CC BY
207
УДК 624.1
МЕТОДЫ ВОЗВЕДЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. ПОЯРУСНЫЙ СПОСОБ © В.О. Ербахаев1
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Описана организационно-технологическая схема устройства подземных сооружений унифицированных габаритных схем (размеры в плане от 30*30 м до 80*80 м). Сооружение погружается в грунт при возведенных надземных этажах. Возникающие усилия при погружении распределяются по каркасу. Боковое давление грунта воспринимают ригели, перекрытие. Габариты конструкций назначаются исходя из расчета по первой и второй группам предельных состояний. Ил. 11. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: подземные сооружения; схема возведения подземных зданий и сооружений; поярусный метод; технология производства работ; погружение сооружения.
METHODS TO CONSTRUCT UNDERGROUND BUILDINGS AND STRUCTURES. TIERED METHOD V.O. Erbakhaev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article describes an organizational and technological scheme of building underground structures of unified dimensional schemes (plan dimensions from 30х30м to 80х80м). The structure is immersed into soil when the above ground floors have been already erected. The efforts arising under immersion are distributed on a framework. Crossbars and overlapping receive the lateral pressure of soil. Structure dimensions are designed based on the calculation by the 1st and the 2nd groups of limit states. 11 figures. 5 sources.
Key words: underground structures; scheme of building underground structures; tiered method; production technology of works; structure immersion.
В последние годы во всем мире все большее внимание при планировке и застройке крупных городов и городов-мегаполисов уделяется проблемам освоения подземного пространства, а также строительству подземных объектов за пределами городской черты, обеспечивающих нормальное функционирование крупных населенных, в особенности промышленных, центров. Такие проблемы, как дефицит городских территорий, постоянный рост населения городов, скопление на дорогах большого количества транспортных средств, неспособность городской инфраструктуры справиться с постоянно возрастающими нагрузками и ухудшение экологической обстановки, расположение в районах с неблагоприятными климатическими условиями (резкие перепады температуры воздуха, ураганные ветры, длительные ливни, селевые потоки), с крутым рельефом местности требуют все более активного использования подземного пространства, в том числе для размещения транспортных и инженерных систем, объектов торговли и бытового обслуживания, складов и автостоянок и т.п. Масштабы строительства подземных сооружений все больше возрастают в большинстве промышленно развитых стран, что объясняется экономичностью подземных сооружений по сравнению с наземными, технической или производственной необходимостью, градостроительными условиями, соображениями военного характера и т.д. Там появляются многочисленные многоэтажные подземные парковки, торговые центры, подземные дороги и
развязки и даже подземные офисы [2].
В России проблема комплексного освоения городов также довольно актуальна. Согласно современным исследованиям, в большинстве случаев подземные сооружения, несмотря на значительные затраты при их возведении, являются наиболее оптимальными решениями многих вопросов функционирования города [1]. На сооружения, размещенные под землей, действует на порядок меньшая сейсмическая нагрузка, и можно сказать, что сооружение сейсмоустойчиво. Сооружения, расположенные под землей, имеют относительно постоянные температурно-влажностные условия, подвергаются воздействию меньшего количества пыли и вибраций от различных источников. Освоение подземного пространства способствует развитию социально-экономической и инженерно-транспортной сферы.
Выбор архитектурно-планировочных решений, способа строительства, вида конструкций и их крепления, гидроизоляции, системы кондиционирования воздуха и т.п. определяется в основном назначением подземного сооружения и свойствами массива вмещающих горных пород (грунтов). По назначению подземные сооружения условно подразделяются на несколько основных групп: транспортные и гидротехнические тоннели; сооружения метрополитена; электростанции (главным образом ГЭС); базисные склады и холодильники; объекты городского хозяйства (пешеходные переходы, гаражи, коллекторы и т.п.); резер-
1Ербахаев Владислав Олегович, аспирант, тел.: 89834180253, e-mail: [email protected] Erbakhaev Vladislav, Postgraduate, tel.: 89834180253, e-mail: [email protected]
вуары для питьевой воды, нефте- и газохранилища, емкости для захоронения вредных производственных отходов; промышленные предприятия; лечебные учреждения; военные объекты. Особую группу подземных сооружений составляют шахты, располагаемые в околоствольном дворе (электроподстанция, депо, станция водоотлива, медпункт и т.д.) или предназначенные для транспортной связи поверхностных сооружений с очистными забоями (шахтные стволы, капитальные штреки, штольни и т.д.) [3].
Возведение подземных и заглубленных городских объектов гражданского назначения устраивается открытым или полузакрытым способом в котлованах. При этом ежегодный объем таких объектов подземного строительства в России и за рубежом неуклонно растет, увеличивается и масштаб реализуемых объектов строительства. В настоящее время не прослеживается тенденции в сторону роста габаритов подземных и заглубленных сооружений, хотя технические возможности для роста глубины проектируемых котлованов и увеличения количества подземных этажей существуют. На сложившуюся ситуацию, очевидно, влияют следующие факторы: экономическая целесообразность, комфортность пребывания в подземных помещениях, влияние на окружающую застройку и гидрогеологические условия. В наши дни максимальная глубина котлованов, проектируемых в городских условиях, обычно не превышает 25-30 м, а количество подземных этажей - пяти-шести.
Специфика исторической застройки городов индивидуальна и требует разработки новых конструктивных и технологических решений. На сегодняшний день применяют следующие технологии освоения подземного пространства [4]:
- строительство в котлованах без крепления под углом естественного откоса грунта;
- строительство способом опускного колодца;
- ограждение котлована из стальных элементов с забиркой;
- шпунтовые ограждения котлована;
- способ «стены в грунте»;
- ограждение котлована из буросекущихся свай;
- буросмесительная технология создания ограждений котлованов;
- крепление откосов буровыми анкерами;
- распорное крепление котлована с помощью ферм;
- устройство котлована по технологии Тор-йсадп (досл. «сверху вниз»).
В силу наиболее высоких технико-экономических показателей в Европе и Америке нашла широкое применение именно технология Top-Down. Это объясняется тем, что данный способ позволяет практически одновременно вести работы по устройству подземной и наземной частей здания, что ускоряет сроки окупаемости инвестиций. Также важно отметить, что данный способ позволяет минимизировать деформации ограждающих конструкций и осадки соседних зданий. Достигается это за счет монтажа распорных перекрытий, инвентарных конструкций ферм или иных технических решений, индивидуальных для каждого объек-
та строительства. Метод строительства Top-Down предполагает устройство с поверхности земли или с промежуточных отметок в котловане временных или постоянных опор внутри контура сооружения, поддерживающих перекрытия подземной части здания, бетонируемых по грунту и воспринимающих действие распора от ограждения котлована. Ведение земляных работ в котловане производится из-под перекрытий через устраиваемые технологические проемы. Бетонирование нижележащих перекрытий ведется последовательно по мере удаления грунта. В случае применения временных опор, поддерживающих перекрытия, они демонтируются после возведения фундаментной плиты и постоянных колонн или несущих стен, бетонируемых снизу вверх. При строительстве по технологии Top-Down для ограждения котлована в современных условиях зачастую используют «стену в грунте» как наиболее универсальную конструкцию, способную воспринять вертикальные нагрузки от веса подземных перекрытий, а также обеспечить защиту от подземных вод. Также при строительстве подземных сооружений по данной технологии необходимо уделить особое внимание устройству опор-колонн буровым способом или способом «стены в грунте», поддерживающих перекрытия в процессе разработки и удаления грунта из котлована. Технология Top-Down постоянно совершенствуется в направлении сокращения затрат на возведение этих временных конструкций. Ярким примером может служить научная разработка с креплением ограждения котлована, где в верхнем ярусе монтируются инвентарные металлические конструкции ферм. Фермы опираются на «стену в грунте», а бетонируемые поэтапно по мере разработки грунта подземные перекрытия подвешиваются к конструкциям этих ферм. После бетонирования снизу вверх вертикальных элементов каркаса временные конструкции подвески и ферм демонтируются. При значительных размерах котлованов в плане используют комбинированный метод разработки грунта, в котором возведение конструкций подземной части по периметру котлована выполняется способом Тор-Down, а в центральной части - по классической схеме снизу вверх. Крепление ограждения котлована осуществляется за счет пространственной работы контурных элементов дисков подземных перекрытий.
Строительство подземных сооружений в стесненных условиях городской среды сопровождается решением ряда сложнейших геотехнических проблем, в том числе и связанных с вопросами технологии производства строительных работ и обеспечением устойчивости существующей застройки. Однако возможности современных технологий и оборудования предоставляют инженерам и строителям выбор доступных способов устройства подземных и заглубленных сооружений, таким как хорошо зарекомендовавшая себя технология Top-Down. Применение столь сложной технологии строительства зданий требует принципиально иной технологии проектирования. При этом технология строительства становится первичной и диктует основные решения конструкции, требует учета изменения напряженно-деформированного состояния
окружающего грунтового массива и возводимых конструкций на всех основных стадиях производства работ, а также на стадии эксплуатации. Правильный и научно обоснованный выбор типов и последовательности выполнения технологических операций, методов устройства ограждения котлована, способов усиления оснований и фундаментов прилегающих зданий, научное сопровождение ведущихся работ позволяют не только снизить до минимума возможность возникновения аварийных ситуаций в процессе строительства и избежать необоснованных дополнительных деформаций зданий и инженерных сооружений, расположенных в зоне влияния строительства, но и уменьшить стоимость строительно-монтажных работ
[5].
При возведении подземных зданий и сооружений крайне важна экономия трудозатрат, материально-технических ресурсов, улучшение технологических показателей. С целью достижения данных критериев автором разработан наиболее эффективный метод поярусного возведения зданий и сооружений для унифицированных габаритных схем при определенных размерах в плане, ранее не публиковавшийся. Рассмотрим его подробнее.
Подземные сооружения унифицированных габаритных схем имеют размеры в плане от 30*30 до 80*80 м. Форма в плане может быть квадратной, круглой или криволинейной. На рис. 1 представлено сечение по подземному сооружению круглого очертания. Рекомендуемые высоты этажей - 3-5 м и более (при соответствующем обосновании). Конструктивная схема здания или сооружения может быть перекрестно стеновой или смешанного типа. Рекомендуется первоначально задаваться следующими габаритами конструкций для прочностного анализа: высоту ригеля
принимают (- —)1, где I - шаг колонн или длину 8 12
ригеля, ширину ригеля принимают равной габариту колонны, высоту сечения колонны принимают
- -1)1, где I - шаг колонн, толщину контурных стен
принимают равной 300-400 мм, внутренних - 200 мм. Габариты конструкций - размеры ригелей, шаг и размеры колонн, толщину плит перекрытий - в каждом конкретном случае окончательно назначают в зависимости от расчета по первой и второй группе предельных состояний.
Здание условно разобьем на несколько ярусов. Первый ярус включает в себя технический этаж высотой около 5-7 м из условия оптимальной работы техники и механизмов и 3-4 этажа непосредственно самого здания. Таким образом, конструкции над техническим этажом придают жесткость и устойчивость системе и при погружении перераспределяют вертикальные нагрузки на внешние контурные стены. Все узловые сопряжения являются жесткими. Ярус соответствует 3-4 этажам сооружения, исходя из условий равномерного погружения возведения и меньших возникающих внутренних усилий в конструкциях каркаса. Возведение первого яруса можно производить
на грунтовом основании или в предварительно разработанном котловане в зависимости от залегающих грунтов на месте производства работ. Предварительно возводят монолитный каркас при помощи различных опалубочных систем или каркас из сборного железобетона.
Рис. 1. Сечение по подземному сооружению
За возведением первого яруса следует его погружение в грунт. После возведения каждого яруса производится дальнейшее погружение здания. При погружении сооружения необходим тщательный геотехнический мониторинг. Отметим, что технический этаж на стадии возведения наземной части и погружения не имеет внутренних колонн. Колонны устанавливаются лишь при устройстве фундаментной плиты.
Разработку грунта начинают производить экскаватором от центральной части к периферии котлована, к ограждающим контурным стенам. Разработанный грунт транспортируется бульдозером к технологическому проему для извлечения. Таким образом, около ограждающих стен остаются неразработанные бермы грунта, затем разрабатывают грунт между опорными точками, и возможно, что сооружение срежет оставшийся грунт под опорными точками, в ином случае останется расчетное количество опорных точек. На эти точки опирается сооружение, и, когда начнется разработка грунта под опорными точками, будет происходить погружение сооружения. Отметим, что перед погружением и в процессе погружения сооружение опирается на внешние контурные стены, которые имеют ножевую часть. Во время возведения надземной части контурные стены опираются на подготовленное временное основание, а именно на временные фундаментные конструкции. Перед погружением временные фундаментные конструкции разбираются, и сооружение ставится на грунт. Ножевая часть устраивается в виде металлической конструкции, которая способна срезать грунт (рис. 2). На рис. 3 изображено решение выступа ножевой части контурных стен. Когда сооружение начнет опираться на внутренние промежуточные стены, погружение прекращается. Это предотвращает резкое погружение сооружения и сводит к минимуму внештатные ситуации. В статическом положении часть вертикальных нагрузок воспринимают не только внешние контурные стены, но и внутрен-
ние, происходит перераспределение нагрузок, что обеспечивает устойчивое состояние сооружения. Схема земляных работ представлена на рис. 4 и 5. На рис. 6 изображено сечение по техническому этажу.
Рис. 2. Ножевая часть контурных стен: 1 - стенки колодца из железобетона; 2 - щель, заполненная раствором бентонитовой глины; 3 - ножевая часть, сваренная из стали
Рис. 3. Узел 1:1 - стенки колодца из железобетона; 2 - щель, заполненная раствором бентонитовой глины; 3 - глиняный замок; 4 - два слоя плотной резины; 5 - анкер
Опорное пленки
сооружения
Опорные moui^u сооружени я
Опорные тонки сооружения
Опорные mouiiu сооружения
Рис. 4. Схема производства земляных работ в техническом этаже: разработка грунта в центральной части: 1 - миниэкскаватор; 2 - бульдозер или фронтальный погрузчик
Опорные тайки сооружения
Опорные тонки сооружения
ИГ ■Ü ш Щ Л
III , ш г I III ш
Щ <й
Ш ж <2ь 1 V щ
Ж -W-J- Hj 1 1 \ 1 im
" WA II уу. Г/-/7 Г
^Опорное точки '? сооружения
-1
\priQpH
Г-Г-.1-1 г
ье точки
сооружении
Рис. 5 Схема производства земляных работ в техническом этаже: разработка периферийных грунтовых берм и последующая разработка грунта под опорными точками: 1 - миниэкскаватор; 2 - бульдозер или фронтальный погрузчик (цифрами I, II, III, IV обозначена последовательность разработки грунтовых берм)
Рис. 6. Сечение 1-1
Во избежание «зависания» конструкций внешние контурные стены покрываются антифрикционным покрытием либо вокруг сооружения устраивается слой из раствора бентонитовой глины, который исключает трение между сооружением и грунтом.
При работе машин и механизмов в техническом этаже выделяется большое количество выхлопных газов, что негативно сказывается на производительности труда и здоровье работников. Для устранения вредных газов и обеспечения оптимальной работы техники необходимо устроить систему вентиляции технического этажа, обеспечить отвод газов из технического этажа и приток свежего воздуха. Заметим, что данная система вентиляции имеет значительную себестоимость.
Наибольшая высота здания принимается по прочностным и деформативным характеристикам сооружения.
Необходимо отметить, что все горизонтальные нагрузки от давления окружающего грунта, сейсмические или динамические воздействия от оборудования распределяются на горизонтальные диски жесткости -монолитное или сборное перекрытие с ригелями и без таковых. В перекрытии необходим проем или несколько проемов для извлечения грунта, доставки различных механизмов и людей. Расположение проемов перекрытий в плане должно быть таким, чтобы общая жесткость здания не уменьшалась и воспринимались все нагрузки без ущерба прочности, надежности, устойчивости.
Данный способ отличается от ранее известных: открытого, закрытого, полузакрытого способа и опускных методов. Предложенный метод предполагает погружение здания поярусно, где за ярус принимается 3-4 этажа. Погружение производится вместе с ограждающими стенами, ригелями, перекрытиями и колоннами. Данный метод относится к методам Тор-йсмп, но происходит погружение значительной целой части здания или сооружения (ярус). При данной схеме возведения подземных сооружений отпадает необходимость в анкерном креплении, большой толщине контурных стен, временных распорках между ограждаю-
щими конструкциями. Погружение сооружения происходит за счет собственного веса, дополнительного веса, устанавливаемого на конструкциях, пригрузки.
Немаловажное значение при строительстве имеют местные инженерно-геологические условия. От наличия на месте строительства различных грунтов (от песчаников, глинистых грунтов до скальных пород) зависит метод производства земляных работ (от использования различной техники и механизмов, методов гидромеханизации до взрывных работ). При стесненных городских условиях и при малой несущей способности, текучести, большой пластичности грунтов сначала различными методами возводят ограждение котлованов, а затем сооружение или ограждение котлована возводится одновременно с самим сооружением, как в поярусном методе. При производстве работ в обводненных грунтовых условиях можно применить различные методы водопонижения и водоотведения и использовать в качестве гидроизоляции дна котлована противофильтрационную завесу по струйной технологии.
Рассмотрим технологию возведения подземных сооружений и заглубленных частей зданий поярусным методом поэтапно (рис. 7-11). Изначально совершаются подготовительные работы: производят выравнивание строительной площадки, наносят разметку осей, устраивают временное грунтовое основание, чтобы передать на него нагрузку от возводящихся этажей на период надземного строительства, а уже затем переходят к первому этапу. Первый и третий этапы состоят из следующих основных операций: установка арматурных каркасов, установка опалубки, укладка бетонной смеси, снятие опалубки (см. рис. 7, 9). Второй и четвертый этапы включают разработку грунта в техническом этаже экскаватором, транспортировку грунта бульдозером или фронтальным погрузчиком до технологического проема, извлечение грунта экскаватором с грейферным оборудованием или краном с бадьей, контроль погружения сооружения (см. рис. 8, 10). Пятый этап охватывает установку арматурных каркасов, установку опалубки, укладку бетонной смеси (см. рис. 11).
Рис. 7. Первый этап: возведение первого яруса (технический этаж и 3-4 наземных этажа): 1 - автобетоносмеситель; 2 - автобетононасос
Рис. 8. Второй этап: погружение первого яруса (технический этаж и 3-4 наземных этажа), разработка грунта: 3 - экскаватор; 4 - бульдозер; 5 - экскаватор с грейферным оборудованием; 6 - автосамосвал
Рис. 9. Третий этап: возведение второго яруса (3-4 наземных этажа): 1 - автобетоносмеситель;
2 - автобетононасос
Рис. 10. Четвертый этап: возведение второго яруса (4 наземных этажа), разработка грунта: 3 - экскаватор; 4 - бульдозер; 5 - экскаватор с грейферным оборудованием; 6 - автосамосвал
Рис. 11. Пятый этап: возведение фундаментной плиты: 1 - автобетоносмеситель; 2 - автобетононасос
Как видно из всего вышесказанного, возведение заглубленных зданий и подземных сооружений по-ярусным методом имеет ряд преимуществ перед другими методами: это экономия материалов, оптимизированная конструктивная схема для погружения и дальнейшей эксплуатации сооружения, улучшенные технологические характеристики. Подземное строи-
тельство объективно необходимо, оно обусловлено естественным ходом развития городов. Всевозрастающий объем строительства скоро уже нельзя будет освоить одними лишь традиционными методами возведения подземных сооружений: нужны новые идеи, новые методы, новая техника.
Статья поступила 16.04.2014 г.
Библиографический список
1. Конюхов Д.С. Использование подземного пространства: учеб. пособие для вузов. М.: Архитектура-С, 2004. 296 с.
2. Булычев Н.С. Основы методики научных исследований в подземном строительстве: лекции. Тула, 1986. 57 с.
3. Драновский А.Н., Фадеев А.Б. Подземные сооружения в промышленном и гражданском строительстве: учеб. пособие для студентов вузов по специальности ПГС. Казань: Изд-во КГУ, 1993. 355 с.
4. Современные технологии комплексного освоения подзем-
ного пространства мегаполисов / В.Н. Теличенко [и др.]. М.: АСВ. 2010. 360 с.
5. Терёшин М.Ю. Технология строительства методом «TOP&DOWN» - перспектива развития градостроительства в центральных районах городов России с исторически сложившейся плотной застройкой // Студенческий научный форум: мат-лы V Междунар. студенческой электронной научной конференции (15 февраля - 31 марта 2013 г.) [Электронный ресурс]. URL: www.scienceforum.ru/2013/pdf/6363.pdf
