CC BY
13
Выбор метода погружения шпунта при берегоукреплении в условиях
плотной городской застройки
Н.Л. Лукина
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург
Аннотация: Статья посвящена анализу методов погружения шпунта при возведении берегоукрепительного сооружения в условиях плотной городской застройки. В работе рассматриваются четыре метода: забивка, вибропогружение (при необходимости с применением лидерного бурения), вдавливание, виброударный. Приведены сравнительные характеристики вышеуказанных методов погружения. Делается заключение, что в условиях плотной городской застройки: а) наименее предпочтительным является метод забивки, вследствие сильного шумового загрязнения и негативно влияния на фундаменты в близи места производства работ; б) при наличие плотных грунтов методы вдавливания или вибропогружения не подходят, а следует применять виброударное погружение; в) при наличии слабых грунтов возможно применение как метода вдавливания, так и вибропогружения; г) в условиях ограниченной строительной площадки, лучшим метод погружения может стать вибропогружение. Итогом работы является создание алгоритма выбора метода погружения шпунта для берегоукрепления с неоднородными грунтами.
Ключевые слова: погружение шпунта, методы погружения, лидерное бурение, берегоукрепление, плотная городская застройка.
Ряд российских городов, такие, как Санкт-Петербург, Москва, Нижний Новгород и др. имеют протяженную береговую линию вдоль рек. В то же время прослеживается высокая плотность застройки вдоль данных береговых линий, которые периодически необходимо укреплять для предотвращения обрушения. Одним из возможных элементов для осуществления берегоукрепительных работ является стальной шпунт [1,2]. Благодаря уникальной форме, его легко транспортировать, период возможной эксплуатации насчитывает десятки лет, существует большое количество механизмов и машин, применяемых для монтажа и др. Из отдельных шпунтин возможно формирование как ортогональных, так и криволинейных берегоукрепительных сооружений, шпунтовых ограждений, которые подходят как для формирования портовых, так и береговых зон, так как береговая линия редко бывает прямолинейной. Благодаря существующей
связи отдельных шпунтин, конструкция способна выдерживать значительные нагрузки и при этом оставаться надежным берегоукрепительным сооружением [3 - 5]. Высокая прочность и устойчивость позволяют монтировать шпунтовые ограждения на грунтах с высоким уровнем грунтовых вод и болотистых почвах.
В данной статье рассматриваются методы погружения шпунта корытного профиля Ларсен в условиях плотной городской застройки для берегоукрепления.
Целями работы являются:
1) Рассмотрение/сравнение возможных методов погружения шпунта корытного профиля в условиях плотной городской застройки;
2) Сравнение средств механизации, с помощью которых будет осуществляться погружение шпунта.
Для выполнения берегоукрепительных работ в плотных и слабых грунтах рассмотрены несколько методов погружения шпунта: забивка, вибропогружение (при необходимости с применением лидерного бурения), вдавливание, виброударный.
Забивка. Это самый доступный по цене и быстрый метод погружения шпунта. Технология представляет собой использование специальных молотов большой массы, где ударная часть перемещается по вертикали и передает кинетическую энергию шпунту через демпферные прокладки-амортизаторы. Под действием этих сил происходит погружение.
Существует три вариации молотов для забивки: механический, дизельный и гидравлический. Мы отдаем предпочтение гидравлическому молоту вследствие его высокой производительности, электронной регистрации технологических параметров и отсутствия вредных выбросов в процессе производства работ, а также возможности регулировки высоты подъема молота и частоты ударов.
Данный способ погружения имеет следующие ограничения:
• работа молотов сопровождается сильным шумом;
• возможен увод шпунта;
• большие эксплуатационные затраты при механических повреждениях молота [6].
Вибропогружение. Вибрационный метод характеризует высокая производительность и возможность использования несложного комплекса средств механизации, включающего в себя гидравлические вибропогружатели, приводимые в действие автономными дизельными силовыми агрегатами, представленными на рис. 1, или гидравлическими
системами экскаваторов, представленными на рис. 2. [7,8].
Рис. 1. - Принципиальная схема компоновки комплекта оборудования для работы гидравлического вибропогружателя: 1 - пульт дистанционного управления; 2 - дизельный агрегат; 3 - гидравлические масляные шланги; 4 -эластичная подвесная опора шлангов; 5 - амортизатор; 6 - гидравлический двигатель; 7 - дебаланс; 8 - погружаемый элемент; 9 - гидравлический
наголовник (зажим) [7].
Рис. 2. - Вибропогружатель Movax SG-75 [9]
Применение вибрационного метода в процессе погружения шпунта в грунт способствует получению наибольшей производительности при щадящем динамическом воздействии.
Использование гидравлических вибропогружателей, смонтированных на экскаваторах с гидравлическим приводом (рис. 2.), продемонстрировало их высокую эффективность и отсутствие необходимости в отдельно стоящей автономной дизельной силовой машине, так как гидравлическая система вибропогружателя может быть соединена с гидравлической системой экскаватора.
Если в ходе геологических изысканий выявлено наличие слабых грунтов, то шпунт погружают без дополнительных манипуляций. При проведении работ по погружению шпунта в плотные грунты важно отметить необходимость дополнительного применения лидерного бурения. Однако при наличие высокотвердых грунтов и почв с включением каменистых вкраплений устраивают лидерные скважины диаметром от 250 до 600 мм [2].
Для проведения лидерного бурения под шпунт используют мобильные буровые установки (МБУ), представляющие собой самоходную технику на
гусеничном ходу (тракторы, экскаваторы, краны). В процессе выполнения работ осуществляется предварительная разработка скважин, в которые шпунт монтируется вибропогружателями.
Вдавливание. Погружение шпунта данным методом может выполняться с помощью установки, перемещающейся по шпунтовому ряду и с помощью вдавливающих агрегатов [10].
При таком методе погружения шпунтины шпунтового рядя используется в качестве анкеров для передачи реактивных усилий при вдавливании. Установка является самопередвигающейся по ранее погруженной шпунтовой стенке.
Установка передает выдергивающие усилия на грунт при вдавливании в следующем порядке: а) с бетонной подмости, используемой в качестве анкера, вдавливается первый элемент; б) разжимаются гидроцилиндры анкерных зажимных блоков; в) установка подтягивается к погружаемому элементу; г) анкерные крепления переносятся на шпунтовый ряд и шпунт додавливается до проектной отметки. Установка вдавливания может поворачиваться в плане вокруг своей оси на 180°, что позволяет погружать шпунтовые стенки криволинейного очертания в плане [2] (рис. 3).
В некоторых случаях, первый ряд шпунтин может быть погружен вибрационным погружателем.
Виброударный. Виброударный метод погружения подразумевает передачу как вибрационных, так и ударных импульсов шпунту. Таким образом шпунт относительно быстро и легко может преодолевать плотные грунты, где иные методы погружения могут быть не столь результативными [11].
Установка для виброударного погружения представляет собой две рамы: на одной располагается электрогенераторный ударный аппарат, на
другой - стрела с вибропогружателем, который соединяется с шпунтиной
Рис. 3. - Установка вдавливания шпунта системы Still Worker: а - схема
перемещения по шпунтовому ряду; б - внешний вид установок; 1 - анкерные
зажимные блоки; 2 - анкерные шпунтины; 3 - гидроцилиндр горизонтального перемещения; 4 - погружаемый шпунт; 5 - зажимные блоки вдавливающей головки; 6 - гидроцилиндры вдавливания [7].
Заключение. Рассмотрев вышеизложенные методы погружения шпунта, можно отметить, что наименее предпочтительным, в условиях плотной городской застройки, является метод забивки, вследствие сильного шумового загрязнения и негативно влияния на фундаменты в близи места производства работ [12].
Если по факту проведения инженерных изысканий прослеживается наличие плотных грунтов, то методы вдавливания и вибропогружения не подходят и следует применять виброударное погружение.
Если строительная площадка представлена слабыми грунтами, то возможно применение как метода вдавливания, так и вибропогружения. В условиях ограниченной строительной площадки, лучшим метод погружения может стать вибропогружение. Его достоинства: высокая производительность и возможность применения несложного и недорогостоящего комплекса технических средств, состоящего из вибропогружателя и машины для его базирования. Это позволяет уменьшить количество механизмов, находящихся на строительной площадке, её общую площадь, а также логистическую доступность вследствие отсутствия крупного дизель-генератора, что актуально для условий плотной городской застройки. При этом возможно значительное уменьшение суммарного времени динамического воздействия на окружающую среду в связи с высокой скоростью погружения монтируемых элементов в грунт. Однако следует учитывать наличие добавочного трения от вибрации.
Исходя из вышесказанного, сформирован алгоритм (рис. 4) выбора метода погружения шпунта для берегоукрепления с неоднородными грунтами.
При выполнении сравнительного анализа методов погружения шпунта в грунт, была сформирована сводная таблица № 1.
Из данных таблицы можно видеть, что все методы погружения хорошо справляются с прохождением слоя песка, однако отмечено, что при использовании метода вибропогружения при встрече с водоупорным слоем (суглинок) уменьшается максимальная глубина погружения, что способствует снижению эффективности его использования. Однако это не вызывает проблем, если данный слой находится на максимальной проектной
и
глубине погружения. При нахождении слоя суглинка близко к поверхности, для его прохождения можно привлекать лидерное бурение, что позволит продолжить погружение.
Рис. 4. - Алгоритм выбора метода погружения шпунта для берегоукрепления
с неоднородными грунтами
Таблица № 1
Сводная таблица характеристик погружения шпунта
Методы погружения шпунта
Наименование показателя Забивка гидравлическим молотом Вдавливание установкой Still Worker Вибропогруж ение установкой Movax SG-75 Виброударное погружение установкой ВП-1
Максимальная
глубина 7,5 6 7 7
погружения в
слой песка, м.
Максимальная
глубина погружения в 4,5 4 1 4
слой суглинка, м.
Скорость
погружения шпунта без дефектов, м/мин. 0,17-0,2 2,25 3-6 0,1
Выводы:
1. Исходя из результатов анализа приведенных методов погружения шпунта, наиболее перспективным из них для берегоукрепительных работ в условиях плотной городской застройки является вибропогружение, достоинствами которого можно считать высокую производительность и возможность применения недорогостоящего комплекса технических средств.
2. Использование вибропогружателя с гидравлической системой, совместимой с экскаватором, позволяет сократить количество механизмов, находящихся на строительной площадке и адаптировать её логистическую доступность.
3. При наличии в точке погружения шпунта плотных грунтов эффективность вибропогружения может несколько снизиться, однако данную проблему можно решить при привлечении лидерного бурения.
Литература
1. Лукин С.А. К вопросу совершенствования технологии погружения в грунт стального шпунта // Технологии и организация строительства: материалы I Всероссийской межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 80-летию основания кафедры «Строительное производство». 2020. С. 243-250.
2. Лукин С.А. Анализ способов крепления шпунтовых ограждений в условиях слабых водонасыщенных грунтов // Серия «Строительство»: сборник статей магистрантов и аспирантов. Выпуск 4. В 2 томах. Том 2. 2021. С. 203-207.
3. Тютерев, В. В, Рубцов В. Ю. Шпунт корытного типа с повышенными инерционными характеристиками // Строительство и реконструкция. 2021. № 4(96). С. 16-22.
4. Nazarova E. V., Nazarova S. V., Zolotozubov D. G. Journal of Physics: Conference Series: 2, Perm, 26-28 may 2021. Perm, 2021. P. 012049.
5. Stuart D. M. Practice periodical on structural design and construction. 2004. Т.9. №. 4. pp. 194-201.
6. Боярцев А.В., Зайцев М.А., Зуев И.Н., Мангушев Р.А. Полунин В. М. Влияние вибропогружения шпунта на ранее выполненные буронабивные сваи // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2021. № 5. С. 14-21.
7. Верстов В.В., Гайдо А.Н., Иванов Я.В. Технология устройства ограждений котлованов в условиях городской застройки и акваторий. СПб.: СПбГАСУ, 2014. 368 с.
8. Верстов В.В., Гайдо А.Н., Иванов Я.В. Технология и комплексная механизация шпунтовых и свайных работ. СПб.: Лань, 2012. 288 с.
9. Установка вибропогружения MOVAX SG-75. URL: movax.net/piledrivers (дата обращения 06.11.2022)
10. Верстов В.В., Гайдо А.Н. Исследование сравнительной эффективности заглубления стального шпунта в плотный грунт различными погружающими машинами // Механизация строительства. 2013. № 2. С. 4449.
11. Акопян В.Ф., Акопян А.Ф., Панасюк Л. Н., Чантха Х. Новые виды свай // Инженерный вестник Дона. 2011. № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1241
12. Кузнецов М.В. Проектирование ограждения котлована жилого дома в условиях плотной городской застройки в г. Ростове-на-Дону // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4933
References
1. Lukin S.A. Tekhnologii i organizaciya stroitel'stva: materialy I Vserossijskoj mezhvuzovskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, posvyashchennoj 80-letiyu osnovaniya kafedry «Stroitel'me proizvodstvo». 2020. pp. 243-250.
2. Lukin S.A. Seriya «Stroitel'stvo»: sbornik statej magistrantov i aspirantov. Vypusk 4. V 2 tomah. Tom 2. 2021. pp. 203-207.
3. Tyuterev, V. V, Rubczov V. Yu. Stroitel'stvo i rekonstrukciya. 2021. №4 (96). pp. 16-22.
4. Nazarova E. V., Nazarova S. V., Zolotozubov D. G. Journal of Physics: Conference Series: 2, Perm, 26-28 May 2021. Perm, 2021. P. 012049.
5. Stuart D. M. Practice periodical on structural design and construction. 2004. Т.9. No.4. pp. 194-201.
6. Boyarcev A.V., Zajcev M.A., Zuev I.N., Mangushev R.A. Polunin V. M. Osnovaniya, fundamenty i mekhanika gruntov. 2021. №5. pp. 14-21.
7. Verstov V.V., Gajdo A.N., Ivanov Ya.V. Texnologiya ustrojstva ograzhdenij kotlovanov v usloviyax gorodskoj zastrojki i akvatorij. [Technology for pit fencing in urban areas and water areas]. St. Petersburg: SPbGASU, 2014. 368 p.
8. Verstov V.V., Gajdo A.N., Ivanov Ya.V. Texnologiya i kompleksnaya mexanizaciya shpuntovy'x i svajny'x rabot Verstov V.V., Gaido A.N., Ivanov Ya.V. [Technology and complex mechanization of sheet piling and pile work]. St. Petersburg: Lan, 2012. 288 p.
9. Ustanovka vibropogruzheniya MOVAX SG-75. [Vibration immersion installation MOVAX SG-75]. URL: movax.net/piledrivers.
10. Verstov V.V., Gajdo Mekhanizaciya stroitel'stva. 2013. № 2. pp. 4449.
11. Akopyan V.F., Akopyan A.F., Panasyuk L.N., Chantha H. Inzhenernyj vestnik Dona. 2011. № 2. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1241
12. Kuznetsov M.V. Inzhenernyj vestnik Dona. 2018. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4933
