1.2. Основные технологии возведения подземных сооружений

Подземные и заглубленные сооружения, различные по технологиче­скому назначению и областям применения, глубине и размерам в плане, расположенные отдельно или под наземными зданиями в комплексе с другими помещениями, объединяет общность способов строительства. Основными способами являются:

• строительство в открытых котлованах или траншеях с откосами, с укреплением стен котлованов шпунтом или другими видами крепле­ний;

• способ подращивания;

• опускной способ;

• "стена в грунте";

• способ бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций.

В обводненных грунтах при строительстве подземных и заглублен­ных сооружений в зависимости от гидрогеологических и грунтовых ус­ловий применяют различные вспомогательные способы водопонижения и водоотлива, замораживания, закрепления грунтов и др. Научно обос­нованный выбор этих вспомогательных специальных способов оказыва­ет существенное, а иногда и определяющее влияние на стоимость строи­тельства, выполняемого основным способом, надежность и сроки его осуществления.

Ниже приведена краткая характеристика основных наиболее распро­страненных способов строительства подземных сооружений.

1. Строительство в открытом котловане заключается в том, что вначале разрабатывается котлован или траншея с размерами в плане и по глубине, необходимыми для устройства сооружения. Крутиз­ну откосов котлована делают такой, чтобы обеспечить их устойчивость. Если устойчивость откосов в один ярус не обеспечивается, откосы кот­лованов или траншей устраивают в два или несколько ярусов с бермами. В зависимости от глубины, инженерно-геологических условий, обвод­ненности грунтов устраивают крепление стен котлованов или траншей распорными, шпунтовыми, подпорными или другими креплениями. По­сле разработки котлована производят устройство фундаментов, днища и стен сооружения.

Этот способ применяют, как правило, при небольшой глубине, зна­чительной площади в плане и благоприятных грунтовых условиях.

Устройство шпунтовых стен для крепления откосов котлованов или постоянных ограждений заключается в том, что ограждающие котлован или сооружение стены собирают из отдельных шпунтовых свай, назы­ваемых шпунтинами, погружая их в грунт (spund - продольный выступ и соответствующий ему паз на грани примыкающей шпунтины). Соедине­ние отдельных шпунтин в стену происходит при их погружении. После погружения шпунта внутри ограждающих стен разрабатывают грунт. Для обеспечения прочности и устойчивости стен, если это требуется по расчету, их укрепляют распорками, тяжами или грунтовыми анкерами. Шпунтовые стены устраивают при высоком уровне грунтовых вод и большом их притоке, значительных нагрузках, а также при слабых грун­тах, если устойчивость откосов в один или больше ярусов не обеспечи­вается, и строительство в котловане или траншее с укрепленными отко­сами экономически нецелесообразно. Шпунтовые ограждения не только обеспечивают прочность и устойчивость стен котлованов и траншей, но и за счет плотности сопряжения шпунтин значительно уменьшают попа­дание воды в котлован через стены. Шпунты погружают в грунт с по­мощью ударных механизмов, вибропогружения, вдавливания и гидрав­лического погружения.

Шпунтовые стены могут быть постоянными и временными, на пери­од строительства подземного или заглубленного сооружения. В послед­нем случае после завершения строительства в целях повторного исполь­зования шпунт извлекают с помощью оборудования, используемого для забивки (85% может быть использовано повторно). Как самостоятель­ный способ, устройство шпунтовых стен можно отнести только к желе­зобетонному шпунту, который в современном строительстве применяет­ся редко (в основном, в гидротехнике). Обычно устройство шпунта от­носится к строительству в открытых котлованах.

2. Способ подращивания (рис. 1.5). Сущность способа заключается в том, что в пионерном котловане устраивают кольцевую подпорную сте­ну (т. н. "воротник") и выполняют обратную засыпку, а затем внутри "воротника" разрабатывают грунт на глубину первой захватки. К бол­там, выпущенным снизу из "воротника", подвешивают железобетонные тюбинги. Затем разрабатывают грунт на глубину второй захватки, под­вешивают на болтах второй ряд тюбингов и в застенное пространство между тюбингами и откосом грунта через отверстия в тюбингах инъектируют под давлением цементный раствор. В такой последовательности ведут работы до глубины соответствующей проектной отметки и уст­раивают железобетонное днище.

Этим способом возможно устройство ограждающих стен из моно­литного железобетона, однако расход железобетона и трудоемкость па бот значительно возрастают. В сооружениях, выполненных способом подращивания, стены укрепляются перекрытиями и днищем выгодно используется совместная работа с грунтовым пассивом. Применяют этот способ в скальных и полускальных, твердых глинистых и других грунтах, которые позволяют разрабатывать котлован с вертикальными откосами хотя бы на глубину одной захватки.

3. Опускной способ заключается в том, что на поверхности грунта или в пионерном котловане на временном специально подготовленном основании устраивают ограждающие стены сооружения открытого сверху и снизу. Внутрь сооружения опускает землеройные меха­низмы (экскаватор, бульдозер), а за его пределами устанавливают башенные краны для выемки грунта из колодца бадьями. Разработка грун­та может быть выполнена методами гидромеханизации.

Затем разбирают временное основание, осуществляют посадку сооружения на грунт, разрабатывают грунт внутри колодца и под стенами. Сооружение под действием сил тяжести опускается вниз. Для уменьшения сил сопротивления грунта по боковой поверхности применяют различные способы: гидроподмыв, устройство прослойки из глинистого раствора между наружной поверхностью сооружения и грунтом, нане­сение на стены опускного колодца антифрикционного покрытия и др.

Рис. 1.5. Колодец корпуса дробле­ния Коршуновского железорудного комбината: 1 -вороткцик; 2 - тюбинги; 3 -тампонажный слой

После опускания колодца до заданной глубины устраивают днище и начинают возведение внутренних конструкций снизу вверх: колонн, пе­рекрытий, фундаментов под оборудование, бункеров и т. п.

На рис. 1.6 даны этапы последовательности устройства опускного колодца.

Рис. 1.6. Схема строительства опускным способом:

а - строительство на по­верхности; б - опускание; в - устройство днища и перекрытий

4. Кессонный способ (от французского caisson - ящик) заключается в том, что на поверхности сооружается кессонная камера, состоящая из скошенных к низу косоугольных стен, заканчивающихся ножевой ча­стью и перекрытием (так называемым "потолком"). На "потолок" уста­навливают шахтные трубы и шлюзовой аппарат. Одновременно строят компрессорную и насосную станции. Грунт разрабатывают в кессонной камере и транспортируют через шахтные трубы и шлюзовой аппарат на поверхность. В рабочее пространство кессонной камеры подают сжатый воздух под давлением, близким к гидростатическому. Благодаря повы­шенному давлению сжатого воздуха в рабочей камере, в нее не наплы­вает грунт, и можно вести работы насухо. Одновременно с опусканием кессонной камеры наращивают надкессонное строение (ограждающие стены). На рис. 1.7 показана последовательность устройства кессона.

Рис. 1.7. Схема устройства кессона:

а - устройство кессонной камеры;

б - установка шахтных труб и шлюзового аппарата;

в - опускание кессона с надкессонными ограждающими стенами; 1 - кессонная камера;

2 - надкессонные ограждаю­щие стены; 3 - шахтные трубы; 4 -шлюзовой аппарат

Разработку грунта ведут механическим инструментом или методами гидромеханизации. Кессонный способ применяют при высоком уровне грунтовых вод, большом их притоке, на покрытой водой местности, т.е. в тех случаях, когда откачка воды затруднена или экономически нецеле­сообразна. Кессоны применяют вместо опускных колодцев при слабых грунтах, если ожидается их наплыв или выпор из-под ножевой части, а также в случаях, когда применение кессонов дает значительный эконо­мический эффект. Опускание кессона ограничено глубинами в 30...35 м в связи с невозможностью работы кессонщиков при избыточном давле­нии воздуха в 3,0...3,5 атм., ограничением по времени пребывания ра­бочих под повышенным давлением, большими расходами времени на переход рабочих через шлюз для декомпрессии, что значительно удоро­жает кессонные работы.

Нарушение правил постепенного перехода рабочих из зоны высокого давления к нормальному атмосферному давлению (правил декомпрес­сии) вызывает кессонную болезнь, признаками которой являются боли в суставах и, мышцах, головокружение, расстройство речи, помрачение сознания и параличи. В связи с этими обстоятельствами кессонный спо­соб в современном строительстве используется редко, в исключитель­ных случаях.

5. Способ "стена в грунте" состоит в том, что по контуру будущего сооружения специальными землеройными механизмами разрабатывают узкую и глубокую траншею для устройства в ней ограждающих стен. Разработку грунта ведут на полную глубину под глинистым раствором. Глинистый раствор, который добавляют в траншею по мере углубления, служит для удержания стенок траншеи от обрушения. После разработки грунта по длине траншеи частично или полностью (рис. 1.8, а), по за­хваткам вставляют арматурные каркасы. Траншею бетонируют с помо­щью метода вертикально-перемещаемой трубы (метод ВПТ) или бето­нонасосов (см. рис. 1.8, б). При устройстве сборных стен в траншею вставляют железобетонные панели. Следующий технологический этап -разработка грунта в ядре сооружения (см. рис. 1.8, в), которую начинают после того, как бетон в траншее набрал соответствующую прочность. Разработку грунта производят захватками сверху вниз. Закончив разра­ботку грунта в первой захватке, если требуется, устанавливают конст­рукции, обеспечивающие устойчивость и прочность стен, к которым относят обвязочные пояса, рамы, распорки, тяжи и грунтовые анкеры. Способом "стена в грунте" устраивают и противофильтрационные заве­сы. Для этих целей траншеи заполняются твердеющими материалами (бетоном или глиноцементными растворами), а также нетвердеющими материалами (комовая глина, заглинизированный грунт и др.).

Траншеи под глинистым раствором разрабатываются по специаль­ной технологии, при небольшой глубине - общестроительными ковшо­выми машинами, при большой - специальными машинами и механиз­мами. Область применения способа, как одного из наиболее экономич­ных и прогрессивных, весьма обширна.

6. Способы бестраншейной прокладки инженерных коммуникаций -это устройство горизонтальных или наклонных скважин с обсадкой их защитными трубами-кожухами.

Способ прокола - способ, при котором труба внедряется в грунт без удаления грунта из скважин с помощью домкратов, направляющих ус­тановок и т. п. - это статический прокол; при прокладке труб малого диаметра применяют пневмопробойники, т. е. самодвижущиеся пневма­тические машины ударного действия - прокол пневмопробойниками. Применяют также виброударные установки, работающие на основе вы­сокочастотной и низкочастотной вибрации - прокол с применением вибрационной техники.

Рис. 1.8. Схема устройства сооружения методом "стена в грунте":

а - разработка траншеи; б - установка арматуры и бетониро­вание; в - разработка грунта в ядре сооружения; 1 - направле­ние разработки грунта; 2 - участок траншеи с глинистым рас­твором; 3 - забетонированный участок; 4 - грунтовый анкер

Этим способом скважины образуются за счет уплотнения грунта, что требует значительных усилий подачи труб в забой, поэтому их диаметр должен быть не более 400 мм, а длина прокола не должна превышать 60 м. Целесообразно применять этот способ в глинистых и суглинистых грунтах, потому что в песчаных грунтах требуются значительно боль­шие усилия, что снижает эффективность способа.

Гидропрокол - за счет энергии струи воды размывают отверстие диаметром до 0,5 м в песчаных и супесчаных легко размываемых грун­тах.

Способ продавливания - способ, при котором прокладка труб осуще­ствляется с разработкой и извлечением грунта. Существуют два основ­ных варианта этого способа:

а) продавливание, при котором трубу-кожух с ножевой частью на конце вдавливают в грунт, а грунтовый керн разрабатывают из трубы; этот способ применим при диаметре трубы 800...1720 мм и длине 60 м;

б) продавливание с использованием пневмопробойников применяют при диаметре труб 300...600 мм и длине 25...40 м.

Способ бурения горизонтальных, скважин заключается в бурении скважин диаметром, большим на 10... 15 мм, чем труба-кожух, с одно­временной подачей трубы в скважину; способ применим для труб диа­метром 400... 1720 мм и длиной до 80 м.

Кроме описанных выше основных способов, при бестраншейной прокладке инженерных коммуникаций в выработках с большими, чем указано, сечениями и длиной, используют и другие способы:

• продавливание с помощью специальных установок железобетонных конструкций больших диаметров (3 м и более);

• горные способы;

• щитовой способ с устройством сборной обделки и штольневый, применяемый очень редко из-за высокой трудоемкости.

Возможно использование комбинированных способов строительства в различных сочетаниях в зависимости от грунтов, прорезаемых под­земным или заглубленным сооружением, особенностей самого соору­жения и других условий.