Котлованный способ

Общие сведения

Строительство подземных сооружений открытым способом

Лекция 5

Сущность способа заключается в том, что для строительства подземного сооружения вначале с поверхности земли вскрывают котлован или траншею, на дно которых опирают конструкцию возводимого сооружения. После окончания строительно-монтажных работ в котловане (траншее) последний засыпают грунтом с восстановлением дорожного покрытия над подземным сооружением.

Открытый способ работ применяют на свободной от сооружений территории при строительстве коллекторных тоннелей, прокладываемых на небольшой глубине (до 6 м), насосных станций, метрополитенов мелкого заложения (одно- или двухпутные перегонные тоннели, станции, притоннельные и пристанционные сооружения).

Открытый способ работ широко используют при прокладке трубопроводов различного назначения в районах массового жилищного строительства, при возведении подземных переходов под улицами, магистралями.

При строительстве подземных сооружений различают три способа работ по их возведению: котлованный, траншейный и с применением передвижкой крепи.

Котлованным принято называть способ работ, при котором конструкцию подземного сооружения возводят в предварительно вскрытом на полную глубину котловане. После монтажа конструкции подземного сооружения и устройства гидроизоляции осуществляют обратную засыпку котлована и восстанавливают дорожное покрытие или благоустраивают поверхность земли.

Форма и размеры котлованов и их глубина зависят от формы и габаритов подземного сооружения, особенностей городской застройки и инженерно-геологических условий.

В зависимости от названных выше условий стены котлованов могут быть с естественными откосами (рис. 1 а), вертикальными (рис. 1 б) и комбинированными (рис. 1 в, г).

Котлованы с естественными откосами применяют в устойчивых грунтах при наличии достаточно свободной городской территории. Крутизна откосов определяется физико-механическими свойствами грунтов и глубиной котлована.

Котлованы с вертикальными стенами используют при невозможности устройства котлованов с естественными откосами. Чаще всего такую конструкцию применяют при строительстве подземных сооружений вблизи зданий в условиях плотной городской застройки.

Рис. 1. Схемы конструкций котлованов:

1 – откос; 2 – тоннель; 3 – свая

Если позволяет планировка территории, то можно возводить комбинированные стенки котлованов. Такую конструкцию используют для частичного разгружения откосов и в том случае, если грунты по глубине котлована неоднородные. Такие конструкции позволяют уменьшить материалоемкость.

Для крепления вертикальных стен котлованов, разрабатываемых в грунтах естественной влажности, чаще всего применяют металлические сваи.

В качестве свай используют стальные балки двутаврового сечения с № 30 по № 60 или же трубы диаметром 200-400 мм, а также железобетонные или бетонные (буронабивные) сваи.

Металлические сваи 3 (рис. 2) погружают вдоль котлована или траншеи на расстоянии 0,5-1,5 м одна от другой с заглублением ниже котлована на 3-5 м. Пространство между сваями может крепиться с помощью деревянных досок 5 толщиной 5-7 см, железобетонных плит или нанесения покрытия в связных грунтах из набрызг-бетона. Для придания устойчивости сваи распирают одним или двумя рядами расстрелов 2 в зависимости от глубины котлована и интенсивности бокового давления. Для равномерного распределения усилий в местах опирания расстрелов к сваям прикрепляют продольные пояса 4 из швеллеров № 24 или № 26. При глубине траншей или котлованов менее 3-4 м можно применять сваи консольного типа. В котлованах глубиной более 10 м ставят два ряда расстрелов. Последние могут быть деревянные (из двух соединенных между собой бревен диаметром 20-30 см) или металлические различных сечений: швеллерные, состоящие из швеллеров № 30 или 40 с накладками из листов через 0,8-1,2 м; трубчатые диаметром 15-20 см или в редких случаях в виде сквозных ферм. На одном или обоих концах расстрел имеет выдвижные части длиной 1,7 м из двух швеллеров, которые служат для раскрепления его на сваи посредством металлическихклиньев и вкладышей.

Давление грунта, воспринимаемое промежуточными сваями, передается на подкосы 1, имеющиеся по концам расстрелов. Расстояние между расстрелами в продольном направлении составляет обычно 3,6-4,5 м, но может быть увеличено до 10 м при условии усиления продольных поясов.

Рис. 2. Временная крепь котлованов

В случае если подземное сооружение возводят в котловане шириной более 20 м, можно применять промежуточные ряды свай, раскрепляемых распорной крепью.

Рассмотренные выше конструкции весьма материалоемки. Так, в среднем при глубине котлована 6-7 м на 100 м его длины при ширине 8-10 м на крепление затрачивается 250-300 т металла и 60-70 м³ обрезных досок. При чем, как показывает опыт, значительный процент этого металла и почти 100 % досок не извлекаются после завершения строительства.

В последнее время вместо систем крепления с применением расстрелов для удержания в проектном положении свай или шпунта используют анкерную крепь (рис. 3). Замковую часть анкеров (рис. 3, а) располагают за пределами возможной призмы обрушения. В качестве оттяжек, соединяющих заанкерованную в грунте часть с продольными поясами, применяют стальные трубы, стержни периодического профиля диаметром 18-40 мм, а также высокопрочную проволоку в виде пучков, прядей или канатов с пределом прочности на разрыв до 180 МПа. Предельное усилие, которое способен выдержать анкер со стержневыми оттяжками, составляет 150-500 кН, с трубчатыми – 300-1500 кН, а с проволочными – 500-2500 кН. Анкеры располагают по длине котлована через 3-5 м в один или несколько ярусов по высоте с углом наклона к горизонту а = 25-30°.

В некоторых случаях устраивают горизонтальные анкерные оттяжки (рис. 3, б). В таком случае последние помещают в траншеях и закрепляют на специальных сваях или же железобетонных массивах, которые располагают за возможной призмой обрушения.

Рис. 3. Схемы крепления стен котлованов:

1 – сваи; 2 – пояса; 3 – котлован; 4 – контур подземного сооружения; 5 – анкеры; 6 – призма обрушения;

7 – маячная свая

Удачно совершенствуется крепь котлованов и траншей путем возведения стен котлованов из монолитного или сборного железобетона способом «стена в грунте» и особенно в сочетании с анкерной крепью.

Устройство котлованов с применением временной крепи включает следующие технологические операции (рис. 4): подготовительные работы (I), забивку свай (II), разработку грунта (III), планировку дна котлована (IV), устройство бетонной подготовки (V), гидроизоляцию лотка (VI), монтаж обделки (VII), гидроизоляцию стен и перекрытия (VIII), обратную засыпку конструкции и планировку (IX), извлечение свай (X).

В зависимости от последовательности выполнения перечисленных выше операций, различают параллельную и последовательную схемы производства работ. В первом случае одновременно выполняют все технологические операции на различных участках. Такая схема организации работ возможна, если подземный объект имеет длину более 100-150 м. Во втором случае каждую технологическую операцию осуществляют после завершения предыдущей по всей длине объекта. Такую схему организации работ применяют при строительстве сравнительно коротких подземных объектов (менее 100-150 м) или когда невозможно развернуть широкий фронт работ.

При последовательной схеме производства работ сокращается длина технологического участка, уменьшается потребность в рабочей силе, однако несколько замедляется скорость строительства.

Независимо от принятой схемы проведения работ основные биологические операции выполняются аналогичным образом.

Подготовительные работы. При строительстве подземных сооружений в городских условиях к подготовительным работам относятся: перекладка подземных коммуникаций; мероприятия по обеспечению сохранности зданий, фундаменты которых расположены в зоне обрушения котлована; устройство водоотводных канав или отвалообразований, предохраняющих котлован от затопления ливневыми дождями или талыми водами. Для установки свайного ограждения вдоль бровок будущего котлована вскрывают контрольные траншеи глубиной до 1,5-2 и шириной 0,5-0,8 м для выявления мест расположения подземных коммуникаций.

Рис. 4. Технологическая схема строительства тоннеля в котловане со свайной крепью:

1 – установка для извлечения свай; 2 – каток; 3 – ограждение котлована; 4 – козловой кран; 5 – трейлер;

6 – бадья для бетона; 7 – экскаватор; 8 – установка для забивки свай; 9 – автосамосвал; 10 – бульдозер

Забивка свай. Металлические сваи забивают молотами, вибропогружателями, дизель-молотами. Вибропогружателями и вибромолотами обычно оснащают краны-экскаваторы, имеющие большую маневренность. Реже в качестве базовой машины применяют копровые установки. Молот для забивки свай выбирают по методике, изложенной в СНиП III-9-74 «Основания и фундаменты». Расстояние от места забивки свай до расположения действующих коммуникаций (газопровод, водопровод, канализация и т.д.) должно составлять не менее 3 м, а в зимний период не менее 5 м. При значительном (на 1 м и более) сезонном промерзании грунта целесообразно перед забивкой свай предусмотреть бурение лидерных скважин на глубину промерзания.

В некоторых случаях во избежание шума и вибрации, сопровождающих забивку свай, их устанавливают в заранее пробуренные скважины, закрепляя в донной части (до уровня дна котлована) бетоном. Пространство между стенками скважины и сваей засыпают песком.

При применении в качестве крепления стен котлованов железобетонных буровых свай вначале с шагом 1,5-1,8 м пробуривают скважины и устанавливают в них стальные трубы диаметром около 1 м. Затем в них опускают арматурные каркасы и укладывают бетонную смесь. По мере укладки бетона обсадные трубы извлекают. С помощью специальных вкладышей в железобетонных сваях оставляют вертикальные каналы, которые служат направляющими для затяжки. В качестве последней могут быть использованы деревянные доски и сборные железобетонные панели.

Разработка грунта с естественными откосами. Для этого обычно используют ковшовые экскаваторы вместимостью рабочего органа 0,5-1 м³ и бульдозеры. Преимущественно применяют экскаваторы, оборудованные драглайнами, позволяющие отрабатывать забой большого размера. При небольшой глубине котлованов могут быть использованы экскаваторы с прямой лопатой. Угол откоса котлованов зависит от физико-механических свойств грунтов. Обычно он составляет 35-45°.

Разрабатываемый грунт отсыпают в отвал или же грузят в автосамосвалы. При выемке грунта в отвал его вначале отсыпают в наиболее удаленные места отвала с постепенным приближением к бровке откоса траншеи. В местах пересечения котлована с подземными коммуникациями должны оставаться перемычки, разработку которых осуществляют вручную.

При небольшой ширине котлована, соответствующей радиусу черпания экскаватора, на недостаточной глубине черпания выемку грунта можно проводить или за два прохода экскаватора вдоль оси траншеи, или с предварительной нарезкой траншеи бульдозером. В случае выемки котлованов экскаваторами по зигзагу, когда радиус черпания экскаватора не позволяет проходить грунт по всей ширине котлована с одной стоянки, выемку грунта проводят с двух стоянок: с первой разрабатывают основную часть траншеи в наиболее удаленное место отвала, со второй – оставшуюся часть котлована в отвал, приближающийся к бровке откоса котлована.

Если необходима разработка широких котлованов в два прохода экскаватора с дополнительной перекладкой грунта из временного отвала в постоянный, работы делят на три операции: первая заключается в разработке грунта части котлована во временный отвал; вторая – в перекидке грунта экскаватором из временного отвала в постоянный и третья – в разработке оставшейся части грунта котлована экскаватором в постоянный отвал. Длина заходки при этом не должна превышать 25 м. Отвал следует размещать с нагорной стороны котлована для перехвата поверхностных вод.

Разработка грунта с вертикальными стенками. При этом ширину котлована принимают на 30-50 см больше ширины возводимого сооружения на случай отклонения свай при их забивке (погружении) и для того, чтобы при их извлечении не повредить обделку тоннеля. Если применяют сборные обделки, полное уширение котлована может доходить до 2,2-2,4 м в зависимости от условия устройства гидроизоляции.

При малой глубине котлованов (не более 10 м) грунт разрабатывают сразу до проектной отметки с помощью экскаваторов, которые устанавливают на поверхности земли. При этом выемку грунта следует вести от середины котлована к бортам с оставлением у свай берм шириной не менее 1 м.

Край грунта срезают и перемещают в зону действия экскаватора с помощью бульдозеров, находящихся на дне котлована. Разработанный грунт грузят в автосамосвалы, и часть его вывозят в отвал, а часть используют для обратной засыпки котлована. При большой глубине последнего грунт разрабатывают отдельными ярусами. Загрузка автосамосвалов в этом случае происходит в котловане, для чего в определенных местах устраивают съезды.

В процессе разработки грунта при незначительном притоке подземных вод выполняют открытый водоотлив насосами, установленными на поверхности земли или в котловане. Одновременно с разработкой грунта тщательно укрепляют стены котлована досками, заводимыми за полки свай. Дощатая крепь должна быть плотно расклинена между грунтом и сваями и не иметь щелей.

После разработки котлована на определенную глубину по обеим его сторонам между сваями устанавливают продольные горизонтальные связи в виде поясов из швеллерных или двутавровых балок, которые распирают поперечными расстрелами или же удерживают анкерами. Монтаж балок поясов и расстрелов осуществляют стреловыми гусеничными или колесными кранами, установленными на бровке котлована, или козловыми кранами.

При анкерном креплении после установки обвязочных поясов под заданным углом к горизонту пробуривают скважины. В них помещают трубы, стержни или пучки высокопрочной проволоки, которые заделывают по всей длине или только в донной части скважины. После этого натягивают анкеры и закрепляют их на поясах при помощи накладной анкерной плиты и фиксирующей гайки. Натяжение анкерных оттяжек осуществляют отдельными ступенями по 20-30% расчетного усилия с выдержкой времени между каждым этапом. Конечное усилие, равное 1,3-1,5 расчетного, выдерживают в течение часа. В процессе натяжения анкеров, также после их закрепления регистрируют усилия натяжения мерных оттяжек и выявляют возможное снижение этих усилий за счет податливости грунта.

После раскрепления свайного ограждения котлован разрабатывают до проектной отметки и осуществляют зачистку дна котлована с помощью бульдозеров.

Расчет элементов крепи котлованов. Элементы временной крепи котлованов следует рассчитывать по прочности, устойчивости и деформациям под воздействием бокового давления грунта и временных нагрузок на призме обрушения, а также на действие монтажных нагрузок, возникающих на различных этапах строительства подземного сооружения.

Параметры свайного ограждения ориентировочно могут быть определены по номограммам (рис. 5), разработанным специалистами Метрогипротранса. Глубину погружения свай ниже дна котлована ориентировочно принимают равной Н /2 в рыхлых породах, Н /3- Н /4 – в плотных грунтах (Н – глубина котлована).

Рис. 5. Номограммы для расчета:

а – консольных свай; б – свай с одним ярусом расстрелов; в – досок затяжки

Прочность сваи проверяют по формуле M _mах / W^. R _u,

где: М _mах – максимальный изгибающий момент; W – момент сопротивления профиля сваи; R _u – расчетное сопротивление материала сваи при изгибе.

Продольные пояса рассчитывают по схеме многопролетной неразрезной балки с пролетами, равными расстоянию между осями расстрелов или анкеров, загруженной усилиями, передающимися со свай.

Расстрелы рассчитывают на действие усилий, передающихся со свай: N _p = Р _i l,

где: Р _i – усилие, приходящееся на 1 м длины ограждения стен; l – расстояние между расстрелами.

Сечение расстрела подбирают исходя из условия N _p /(Fφ) ≤ R _c,

где: F – площадь поперечного сечения расстрела; φ – коэффициент продольного изгиба; R _c – расчетное сопротивление материала сваи при сжатии.

При применении анкеров расчет сводится к определению их числа и несущей способности, которая должна быть достаточной для восприятия анкерами возникающих усилий в элементах временной крепи.

Возведение и гидроизоляция конструкции. Конструкцию подземного сооружения чаще всего выполняют из сборных элементов, объемных секций и секций замкнутого сечения, реже – из монолитного железобетона.

Работы по возведению конструкции при свайном креплении котлована выполняют следующим образом. После разработки и зачистки котлована в его основание укладывают слой бетона толщиной 10 см (так называемую подготовку), затем устраивают стяжку, т.е. на подготовку наносят слой раствора толщиной 4 см, хорошо выровненный и заглаженный. Одновременно с устройством подготовки вдоль боковых стен котлована возводят защитные стенки для гидроизоляции. Последние могут быть возведены из асбоцементных листов толщиной 10-12 мм, кирпича, шлакоблоков, железобетонных плит толщиной 3 см, армированных двумя сетками из проволоки диаметром 5-6 мм.

Возведение защитных стен из железобетонных плит сводится к следующим работам. Первоначально на расстоянии 50-70 см от стен котлована и 1-1,5 м друг от друга размещают стойки, которые связывают между собой досками и раскрепляют распорками, устанавливаемыми по высоте стен. К стойкам прибивают обрешетку из досок толщиной 25 мм и шириной 200 мм, к которой крепят железобетонные плиты размером 120×60×4 см. Обрешетку обшивают плитами снизу вверх, начиная со дна котлована. Поверхность плит в местах, где имеются неровности, а также швы между ними заполняют цементным раствором и тщательно выравнивают. После устройства подготовки и возведения защитной стенки приступают к гидроизоляционным работам.

Для этого по подготовке дна котлована и всей высоте защитных стенок наносят в два слоя гидроизоляционный материал главным образом на резино-битумной основе (бризол, изол). После окончания изоляционных работ в лотке для предотвращения повреждения изоляции укладывают защитный слой из цементного раствора толщиной 2-3 см и приступают к монтажу обделки. Вначале укладывают лотковые блоки, затем – стеновые. После выверки правильности установки лотковых и стеновых блоков стыки между ними бетонируют с предварительной сваркой выпускной арматуры. До кладки плит перекрытия на опорную поверхность стеновых блоков наносят слой цементного раствора, обеспечивающий плотную посадку плит на стены. Зазор между стеновыми блоками и гидроизоляционной стенкой заливают цементным раствором. Монтаж сборной обделки осуществляют при помощи стреловых или козловых кранов.

Возведение обделки из сборного железобетона в котловане с естественными откосами имеет некоторые особенности. До монтажа обделки проводят гидроизоляцию лотка и устанавливают защитную стенку высотой 1 м.

После монтажа обделки ее оклеивают гидроизоляционным материалом. Обратную засыпку котлована ведут по мере изоляции обделки одновременно с обеих сторон. Несоблюдение этого правила может привести к сдвижению конструкции тоннеля относительно проектной оси.

При возведении цельносекционной обделки последовательность работ следующая: устройство подготовки, монтаж секций с помощью кранов и гидроизоляция стыков. Готовую конструкцию засыпают грунтом. За стены насыпают песчаный грунт слоями 20-30 см с поливкой водой и уплотнением.

Засыпка за стены подземного сооружения должна проводиться одновременно с двух сторон во избежание одностороннего бокового давления грунта. На перекрытие грунт насыпают слоями по 50-60 см, уплотняя его послойно. После засыпки грунта за стены подземного сооружения демонтируют расстрелы, пояса обвязки и извлекают сваи. В последнюю очередь выполняют отделочные и монтажные работы в подземном сооружении, осуществляют восстановительные работы на поверхности и ликвидируют строительную площадку.

Дата добавления: 2014-01-06