Ограждения котлованов

Ограждения котлованов

Строительство городских подземных сооружений в открытых котлованах предусматривает возведение подземных конструк­ций в предварительно вскрытом котловане с обратной засыпкой его грунтом и восстановлением инженерного благоустройства территории.

Форма, размеры и глубина котлована зависят от формы и га­баритов строящегося объекта, особенности существyющей заст­ройки и инженерно-геологических условий района строительства. В зависимости от перечисленных условий котлованы могут быть (рис. 1.1):

• с естественными откосами — применяются в устойчивых необводненных грунтов при наличия достаточно свободной тер­ритории и oргaнизованном отводе поверхностных вод;

• с вертикальными откосами применяются при строитель­стве подземных сооружений вблизи существующих зданий в условиях плотной городской застройки;

• с комбинированными откосами — применяются при суще­ственной неоднородности грунтов по глубине котлована и для частичного разгружения откоса.

В городских условиях, в зависимости от глубины, инженер­но-геологических условий и обводненности грунтов, использу­ются различные конструктивные способы закрепления стен кот­лованов. С этой целью применяют:

• распорные крепления;

• подкосные крепления;

• забивные металлические сваи:

• шпунт;

• буронабивные сваи;

• железобетонные сваи-стойки, опущенные в предварительно пробуренные скважины;

• грунтовые анкеры.

Распорные крепления (распорки) применяют при ширине котлованов и траншей, не превышающей 15 м. По глубине котлована распорки могут устанавливаться в один, два или несколько рядов (рис. 1.2). Распорные крепления обыкновенно применяют совместно с щитовыми или наличными ограждениями.

Рис. 1.1. Схемы конструкции котлованов: a — с естественными откоса­ми; б — с вертикальными откосами; в, г с комбинированными откосами: 1 - откос; 2 - подземное сооружение; 3- ограждение котлована

Щитовые ограждения представляют собой инвентарные щиты, выполненные из досок, водостойкой фанеры или металла, удерживающие стены траншеи или котлована от обрушения при помощи распорок. Могут использоваться в грунтах, способных хотя бы непродолжительное время (на период установки крепле­ния) держать вертикальный откос.

Балочные ограждения используются в связных грунтах и состоят из двутавров или спаренных швеллеров № 40-60, заби­ваемых на расстоянии не более 3 м друг от друга. Принцип рабо­ты балочного ограждения заключается в том, что в связных грун­тах между вертикальными балками образуются горизонтальные своды, передающие на эти балки давление грунта.

Подкосные крепления (подкосы) применяются для крепле­ния ограждений стен широких котлованов. Способ применяется при невозможности устройства грунтовых анкеров, а также для снижения стоимости строительства. По высоте подкосы могут устанавливаться в одни или два ряда (рис. 1.3). Главным недостатком этого способа является сложность производства земля­ных работ вблизи подкосных креплений.

Рис. 1.2. Балочное ограждение с распорным креплением: 1— упорные коротыши из шнеллеров: 2 — стойка на двутаврах: 3 - забирка.

* Балочные ограждения еще могут называться «способом Сименса» или «ограждением Метростроя».

Забивные металлические сваи применяют для крепления вертикальных стен котлованов и траншей. В качестве свай чаще всего используются стальные двутавры № 30-60 или трубы Ø 150—400 мм. Сваи погружают в один или два ряда в шахмат­ном порядке на расстоянии 0,5—1.5 м одна от другой с заглубле-нием ниже дна котлована. Пространство между сваями может ос­таваться свободным (по аналогии с балочным ограждением) либо крепится с помощью стального листа, деревянных досок, железобетонных плит или покрытия из набрызгбетона. После­днее применяется только в связных грунтах. При глубине котло­вана более 3-4 м для придания устойчивости всей конструкции сваи дополнительно распирают одним или двумя рядами расстрелов.

Рис. 1.3. Подкосное крепление стен котлована: 1-подкосы из металли­ческих труб; 2 — пионерная плита; 3 - ограждение; 4 — стена существу­ющего дома.

Расстояние между расстрелами по горизонтали обычно составляет 3,5—4,5 м. В том случае, если ширина котлована пре­вышает 20 м, могут примениться промежуточные ряды свай, раскрепляемых распорной крепью.

Для погружения металлических свай используют:

• вибромолоты и вибропогружатели;

• дизель-молоты;

• пневмопробойники.

К вибромолотам относят молоты ударно-вибрационного действия, в которых вертикально направленные колебания, создава­емые внбровозбудителем и передаваемые погружаемой свае, со­четаются с периодическими ударами по ней. В качестве привода вибровозбудителя используются двигатели электрические и внутреннего сгорания.

Вибропогружатели по форме возбуждаемых колебании под­разделяют на машины продольного и продольно-вращательного действия. По рабочей частоте колебаний эти машины могут быть: высокочастотные (700-1500 кол/мин) и низкочастотные (300-500 кол/мин). При погружении стального шпунта и метал­лических труб наиболее часто используется отечественный высо­кочастотный вибропогружатель ВПП-2А, предназначенный для погружения стального шпунта и труб весом до 1,5 т в водонасыщенные песчаные грунты на глубину до 12—15 м и в слабые пла­стичные глинистые грунты на глубины до 10 м. Вибропогружа­тель может использоваться как для погружения, так и для выдер­гивания шпунта и свай {рис. 1.4). Кроме этого для извлечения свай и шпунта используются свае- и шпунтовыдергиватели.

Конструкция пневмопробойника (рис. 1.5) включает в себя: корпус, ударный механизм, приводимый в действие сжатым воз­духом от компрессора, воздухораспределительный патрубок. При работе ударник, установленный внутри корпуса, под дей­ствием сжатого воздуха совершает возвратно-поступательное движение и наносит удары изнутри по передней части корпуса. Под действием этих ударов корпус перемещается вперед. Пере­мещение внутри пневмопробойника воздухораспределительного патрубка из переднего положения (соответствующего прямому ходу) в заднее (соответствующее обратному движению) обеспечивает перемещение пневмопробойника в обратном направле­нии. Производительность пневмопробойника зависит от физико-механических свойств грунта, диаметра забиваемой трубы или пробиваемой скважины, энергии единичного удара, частоты уда­ров и других параметров.

Рис. 1.4. Погружение шпунта типа «Ларсен» вибропогружателем.

Рис. 1.5. Схема пневмопробойника: 1- корпус;2 - наковальня;3 - боек; 4 — патрубок; 5 - амортизатор; 6 - задняя гайка; 7 - клапан; 8 — воздухоподводящий шланг, 9 – гайка.

При сезонном промерзании грунтов на глубину более 1 м пе­ред забивкой свай может производиться бурение лидерных сква­жин на глубину промерзания.

В тех случаях, когда при погружении свай необходимо взбе­жать шума и вибрации, сопровождающих обычную забивку свай, используют их установку в заранее пробуренные скважины, зак­репляя в донной части (до уровня дна котлована) бетоном. Сво­бодное пространство между стенками скважины и сваей насыпа­ют песком.

Другой способ погружения свай с минимальной вибрацион­ной нагрузкой на грунты основания и окружающие здания и со­оружения заключается в установке свай в предварительно пробу­ренные скважины, недобуренные примерно на 1/3 – ¼ проектной глубины, Далее сваи добиваются или додавливаются. Для обес­печения максимально возможного сцепления сваи с грунтом по ее боковой поверхности, непосредственно перед погружением сван, скважина заполняется цементно-песчаным раствором.

Металлический шпунт представляет собой прокатный метал­лический профиль длиной 12 или 25 м и шириной до 0,5 м. Суще­ствуют 4 стандартных профиля металлического шпунта (рис. 1.6):

Рис. 1.6. Профили металлического шпунта: а — плоский; 6 - корытный; в — корытный типа «Ларсен»; Z-образный.

• плоский;

• корытный:

• типа «Ларсен»;

• Z-образный.

Шпунт погружают забивкой, вдавливанием или вибропогружением. (см. рис. 1.4). Для создания правильного направления забивки низ шпунта срезают под острым углом к соседний, уже забитой шпунтине. В начале забивки удары производят с неболь­шой высоты подъема молота, перенося центр удара ближе к замку. С целью снижения водопритока при наличии водоупора вблизи дна котлована, шпунт стараются заглубить в водоупор. Необходимо учитывать, что применение вибропогружения может приводить к осадкам и деформациям зданий и сооружений, расположенных в непосредственной близости от места ведения строительных работ.

Для снижения вибрационного воздействия на конструкции зда­ний, непосредственно примыкающих к ограждению котлована, мо­жет использоваться завинчивание металлических труб (рис. 1.7).

В последние годы для погружения шпунта и металлических труб в непосредственной близости от существующих зданий ши­роко используется способ вдавливания. Наиболее существенны­ми преимуществами этого способа являются:

• отсутствие динамических и вибрационных воздействий на грунты основания и конструкции прилегающих зданий, что исключает неравномерные осадки, трещины, разрушение и т.п. явления;

• высокая точность погружения;

• снижение удельных энергозатрат на погонный метр огражде­ния котлована.

Все машины для вдавливания свай и шпунта по способу со­здаваемого усилия подразделяются на три категории:

• машины, усилие вдавливания в которых создается за счет собственного веса;

• машины, усилие вдавливание в которых создается за счет дополнительного пригруза;

• машины, усилие вдавливания в которых создастся за счет пе­редачи реактивного усилия на монолитную массивную желе­зобетонную плиту или ростверк, предварительно заанкеренный в грунт основания.

К первой категории относятся установки: АВС-35 массой 40.4 т, вдавливающая установка на базе экскаватора Э-754 массой 45 т. сваевдавливающая установка УСВ-120 на базе экскаватора ЭО-6l 22, масса экскаватора составляет 56,3 т, масса навесного оборудования - 43 т и т.п. Ко второй категории можно отнести установку с пригрузом конструкции треста № 101 Главленин-

Рис. 1 7. Навесное оборудование на экскаватор для завинчивания свай.

На первом этапе производятся работы по устройству моно­литной железобетонной плиты или ростверка, который предназ­начен для восприятия реактивного усилия при погружении свай. В местах расположении свай, в плите или ростверке, оставляют отверстия и анкерные болты, к которым, после набора бетоном прочности, будет крепиться установка для задавливания свай. С этой целью, в основном, применяются металлические трубы.

Трубы погружаются в грунт секциями, которые соединяются между собой при помощи сварки. Задавливание секций производится до проектной глубины или до момента фиксации на мано­метре установки давления, превышающего в 1,2 раза расчетную несущую способность сваи. В случае значительного расхождения между расчетной и фактической длиной сваи решение о возмож­ности и целесообразности дальнейшего погружения принимает­ся представителями авторского надзора с учетом конкретных геологических условий и сопутствующих факторов. После дости­жения расчетной глубины погружения полость трубы армирует­ся одиночным стержнем или пространственным каркасом, и на­чинается процесс бетонирования. При этом обсадная труба оста­ется в грунте (трубобетонная свая) или извлекается по мере за­полнения полости бетонам (набивная железобетонная свая). Бе­тонирование ведется непрерывно, вплоть до заполнения техноло­гического отверстия ростверка, через которое производилось на­давливание обсадной трубы.

Как видно из описанной технологии, установки третьей груп­пы могут использоваться как для устройства ограждений котло­ванов, так и свайных фундаментов строящихся или реконструи­руемых зданий.

Грунтовые анкеры (анкерные устройства) — это устройства, предназначенные для перераспределения усилий в ограждающих конструкциях на удаленные или глубоко расположенные слои грунта (рис. 1.8). Применение анкеров в подпорных и ограждаю­щих стенах позволяет отказаться от распорных поясов, тем самым значительно облегчая последующую разработку котлованов.

В основе принципа работы грунтовых анкеров находится ис­пользование несущей способности грунта воспринимать создава­емые им же нагрузки на ограждающие конструкции. Для этого замковая часть анкера должна располагаться за пределами воз­можной призмы обрушения.

По сроку службы анкеры подразделяют на постоянные и вре­менные. Постоянные анкеры входят в состав ограждающей кон­струкции стен котлована и обеспечивают ее работу на весь пери­од эксплуатация. Временные анкеры выполняют роль временно­го ограждения котлована на период строительства.

Рис. 1.8. Схемы анкерного крепления стен котлована; а- анкер, распо­ложенный под углом к горизонтали; б - горизонтальный анкер: 1 - сваи; 2 - пояса; 3 - котлован; 4 - контур подземного сооружения; 5 - анке­ры; 6 - призма обрушения; 7 - железобетонный упор.

По схеме взаимодействия с грунтом анкеры подразделяют на следующие группы:

• наземные (гравитационные), располагающиеся на поверхности грунта: смещению анкеров препятствуют силы трения между грунтом и конструкцией анкеров;

- заглубленные, находящиеся в массиве грунта; перемещению элементов анкера препятствует сопротивление грунта. Заглубленные анкеры могут быть изготовлены с предвари­тельным натяжением или без него.

По основным принципиальным схемам грунтовые анкеры могут быть (рис. 1.9):

• с теряемым башмаком;

• с опорной трубой;

• с инъекционной трубкой;

• с манжетной трубой при внутреннем расположении тяги;

• с манжетной трубой при внешнем расположении тяги.

Рис. 1.9. Принципиальные схемы грунтовых анкеров: а — анкер с теряе­мым башмаком; 6 — анкер с опорной трубой: в - анкер с инъекционной трубкой; г - анкер с манжетной трубой при внутреннем расположении тяги: д — анкер с манжетной трубой при наружном расположении тяги: 1 — теряемый башмак: 2 — заделка: 3- тяга; 4- изолирующая оболочка; 5 - оголовок; 6 — замок; 7 - инъекционная трубка: 8 - обойма; 9— фик­сатор; 10 — манжетная труба; 11 — пакер.

Конструктивно грунтовые анкеры состоят из оголовка, заделки и анкерной тяги.

Оголовок - опорная часть анкера, обеспечивающая натяже­ние и закрепление анкерной тяги и передачу усилий на огражда­ющую конструкцию.

Заделка — рабочая фиксирующая часть анкера, предназначенная для передачи выдергивающего усилия от ограждающей кон­струкции на окружающий грунтовый массив.

Анкерная тяга — напрягаемая часть анкера, предназначенная для передачи выдергивающего усилия от ограждающей конст­рукции на заделку анкера, обычно выполняемая из:

- стальной трубы;

• отдельного стержня;

• пучка отдельных стержней:

• проволочных прядей.

Технология устройства анкеров состоит из следующих про­цессов: проходки скважины, установки анкера, цементации зоны заделки, натяжения и закрепления анкера.

На рис. 1.10 показана последовательность устройства грунто­вого анкера с теряемым башмаком. Она включает:

• проходку скважины с забивкой обсадных труб с башмаком;

• установку внутри обсадных труб тяги с изолирующей оболочкой;

Рис. 1.10. Технология устройства анкера с теряемым башмаком: а — бу­рение скважины; б — погружение анкера; в — нагнетание цементного ра­створа в скважину; г — натяжение анкера и его закрепление на конструк­ции

• высаживание теряемого башмака в грунт;

• нагнетание в скважину цементного раствора с параллельным извлечением обсадных труб:

• натяжение и закрепление анкера на оголовке (производится после набора цементным раствором проектной прочности) (рис. 1.11).

Анкеры располагают и один или несколько ярусов по высоте {рис. 1.12). Угол наклона анкеров к горизонту α не превышает 25—30º. При больших значениях угла наклона снижается гори­зонтальная составляющая удерживающего усилия.

В некоторых случаях возможно устройство горизонтальных анкерных оттяжек (см. рис. 1.8.6), помещаемых в траншеях и зак­репляемых на специальных сваях или железобетонных массивах, которые располагают за пределами возможной призмы обруше­нии.

Грунтовые анкеры имеют следующие преимущества перед другими способами крепления стен котлована: они не занимают рабочее пространство в котловане, т.е. не мешают при разработке грунта и устройстве конструкций, и имеют гораздо меньшую ма­териалоемкость.

Рис. 1.11. Предварительное натяжение прядевого анкера гидравличес­ким домкратом при сооружении ограждения котлована Лефортовского тоннеля. Проектное усилие 40 тс, испытательная нагрузка до 80 тс.

В том случае, когда реконструируемое сооружение распола­гается в непосредственной близости от существующие зданий и сооружений, перед началом земляных работ необходимо закре­пить фундаменты здании. Для этого проводят специальные мероприятия.

Рис. 1.12. Ограждение котлована из буросекущихся свай, укрепленное грунтовыми анкерами.

Рис. 1.13. Усиление фундаментов и ограждение котлована: 1 - уровень дневной поверхности; 2 - уровень пола 1-го этажа; 3 - сваи усиления, Ø159 мм. длиной 15 м; 4 -подкосные крепления, труба Ø 325 мм; 5 — пионерная плита; 6 - отметка дна котлована. 7 - ограждение котлована из метал­лических груб Ø- 159 мм, длиной 14 м с деревянной забиркой.

Рис. 1.14. Погружение вплотную к существующему зданию трубы Ø 159 мм сваевдавливающей машиной ГСЗМ-80

Рис. 1.15. Погружение в предварительно пробуренную скважину метал­лической трубы пневмопробойником СО-166.

Рис. 1.16. Фрагмент ограждения котлована строящегося общественно-жилого комплекса в Филипповском переулке в Москве

Устройство шпунтовых ограждений в виде металлических труб и погружение трубобетонных свай в непос­редственной близости от существующих зданий и сооружений возможно только при наличии соответствующего расчетного обоснования и организации системы регулярных высокоточных геодезических наблюдений (мониторинга), позволяющей опера­тивно менять принятые конструктивные решения и технологи­ческие схемы производства работ. Для минимизации воздей­ствия строительства подземного сооружения на окружающие здания необходимо использовать щадящие технологии устрой­ства шпунтовых ограждений с помощью малогабаритных буро­вых станков (Ø бурения до 200 мм), домкратов и пневмопробойников. Надавливание шпунтового ограждения в условиях залега­ния техногенных грунтов и других грунтов с твердыми включе­ниями необходимо предварять бурением лидерных скважин.