметка низа стены; 7 — контур траншеи

Рис. 8. Сборно-монолитная конструкция стены в грунте: 1 — железобетонная панель; 2 — тампонажный раствор; 3 — монолитная часть из пластичного бетона; 4 — водоупор

Сборно-монолитные стены

— Конструкция сборно-монолитных железобетонных стен состоит из несущих стеновых элементов, устанавливаемых в траншее с определенными интервалами, и монолитного заполнения между ними из бетона или цементно-песчаного раствора, армированного в случае необходимости облегченными каркасами (рис. 7).

— При глубоком расположении водоупорного слоя грунта допускается устройство стен смешанной конструкции, состоящих в верхней части из несущих сборных элементов, образующих стены подземного сооружения, а в нижней части (до расположения водоупорного слоя грунта) монолитных (рис. 8). Сборные элементы должны быть заглублены в бетонную, монолитную часть сооружения не менее чем на 0,5 … 1 м. Монолитную нижнюю часть стены, выполняющую роль противофильтрационной завесы и основания сборных элементов, устраивают, как правило, из тощего бетона класса прочности на сжатие не выше В15 с добавками бентонитовых глин.

При проектировании и возведении сборно-монолитных стен в грунте с листовой арматурой следует учитывать Рекомендации по проектированию и возведению сборно-монолитных стен в грунте с листовой арматурой.

5. Устройство стены в грунте вокруг Чернобыльской АЭС

Описание техники использовавшейся на ликвидации последствий аварии на ЧАЭС для работ по защите вод реки Припять от вторичного радиоактивного загрязнения. Необходимость создания «стены в грунте»

Создание защитного барьера, который предотвратил миграцию радионуклидов в реку Припять с подземными водами, стало актуальным сразу после анализа радиационной обстановки в районе разрушенного реактора ЧАЭС. Ученые опасались, что при возможном загрязнении грунтовых вод промплощадки Чернобыльской АЭС, куда выпала большая часть радионуклидов из разрушенного реактора, радиоактивные вещества могут беспрепятственно поступать в ближайшую водную артерию — реку Припять. Поскольку река Припять впадает в Киевское водохранилище, ее экологическое состояние может оказывать существенную роль в водоснабжении не только Киевского региона, но и центральной части Украины. Вследствие этого, защита реки от радиоактивных веществ в острый период ликвидации аварии, была крайне острой и жизненно необходимой. Стоит отметить, что решение этой проблемы требовала проведения целого комплекса мероприятий не только на промплощадке ЧАЭС, но и в пойменной части р. Припять практически по всей территории зоны отчуждения. Эти работы также были реализованы. Были построены специальные защитные дамбы, закрыт сток из мелиоративных систем находящихся в зоне отчуждения. Но вернемся к «стене в грунте». Данное сооружение называется противофильтровальная стена. Согласно проекту общая протяженность такого гидротехнического сооружения должна была составлять около 8,5 км. Проектная глубина возводимого защитного экрана, который сооружался из железобетона, составляла 30 метров (Барьяхтар В.Г.). Фактически была выполнена третья часть планируемых работ. Было создано 2,8 км защитного экрана вокруг восточной части промышленной площадки ЧАЭС (смотри рисунок). Эти работы были выполнены за четыре месяца. Через 10 месяцев после аварии защитный экран был создан.

Схема устройства защитной стены в грунтах возле Чернобыльской АЭС Место устройства биостенки выделенно оранжевым цветом (фото промлощадки ЧАЭС из Google Map).

Для реализации этой задачи были объединены усилия инженеров бывшего СССР и компании Casagrande. Перед началом работ были проведены исследования, которые заключались в определении типов и количества оборудования, расположении и планировании стройплощадки, определение методики работы и решение проблем материально-технического обеспечения персонала, который работал в крайне неблагоприятных радиационных условиях. По данным* фирмы Casagrande разработка была предназначена для создания пластичного фундамента «стена в грунте» толщиной 1000 мм и площадью 360 000 м², который должен был начинаться от уровня земли и проходить через различные слои песка и песчаной глины, чтобы производить обсадку скважины на глубине от 85** м до более чем 100 м. Общая длина стены фундамента составляла приблизительно 4000** м. Принципиальным требованием проекта было сооружение непроницаемого барьера в максимально короткий срок, экскавация должна была выполняться при помощи комбинации грейферов KRC 2 и гидравлических фрезеров K3L, спаренных для эффективной работы с агрегатами для обработки бурового раствора, мощностью 600 м³/ч каждый.

Примечания

* - данные из информационных материалов, буклетов Casagrande.

** - по данным других источников глубина стены в грунте составляет 30 метров, а протяженность стены 2,8 км.

Описание технологии стена в грунте

Метод устройства «стены в грунте» грейферным способом заключается в том, что стены сооружения возводят в узких и глубоких (до 60 м) траншеях, заполняемых при выемке грунта бентонитовым раствором, который создает избыточное гидростатическое давление на вертикальные стенки траншеи, благодаря чему они остаются ровными. Затем траншею заполняют заглинизированным грунтом, грунтобетоном монолитным бетоном или железобетоном. Вероятней всего, при создании противофильтровальной стенки вокруг ЧАЭС, подготовленные траншеи заполняли железобетоном (!) на глубину 100(!) метров. 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.

Описанная технология сегодня максимально востребована в условиях реконструкции исторических центров городов при плотной застройке, вблизи от существующих зданий, так как для ее применения не используются открытые котлованы, а значит, экономится площадь стройплощадки. Кроме того, стройка безопасна для расположенных рядом зданий и сооружений. Это объясняет причину применения именно этой технологии на промплощадке Чернобыльской АЭС в 1986;1987 годах. Защитная стенка в грунте проходит возле интенсивно использующихся дорог, и, главное, в непосредственной близости возле подводящего и отводящего каналов ЧАЭС.

Схема устройства и работы гидрофрезы

1. Буровая головка

2. Циркуляционный насос

3. Корпус гидрофрезы

4. Кран

5. Гидросиловая установка (300 кВт)

6. Шланг отвода бурового раствора с обломками породы на установку регенерации бурового раствора с грохочением для удаления из него песка

7. Домкрат, регулирующий нагрузку на буровую головку

8. Секция траншеи, постоянно заполненная раствором на бентонитовой основе

9. Гидравлические шланги

Заключение

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 водоотводу, 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.

Наиболее трудоемкой и дорогостоящей операцией этого метода остается образование узкой глубокой траншеи в грунтах на глубину до 50−60 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.

1. Возведение подземных сооружений методом «стена в грунте». Технология и средства механизации. Учебное пособие. Колесников В. С. ВолГУ, 1999.

2. Основания, фундаменты и подземные сооружения. Справочник проектировщика. М., Стройиздат, 1985.

3. Рекомендации по проектированию и возведению сборно-монолитных «стен в грунте» с листовой арматурой. М., МАДИ, ИИЦ «ЗЭСТ», 1998.

4. Руководство по проектированию стен сооружений и противофильтрационных завес, устраиваемых способом «стена в грунте». М., Стройиздат, 1977.