Особенности строительства высотных зданий в г. Санкт-Петербург

Содержание
Введение 3
Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге 4
1.1 Планирование высотной застройки в Санкт-Петербурге 4
1.2 Инженерно-геологические условия и их сложность 5
Технология и безопасность проведения работ нулевого цикла 8
2.1 Возведение высотных зданий на территориях распространения слабых грунтов 8
2.2 Безопасность эксплуатации высотных зданий и инженерно-геологическая информация 12
Расчет длительной устойчивости здания 14
3. Технологические решения при устройстве глубоких котлованов в зависимости от сложности инженерно-геологических условий 16
3.1 Сложности инженерно-технологических условий 16
3.2 Объекты городского подземного строительства 17
3.3 Гидрогеологические условия и их влияние на окружающую застройку 19
3.4 Безопасное возведение глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки 20
Заключение 29
Литература 30

Введение
Стратегия интенсивного развития мегаполисов предполагает необходимость возведения высотных зданий при обязательном использовании подземного пространства. Сложность инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга при отсутствии опыта проектирования и строительства тяжелых зданий требует выделения территорий, перспективных и экономически оправданных для возведения таких сооружений.
В мировой практике тяжелые высотные здания чаще всего возводятся на скальных породах, которые в Санкт-Петербурге залегают на глубинах 180-250 м, что предопределяет необходимость использования в качестве основания вышезалегающие глинистые отложения верхнего венда и нижнего кембрия. В инженерно-геологической практике эти отложения не рассматривались в качестве основания высотных сооружений.
Цель работы. Инженерно-геологическое обоснование безопасности строительства и эксплуатации высотных зданий в условиях освоения и использования подземного пространства на территориях выделенных доминантных кластеров.
Жуковой А.М совместно с Дашко Р.Э. в 2006 г – 2011 г проводились исследования по изучению структурно-тектонических условий территорий доминантных кластеров для анализа специфики зонального строения и дезинтегрированности коренных глинистых пород осадочного чехла как основания высотных зданий, а также исследования влияния гидродинамического и гидрохимического режимов высоконапорных водоносных горизонтов на условия строительства и эксплуатации высотных зданий. Проводилась оценка возможности развития негативных инженерно-геологических процессов при ведении работ нулевого цикла, в том числе устройстве глубоких котлованов, а также изучалось создание инженерно-геологических моделей взаимодействия высотных зданий с глинистыми породами основания с учетом особенностей их макро- и микро-строения. Данными исследователями была проведена разработка рекомендаций по оценке особенностей инженерно-геологических условий строительства и эксплуатации высотных зданий в Санкт-Петербурге для совершенствования нормативной базы проведения изысканий и проектирования уникальных сооружений.
Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге
1.1 Планирование высотной застройки в Санкт-Петербурге
Сложность инженерно-геологических условий возведения тяжелых высотных зданий в Санкт-Петербурге определяется положением подземного контура кровли коренных пород, степенью их тектонической и нетектонической дезинтеграции, гидродинамическим и гидрохимическим режимами водоносных горизонтов, а также газодинамическими явлениями в подземном пространстве рассматриваемой территории.
Планирование высотной застройки Санкт-Петербурга по принципу доминантных кластеров, которые распределены по периферии его исторического центра, следует рассматривать как прогрессивное решение архитекторов (рис. 1), позволяющее использовать принцип интегрированного урбанизма, ключевым моментом которого служит концепция гармоничного сочетания зданий разной высоты с их различными социально-экономическими функциями.
Рис. 1. Генеральный план застройки Санкт-Петербурга
Подобное решение избавляет исторический центр города от неизбежной реконструкции и его архитектурного разрушения и позволяет сохранить «небесную линию», по образному выражению академика Д.С. Лихачева.
1.2 Инженерно-геологические условия и их сложность
Сложность инженерно-геологических условий возведения высотных зданий в первую очередь, определяется наличием тектонических разломов различного направления, к некоторым из которых приурочены погребенные долины различной глубины, прорезающие толщу коренных глин верхнего венда и нижнего кембрия и заполненные четвертичными отложениями. Вне погребенных долин кровля коренных пород прослеживается на глубинах 20-25 м и менее, в зонах погребенных долин – до 120 м. В зонах распространения погребенных долин мощность осадочной толщи коренных пород постепенно снижается от их склоновой части к тальвегу. Глубина вреза палеодолины определяет мощность четвертичных песчано-глинистых отложений различного состояния, часто с неустойчивой формой консистенции, а также количество водоносных горизонтов (рис. 2).
Рис. 2 Инженерно-геологический разрез по оси сооружения (пример)
1 – верхний легкий суглинок, 2 – верхнечетвертичная супесь, 3 – нижнечетвертичный песок, 4 – юрские глины, 5 – девонские известняки, 6 – место отбора проб грунта.
В глубоких погребенных долинах обычно прослеживаются морены нескольких стадий оледенения, межледниковые отложения различного генезиса, в том числе с природными газопроявлениями – микулинские слои в юго-восточной и восточной частях города, а также на севере города в районе Мурино. При освоении подземного пространства в пределах палеодолин, в том числе устройстве глубоких котлованов, проходке тоннелей, возрастает вероятность проявления «истинных» и «ложных» плывунов, тиксотропии глинистых грунтов, прорывов напорных вод и/или газов, а также активизации коррозионных процессов конструкционных материалов. Вне зон влияния тектонических разломов и погребенных долин коренные глинистые породы характеризуются зональным строением по глубине, что находит свое выражение в закономерном изменении физико-механических свойств и степени трещиноватости толщи глин, что следует рассматривать как фактор, влияющий на их прочность и несущую способность.
В зонах разломов наблюдается нарушение зонального строения верхнекотлинских либо «синих» нижнекембрийских глин за счет незакономерного изменения их дезинтегрированности, изменчивости параметров физико-механических свойств, в том числе показателей прочности и деформационной способности.
Повсеместное распространение нижнекотлинского водоносного горизонта, прослеживаемого ниже трещиноватых верхнекотлинских глин верхнего венда, для которого в настоящее время характерен постоянный рост напоров, предопределяет активность процесса восходящего перетекания минерализованных хлоридных натриевых вод этого горизонта, что требуют радикального пересмотра водоупорных свойств верхнекотлинских глин, особенно в зонах тальвегов глубоких палеодолин.
Необходимо отметить, что в южной части города под нижнекембрийскими «синими» глинами либо непосредственно под четвертичными отложениями распространен напорный водоносный горизонт, приуроченный к ломоносовским песчаникам. Присутствие этого горизонта может приводить к прорывам напорных вод в глубокие котлованы, а также восходящему перетеканию вод через трещиноватые глины, в том числе по зоне контакта свай и вмещающей породы. На участках, где горизонт перекрывается непосредственно четвертичными отложениями, песчаники разрушены до состояния песков, которые часто в водонасыщенном состоянии обладают плывунными свойствами (рис. 3).
right29654500Рис. 3 Подземные воды, г.Санкт-Петербург
При возведении высотных зданий рекомендуется использовать территории, в разрезе которых отсутствуют погребенные долины, либо глубина их вреза не превышает 15-20 м. Тальвеговые зоны глубоких палеодолин должны быть исключены из рассмотрения при строительстве высотных сооружений.
Технология и безопасность проведения работ нулевого цикла
2.1. Возведение высотных зданий на территориях распространения слабых грунтов
Работы нулевого цикла, в том числе устройства глубоких котлованов в четвертичных отложениях, должна базироваться на комплексном изучении степени преобразования их состояния и физико-механических свойств под воздействием природных и техногенных факторов, влияния напорных вод, в том числе глубоких водоносных горизонтов и степени освоенности прилегающей территории.
Возведение высотных зданий на территориях распространения слабых грунтов в верхней части разреза осадочной толщи предполагает необходимость освоения подземного пространства путем устройства глубоких котлованов и сооружения фундаментов глубокого заложения. Опыт устройства глубоких котлованов в Санкт-Петербурге в ряде случаев характеризуется развитием предаварийных и аварийных ситуаций, особенно в условиях плотной застройки, однако постепенно накапливаются положительные результаты по снижению негативного влияния на безопасность эксплуатации функционирующих зданий.
Развитие деформаций ограждающих конструкций котлованов может наблюдаться за счет ошибок, сделанных при изысканиях и повлекших за собой некорректность проектирования, в том числе: применения расчетных моделей, не соответствующих поведению конструкции в грунтовой водонасыщенной толще; ошибок в оценке напряженно-деформированного состояния при игнорировании действия гидростатических и гидродинамических сил; использования параметров механических свойств грунтов, полученных в приборах и/или по методикам, не отвечающим реальным условиям напряженного состояния и работы грунтов во взаимодействии с конструкциями; недостаточного учета возможности развития негативных процессов и явлений, связанных со спецификой инженерно-геологических условий.
Деформирование стенок и дна котлована вызывает дополнительные и неравномерные осадки, приводящие к образованию трещин в несущих конструкциях окружающих зданий. Старинные здания и сооружения с высоким уровнем эксплуатационного износа могут переходить в аварийное состояние при дополнительных осадках, превышающих 2-3 см и их относительной величине более 0,001 согласно СП 22.13330.2011. Поскольку рассматриваемые в работе зоны доминантных кластеров расположены вне исторического центра, наличие плотной городской застройки практически исключается.
Инженерно-геологические особенности четвертичных песчано-глинистых грунтов, оказывающие существенное влияние на безопасность устройства глубоких котлованов и работ нулевого цикла, должны анализироваться с учетом возможности негативного преобразования грунтов при их контаминации и развития различных природно-техногенных процессов, в том числе высокой коррозионной агрессивности среды.
Выбор технологии устройства котлована должен базироваться на комплексном подходе к оценке инженерно-геологических факторов и обязательном учете развития в локальном или региональном масштабе природных либо природно-техногенных процессов (табл.).
Все рассматриваемые участки доминантных кластеров характеризуются значительной степенью загрязнения подземного пространства, связанной с распространением действующих или захороненных болот, свалок, кладбищ, контаминированных насыпных и намывных отложений, ликвидированных водных объектов, что вызывает наличие в подземном пространстве таких процессов, как плывуны, тиксотропия глинистых отложений, биохимическое газообразование (см. табл.).
Развитие плывунов необходимо рассматривать как фактор, предопределяющий возможность их прорыва при проходке котлована, а также создающий дополнительное давление на его ограждение. Явление тиксотропии представляет серьезную опасность при динамическом погружении ограждающих конструкций в глинистые грунты, которые снижают свою прочность и переходят в подвижное состояние, передавая на ограждающие конструкции давления, не отвечающие проектным значениям для грунтов с трением и сцеплением.
Кроме того, необходимо учитывать влияние биохимической газогенерации в межморенных микулинских слоях (CH4, N2, CO2), а также в современных и верхнечетвертичных отложениях при их техногенном загрязнении органическими соединениями. Действие газодинамического давления может вызывать прорывы газонасыщенных вод и грунтов, а также снижение прочности песчано-глинистых отложений при повышении содержания газовой составляющей в поровой воде (см. табл.).
В зонах распространения напорных горизонтов - верхнего межморенного (полюстровского), нижнего межморенного и ломоносовского, а также линз и прослоев водонасыщенных песков в моренных отложениях возникает опасность прорывов подземных вод в котлован. В настоящее время пьезометрический уровень верхнего межморенного горизонта практически достигает отметки земной поверхности за счет прекращения эксплуатации Полюстровского месторождения минеральных вод более 30 лет назад.
Согласно проведенным расчетам, даже относительно невысокие напоры до 10 м в водонасыщенных песках могут вызвать прорыв воды со стороны дна котлована при наличии защитного водоупорного глинистого целика менее 5,0 м, при меньшем значении напора возможен подъем дна котлована при постепенном ослаблении прочности пород целика.
На территориях, характеризующихся опасностью прорывов напорных вод рекомендуется определять максимальную безопасную величину напора (давления) при условии работы защитного целика на сдвиг по формулам В.А. Мироненко и В.И. Шестакова или И.П. Иванова, где Нбез – безопасный напор; m – мощность целика породы; b – ширина строительного котлована; r – радиус выработки; х - горизонтальная составляющая давления собственного веса горных пород; К0 – понижающий коэффициент; в, - плотности воды и пород целика соответственно; с, f=tg – сцепление и коэффициент внутреннего трения горных пород целика; - коэффициент бокового распора.
При превышении величины действующего напора над безопасным следует рассматривать возможность водопонижения при условии отсутствия негативных последствий. В зонах развития газонасыщенных грунтов рекомендуется устраивать газоразгрузочные скважины, при этом необходимо учитывать, что их радиус воздействия может значительно превышать зоны влияния депрессионных воронок при водопонижении. Однако снижение газодинамического давления не оказывает существенного влияния на рост эффективных напряжений.
2.2 Безопасность эксплуатации высотных зданий и инженерно-геологическая информация
Безопасность эксплуатации высотных зданий зависит от степени полноты и достоверности инженерно-геологической информации, которая должна включать исследования интенсивности техногенеза пород и подземных вод в основании, динамики изменения его напряженно-деформированного состояния под влиянием гидродинамических факторов, а также возможности развития различных типов коррозии конструкционных материалов.
Основным критерием длительной устойчивости высотного сооружения служит предельно допустимое значение крена, которое обычно определяется индивидуально для каждого проектируемого здания. Действующие нормативы по предельно допустимому крену не могут быть использованы для высотных зданий. Длительная устойчивость высотного здания может быть обеспечена только в случае получения полной и достоверной инженерно-геологической информации, характеризующей условия работы грунтового основания во взаимодействии с сооружением не только в период строительства, но и прогноз их изменения в период эксплуатации.
Как показывает накопленный опыт наблюдений за осадками зданий и сооружений в Санкт-Петербурге, прогнозируемые (расчетные) деформации оказываются, как правило, ниже, чем реальные величины. Анализ проектных данных показал, что в расчетах часто используются завышенные значения показателей прочности и деформационной способности грунтов из-за несоответствия применяемой методики испытаний реальным условиям работы основания.
Были выделены следующие инженерно-геологические критерии, которые влияют на безопасность строительства и эксплуатации высотных зданий. К ним относятся тектоническая и нетектоническая трещиноватость коренных глин, интенсивность которой определяет анизотропию напряженного состояния, прочность и деформационную способность этих пород, их водопроницаемость и возможность изменения таких параметров во времени. Кроме того, необходимо принимать во внимание снижение прочности конструкционных материалов за счет различных типов коррозионной активности подземной среды.
Согласно действующим в Санкт-Петербурге нормативным документам, для высотных зданий следует использовать свайные фундаменты, «…нижние концы свай следует опирать на однородный коренной грунт (кембрийскую, протерозойскую глину или морену твердой консистенции)» (п. 7.3.3 ТСН 31-332-2006).
При использовании глубоких котлованов в качестве основания обычно анализируются морены, перекрытые более поздними водонасыщенными четвертичными отложениями, к которым приурочены в различной степени загрязненные водоносные горизонты. Такие морены обычно находятся в анаэробных условиях и имеют в основном молекулярный тип структурных связей, определяющий развитие пластических деформаций при действии тех величин напряжений, которые характерны для оснований высотных зданий.
Для подобных морен устойчивые формы консистенции не должны рассматриваться как гарантия высоких значений прочности и низкой деформируемости. Исследования, выполненные в условиях трехосного сжатия (неконсолидированно-недренированные испытания), свидетельствуют о варьировании угла внутреннего трения в пределах 0-10, снижении значения сцепления до 0,07 МПа и менее для таких морен.
Сорбция органических частиц абиотического и биотического генезиса при контаминации морены за счет утечек из систем водоотведения, а также воздействия жидкой фазы различных отходов вызывает снижение ее прочности и модуля общей деформации. Содержание биомассы в таком случае может достигать 200, реже 350 мкг/г при сохранении постоянства физического состояния – показателя консистенции грунтов.
Оценка работы подобных отложений в основании сооружения должна базироваться на рассмотрении их как тонкопористой среды, деформирование которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, структурной прочности и давления, определяющего возможность фильтрационной консолидации, происходит за счет ползучести скелета и/или фильтрационной консолидации в ограниченной по глубине зоне.
Возможность использования в качестве надежного основания коренных отложений верхнего венда и нижнего кембрия определяется не только глубиной их залегания вне или в пределах палеодолин, но, как отмечалось ранее, и степенью их дезинтегрированности. Взаимодействие сооружения с подобными породами в основании реализуется согласно модели трещиновато-блочной среды, деформации которой в зависимости от соотношения действующего сжимающего напряжения, величины структурной прочности в блоке породы и по трещине складываются из деформаций каждого блока и/или смещений по трещинам.
2.3 Расчет длительной устойчивости здания
Определение механических свойств трещиноватых глин, участвующих в расчетах длительной устойчивости здания, необходимо проводить с учетом их микро- и макротрещиноватости.
Влияние микротрещиноватости возможно учитывать при испытаниях образцов различного размера в условиях объемного напряженного состояния при возможности их бокового расширения. Проведение исследований верхнекотлинских глин верхнего венда на образцах диаметром 35-85 мм при соотношении высоты образца к его диаметру равном двум, позволило исследователям сделать два принципиальных вывода:
а) при увеличении диаметра образца более 60 мм величина сцепления (с) стремится к некоторому постоянному значению, следовательно, для определения показателей прочности с учетом микротрещиноватости оптимальный диаметр должен составлять 60 мм, дальнейшее увеличение размера образца не влияет на значение минимального сцепления;
б) изменение уровня напряженного состояния не сказывается на результатах исследований масштабного эффекта и его воздействия на параметр с при диаметре образца больше 60 мм.
При проектировании высотных сооружений с использованием свайных фундаментов необходимо учитывать гидродинамическое и гидрохимическое влияние нижнекотлинского горизонта при восходящем перетекании минерализованных вод через трещиноватые верхнекотлинские глины.
Усиление взвешивающего эффекта в толще коренных глин, может приводить с одной стороны, к снижению веса сооружения, с другой стороны – увеличению мощности активной зоны в основании сооружения. Аналогичный взвешивающий эффект оказывает полюстровский (верхний межморенный) водоносный горизонт.
Между минерализованными хлоридными натриевыми водами, заполняющими трещины, и катионами диффузного слоя глинистых частиц в блоках глинистой породы возможно протекание реакций ионного обмена (физико-химического поглощения). Рост содержания Na+ в диффузном слое приводит к диспергации глин, за счет чего возрастает их гидрофильность и влажность (при отсутствии набухания). Такие физико-химические процессы приводят к снижению угла внутреннего трения, в меньшей степени сцепления, что будет оказывать влияние на несущую способность свай.
Необходимо также учитывать высокую агрессивность вод нижнекотлинского водоносного горизонта по отношению к конструкционным материалам фундаментов и подземных частей сооружений, прежде всего к бетону и стальным конструкциям.
С точки зрения развития коррозионной агрессивности по отношению к бетонам большую опасность представляют подземные воды полюстровского водоносного горизонта в связи с высоким содержанием углекислоты. Загрязненные грунтовые воды оказывают коррозионное воздействие на стены подземных частей сооружений.
Технологические решения при устройстве глубоких котлованов в зависимости от сложности инженерно-геологических условий
3.1 Сложности инженерно-технологических условий
Категория сложности инженерно-геологическим условиям включает факторы: геоморфологические, геологические, геотехнические, гидрогеологические, природные, техногенные процессы, специфические и структурно-неустойчивые грунты.
I — простая категория: строительная площадка располагается в пределах одного геоморфологического элемента; поверхность участка горизонтальная, не расчлененная; грунтовые пласты залегают горизонтально или слабо наклонно, толщина их выдержана по простиранию; подземные воды отсутствуют или имеется выдержанный горизонт с однородным химическим составом.
II — средняя категория сложности включает несколько геоморфологических элементов одного генезиса; поверхность наклонная, слабо расчлененная; основанием являются не более четырех различных по литологии слоев, залегающих наклонно или с выклиниванием, мощность слоев изменяется по простиранию закономерно; подземные воды имеют два или более выдержанных горизонтов с неоднородным химическим составом или обладающих напором..III — сложная категория (наивысшая): грунт площадки характеризуется несколькими геоморфологическими элементами разного генезиса, поверхность сильно расчлененная; в пределах сжимаемой толщи располагаются свыше четырех различных по литологии слоев, мощность которых резко меняется по простиранию, возможно линзовидное залегание слоев; горизонты подземных вод не выдержаны по простиранию и мощности, имеют неоднородный химический состав, местами возможно сложное чередование водоносных и водоупорных пород, напоры подземных вод изменяются по простиранию. Кроме того, к сложной категории относят также площадки со структурно неустойчивыми грунтами.
3.2 Объекты городского подземного строительства
В наши дни освоение подземного пространства может, по-праву, считаться в мировом масштабе одним из важнейших и динамично развиваемых направлений в гражданском и промышленном строительстве. Значительную роль подземное строительство играет и в России.
Наиболее широко строительство подземных и заглубленных сооружений ведется на территориях крупных городов и мегаполисов. Основными факторами, способствующими необходимости использования подземного пространства городов, являются как нехватка свободных территорий в условиях исторически сформировавшейся застройки, так и требования развития городской инфраструктуры.
Сегодня подземное пространство городов используется не только для размещения инженерных коммуникаций и объектов транспортного строительства, но также для строительства комплексов общественнобытового назначения, многоэтажных подземных гаражей и стоянок, предприятий торговли, помещений заглубленных частей жилых и офисных зданий.
Объекты городского подземного строительства подразделяются на протяженные (линейные), компактные и совмещенные.
К линейным сооружениям относятся: транспортные тоннели, сооружения метрополитена, пешеходные тоннели, коллекторы инженерных коммуникаций, гидротехнические коллекторы.
Компактные объекты подземного строительства имеют соотношение размеров в плане менее 5 и включают: подземные части зданий, гаражи-стоянки, общественно-бытовые комплексы, сооружения гражданской обороны, камеры инженерных коммуникаций, подземные резервуары, очистные сооружения и пр.
Общественно-бытовые комплексы, размещаемые в городском подземном пространстве и объединяемые с объектами транспортной инфраструктуры, могут быть отнесены к совмещенному типу.
Конструктивные решения подземных и заглубленных сооружений, а также способы их устройства зависят от объемно-планировочных решений, их назначения, глубины заложения, инженерно-геологических условий, климатических и сейсмических условий строительства, нагрузок на поверхности, наличия близрасположенных зданий и сооружений.
По способу строительства подземные сооружения подразделяются на устраиваемые закрытым, открытым и полузакрытым способами.
Закрытым способом строятся преимущественно линейные сооружения глубокого заложения, такие как тоннели и коллекторы различного назначения, наклонные ходы метрополитена. Закрытая проходка может осуществляться штольней, комбайновым способом, способом так называемой «новоавстрийской».
3.3 Гидрогеологические условия и их влияние на окружающую застройку
В наши дни максимальная глубина котлованов, проектируемых в городских условиях, обычно не превышает 25-30 м, а количество подземных этажей – пяти-шести.
Например, в Москве наиболее глубокие котлованы выполнены на территории Международного делового центра «Москва-Сити», их максимальная глубина составляет до 26 м.
Строительство подземных сооружений открытым способом может осуществляться как в котлованах без крепления, борта которых сформированы под углом естественного откоса грунта, так и в котлованах, подкрепленных ограждающими конструкциями (рис. 3).
Рис. 3 Схема строительства в котловане:
а) с откосами, б) с ограждениями
Устройство котлованов в откосах является наиболее простым и, как правило, экономичным решением, однако применение этого способа встречает множество ограничений, особенно в условиях стесненной городской застройки.
Ограничением, в первую очередь, является требуемая глубина котлована. При увеличении глубины заложения следует делать более пологие откосы, занимаемая площадь и объемы вынутого из котлована грунта существенно возрастают, что делает этот способ нецелесообразным или невозможным в силу ограниченности площадки.
Существенно осложняют применение этого метода подземные воды, так как становится необходимым использование строительного водопонижения. Поэтому котлованы в откосах обычно устраиваются в условиях отсутствия застройки при глубоком залегании уровня подземных вод.
Другой технологией устройства подземных сооружений в котлованах является строительство способом опускного колодца.
Данный метод строительства предполагает устройство на поверхности или в пионерном котловане конструкции колодца, открытого сверху и снизу. Стены в нижней части колодца оборудуют режущим краем – ножом. При извлечении грунта внутри колодца конструкция погружается в грунт под действием собственного веса или дополнительной нагрузки. По мере погружения стены колодца могут наращиваться. После погружения колодца до проектной глубины устраивается днище, гидроизоляция и выполняются конструкции внутри колодца. Колодцы устраиваются, как правило, круглыми в плане (рис. 4), хотя возможна и иная их форма.
Рис.4 Схема котлована способом опускного колодца
1 – изготовление первого яруса опускного колодца на уровне грунта, 2 – погружение первого яруса опускного колодца в грунт, 3 – наращивание оболочки колодца, 4 – погружение колодца до проектной отметки, 5 – заполнение бетоном полости опускного колодца в случае использования иго как фундамента глубокого заложения.
Конструкция опускных колодцев выполняется из монолитного, сборного или сборно-монолитного железобетона. Диаметр опускных колодцев может изменяться от нескольких метров до нескольких десятков метров.
Самое большое сооружение в мире, построенное способом опускного колодца, находится в России – Главная насосная станция в поселке Ольгино имеет диаметр 66 м и глубину погружения 70 м.
Способ нашел свое применение преимущественно для строительства инженерных сооружений: стволов шахт, подземных камер, резервуаров и насосных станций.
В городских условиях вблизи застройки погружение колодцев в настоящее время выполняют крайне редко ввиду возможности развития осадок существующих зданий при встрече в процессе работ крупных включений в грунтах, наличии слабых и водонасыщенных грунтов.
Шпунтовые ограждения котлованов широко используются в гидротехническом строительстве в условиях слабых водонасыщенных грунтов при высоких отметках уровня подземных вод.
Такие конструкции способны воспринимать не только давление грунта, но и гидростатическое давление, являясь одновременно противофильтрационной завесой. Шпунтовые элементы стен представляют собой стальные профили U - , Z - образного поперечного сечения или плоские, снабженные замковыми захватами по краям, позволяющими фиксировать один элемент относительно другого в вертикальном положении.
Наибольшее распространение получили U-образные шпунты типа «Ларсен». Установка шпунта в грунт осуществляется обычно вибропогружением. Шпунтовые стены, устроенные в замок, обладают достаточно высокой жесткостью и способны воспринимать изгибающие моменты, значительно превышающие предельные значения для ограждений с забиркой.
Ограничением для использования шпунта является сложность или невозможность его погружения в гравелистых, скальных и полускальных грунтах.
Другим его недостатком является достаточно высокая стоимость. В условиях города при наличии застройки использование шпунта может быть рекомендовано только при отсутствии в геологическом разрезе прочных грунтов, так как в ином случае погружение шпунта может привести к развитию значительных осадок близрасположенных зданий, а также к дискомфорту из-за шума для их жителей.
Ограждение котлована в идеальном случае должно сочетать в себе следующие основные функции:
воспринимать боковое давление грунта,
являться противофильтрационной завесой,
воспринимать гидростатическое давление подземных вод,
при необходимости воспринимать вертикальные нагрузки,
минимизировать влияние котлована на окружающую застройку.
Наиболее полно сочетанию всех этих функций отвечают конструкции, устраиваемые способом «стена в грунте».
Строительство ограждений котлованов и фундаментов зданий способом «стена в грунте» предполагает устройство в грунте с помощью специального оборудования узкой траншеи требуемой глубины, устойчивость стенок которой обеспечивается специальными тиксотропными растворами из бентонитовых глин. Траншеи разрабатываются отдельными захватками, длина которых в плане соответствует размерам навесного оборудования и составляет обычно от 2.2 до 3 м.
Захватки отделяются друг от друга инвентарными ограничителями, извлекаемыми до начала бетонирования примыкающей захватки.
Наибольшее распространение получили трубчатые или фасонные металлические разделительные элементы ограничителей, позволяющие устраивать полукруглые стыки захваток или устанавливать между захватками гидроизолирующие вставки. После того как экскавация захватки доводится до проектной отметки, в нее погружается пространственный арматурный каркас.
Далее в траншею погружается бетонолитная труба, в которую подается бетонная смесь, вытесняющая на поверхность находившийся в захватке бентонитовый раствор. Таким образом бетонирование осуществляется снизу-вверх в процессе подъема бетонолитной трубы. После набора необходимой прочности бетона начинается устройство соседней захватки.
Последовательность работ по устройству «стены в грунте» показана на рис. 5
Рис. 5 «Стена в грунте»
Помимо описанной технологии устройства монолитных железобетонных «стен в грунте», применяют также сборные и сборно-монолитные стены, для устройства которых в траншею погружают элементы заводского изготовления.
При строительстве подземных объектов достаточно широкое применение нашли сборно-монолитные «стены в грунте» с листовой арматурой. Эти конструкции состоят из несущих железобетонных блоков заводского изготовления с полуцилиндрическими боковыми поверхностями, снабженных со стороны подземного сооружения листовой арматурой, и монолитных неармированных 6 участков между ними.
В настоящее время разрабатываются конструкции сборной «стены в грунте» с предварительным напряжением арматуры.
«Стена в грунте» в современных условиях является наиболее универсальной конструкцией, используемой в подземном строительстве для устройства ограждения котлованов и защиты от подземных вод.
Оборудование ведущих мировых производителей способно устраивать траншейные стены глубиной до 70 м и шириной от 400 до 1200 мм. Для проходки траншеи в мягких, легко разрабатываемых грунтах применяют плоские ковшовые грейферы, для устройства траншей при наличии скальных и полускальных грунтов применяют навесное оборудование непрерывного роторного действия – гидрофрезы.
Современные механизмы для устройства «стены в грунте» позволяют работать даже при весьма ограниченном высотном габарите, например под пролетами мостов. Устройство траншейных «стен в грунте» в городских условиях все же имеет ряд ограничений, связанных в первую очередь с возможностью ухода бентонитового раствора в полости в техногенных отложениях и макропористых грунтах. Опасным является также проникновение глинистой суспензии в инженерные коммуникации при их близком расположении. Недостатком «стены в грунте» является ее высокая стоимость.
3.4 Безопасное возведение глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки
В настоящее время в городах все чаще ведется строительство заглубленных сооружений. Для безопасного строительства таких сооружений необходимо надежное ограждение котлована.
В качестве ограждения в городском строительстве обычно применяются три основных варианта.
Первый — традиционное для Санкт-Петербурга шпунтовое ограждение. Второй — «стена в грунте». Третий — метод опускного колодца. Остановимся подробнее на каждом из них, применительно к Санкт-Петербур?