Строительные решения / Опыт применения высоконапорной струйной цементации при реконструкции здания цирка (г. Минск)  

В статье рассмотрен опыт применения высоконапорной струйной технологии JetGrouting в сложных грунтовых условиях при реконструкции здания цирка в г. Минске и других объектов Республики Беларусь.

Реконструкция существующей застройки все чаще приводит к необходимости решать сложные геотехнические задачи. К ним можно отнести удержание конструкций существующих зданий и сооружений и исключение их деформаций при строительстве в непосредственной близости от них новых, устройстве дополнительных подземных объемом в существующих зданиях, в том числе ниже уровня подземных вод и в неблагоприятных грунтовых условиях. Неправильно выбранная технология и последовательность выполнения работ, недостаточная изученность или недооценка инженерно-геологических условий площадки строительства зачастую приводят к необратимым последствиям или значительным дополнительным затратам на устранение аварийных ситуаций. При выборе способов, технологии и последовательности работ в таких случаях важную роль играет наличие парка строительного оборудования у подрядных организаций. Новые технологии и оборудование существенно расширяют технические возможности, их применение позволяет получить больший эффект в сравнении с традиционными методами усиления оснований и фундаментов, решать ранее технически невыполнимые задачи в сложных инженерно-геологических условиях. Использование новейших технологий и оборудования – одно из направлений интенсивного развития строительной отрасли республики.

Среди современных технологий и оборудования можно выделить вибрационную технику, оборудование для задавливания свай, технологию «полого шнека» и др. Особо следует отметить появление на рынке строительных услуг оборудования для инъекционного упрочнения грунта по технологии Jet Grouting– «струйной технологии» (рис. 1). Это оборудование имеет широкие возможности как для устройства свай в виде неармированных (или с центральным армированием) бетонных столбов диаметром 2,0–2,5 м, так и для улучшения свойств грунтов с недостаточной несущей способностью. Положительной стороной такого оборудования является отсутствие динамических воздействий при производстве работ, что позволяет применять его в новом строительстве, вблизи существующих зданий при реконструкции, а также в условиях плотной застройки.

Рис. 1. Оборудование для инъекционного упрочнения грунта по струйной технологии


Струйная технология, известная в большинстве стран как Jet grouting method, является новым научно-техническим направлением в современной геотехнике. Она предусматривает выполнение таких операций как:
– подземное гидравлическое разрушение естественной структуры грунтов, в том числе на большой глубине;
– вынос на поверхность земли разрушенных грунтов (частично или полностью);
– перемешивание разрушенных грунтов с твердеющим раствором или полное их замещение материалом с заданными свойствами.

Применение оборудования JetGrouting (см. рис. 1) позволяет решать широкий спектр технических задач: закреплять слабые естественные и насыпные грунты (мелиорация грунтов) с изменением характеристик и структуры грунтового массива на месте залегания (in situ) или замещением их твердеющими материалами, выполнять подземные несущие и противофильтрационные конструкции, элементы зданий и сооружений, отдельные сооружения и создавать массивы грунтов с заданными свойствами. С помощью струйной технологии можно сооружать под землей фундаменты, сваи, искусственные основания, подпорные стены, горизонтальные или наклонные плиты и экраны, противофильтрационные диафрагмы, завесы и ванны, дренажные конструкции и пр.

Высоконапорная струйная цементация предполагает следующую последовательность работ:
– в предварительно пробуренную технологическую скважину (рис. 2) опускают специальный монитор, имеющий боковую насадку (возможно и несколько боковых насадок) с соплами

Рис. 2. Сооружение грунтобетонных колонн по однокомпонентной технологии

1 — технологическая скважина;
2 — буровой станок;
3 — струйный однокомпонентный монитор;
4 — высокоскоростная струя твердеющего раствора;
5 — закачка раствора;
6 — размываемая полость;
7 — изливающаяся пульпа;
8 — грунтобетонная колонна

к монитору подают по гибкому рукаву размывающую жидкость, например, цементный раствор. При этом из сопла насадки под большим напором выходит высокоскоростная струя раствора, которая размывает грунт, образуя в нем горизонтальную каверну. Размытый грунт вместе с отработанным раствором частично выносится на поверхность в виде пульпы;
– монитор приводят во вращение вокруг вертикальной оси при одновременном медленном извлечении.

В результате, по мере подъема вращаемого монитора часть размытого вращаемой струей грунта (в пределах радиуса ее размывающей способности) перемешивается с раствором. Таким образом, в грунтовом массиве образуется цилиндрический столб из грунтоцементной смеси, который после завершения подъема монитора и затвердевания создает несущий или противофильтрационный элемент из закрепленного грунта (грунтобетона).

Технология высоконапорной цементации грунтов нашла применение на ряде объектов в Минске и других городах Беларуси. При реконструкции здания Минского городского штаба МЧС применение высоконапорной струйной цементации позволило создать по контуру деформированной железобетонной фундаментной плиты грунтоцементные опоры с консолями. Неправильное армирование этой плиты при неверно принятой расчетной схеме привело к неравномерным ее осадкам и деформациям надземных конструкций здания.

С использованием метода Jet Grouting выполнено закрепление грунтов у наружной стенки колодца для входа и выхода проходческого щита при строительстве канализационного коллектора «Центр» в г. Минске (см. рис. 1). Такое решение позволило исключить вывалы грунта.

Особый интерес представляет опыт применения метода Jet Grouting при реконструкции здания цирка в г. Минске. В процессе реконструкции для устройства магазина сменных арен требовалось выполнить заглубленный объем. В непосредственной близости к нему располагались существующие фундаменты трибун. Основанием фундаментов здесь служили пески. Геотехнические условия строительства оказались сложными – отметка дна котлована располагалась ниже уровня подземной воды на »3,5 м (здание цирка расположено на берегу р. Свислочь), а песчаные грунты основания имели большие коэффициенты фильтрации. Устройство водопонижения в таких условиях неизбежно могло повлечь значительные неравномерные осадки фундаментов и деформации существующих конструкций здания. Исключалось также использование крупногабаритной буровой техники для устройства свай в составе ограждающих стен магазина сменных арен в связи со стесненностью площадки внутри здания и значительным объемом демонтажа существующих конструкций. Задача оказалась технически сложно разрешимой, а при возможности ее осуществления значительно увеличились бы сроки и стоимость строительства.

В связи с этим, генеральный проектировщик – институт «Минскпроект» – обратился за консультацией к специалистам кафедры «Геотехника и экология в строительстве» БНТУ. Под научным руководством заведующего кафедрой, доктора технических наук, профессора М. И. Никитенко был разработан проект создания противофильтрационной ванны с учетом действующих в Беларуси ТНПА [1–5]. Стенки и днище ванны выполняли из пересекающихся свай и цилиндрических элементов в обводненном грунте по технологии высоконапорной инъекции с помощью малогабаритного оборудования JetGrouting (рис. 3). Для ограждения ванны и примыкающего к ней менее заглубленного котлована было предложено устройство свай диаметром 800 мм и длиной 9,25 и 4,00 м (рис. 4, 5).

Рис. 3. Устройство противофильтрационной ванны установкой JetGrouting при реконструкции здания цирка


Первоначальным вариантом предусматривалось армирование таких буроинъекционных свай жесткой арматурой в виде двутавров. Однако сложности с их установкой в проектное положение по причине стесненности и невозможности использования оборудования требуемой грузоподъемности в условиях существующего здания вынудили искать альтернативные способы армирования свай. В окончательном варианте для армирования свай были применены высокопрочные полые стержни типа «Титан» с винтовой накаткой, соединяемые по длине секциями при помощи навинчиваемых муфт. Для устройства водонепроницаемого днища и исключения попадания воды в котлован ниже отметки его дна предусматривалось устройство с поверхности цилиндрических элементов диаметром 1000 мм с их взаимным пересечением.

Рис. 4. Схема расположения буроинъекционных свай в составе стен и днища ванны с ограждением примыкающего котлована для магазина сменных арен.


Рис. 5. Продольный разрез ванны


В процессе разработки грунта внутри ванны выявился ряд проблем. Если прочность выполненной конструкции не вызывала сомнений, то проникание воды через стенки и по стыку стенок с днищем ванны создало определенные трудности при производстве работ. Напорная вода попадала в котлован через небольшие щели между стволами свай, что обусловлено их изготовлением при отрицательной температуре в январе–феврале 2010 года. Оборудование же Jet Grouting не предназначено для работы зимой. Замерзание воды и цементного раствора приводило к остановке процесса размыва и инъекции, что и послужило причиной брака. Несмотря на небольшие размеры щелей между стволами свай (ширина 5–10 см и высота до 30 см), устранение протечек оказалось достаточно сложной инженерной задачей ввиду значительного количества поступающей воды и ее напорного характера. В решении этой задачи оказали помощь российские коллеги, предложившие соответствующие технологию и материалы. В частности, для закупорки зазоров между сваями использовалась вспенивающаяся полиуретановая смола. Таким образом, возникшие проблемы были преодолены, что позволило перейти к выполнению дальнейших работ – гидроизоляции стенок и днища, армированию и бетонированию основной (прижимной) стенки и днища магазина сменных арен (рис. 6).

Применение при реконструкции здания цирка оборудования для высоконапорной инъекции JetGrouting позволило значительно удешевить и сократить сроки строительства.

Сотрудниками кафедры «Геотехника и экология в строительстве» БНТУ накоплен опыт разработки проектных решений на ряде объектов (один из них отражен в публикации [6]) по улучшению свойств грунтов с применением оборудования JetGrouting.

Рис. 6. Установка опалубки и армирование основной (прижимной) стенки и днища магазина сменных арен


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Основания и фундаменты зданий и сооружений: СНБ 5.01.01-99. – Минстройархитектуры. – Минск, 1999. – 36 с.
2. Проектирование и устройство оснований из армированного грунта: Пособие П10-01 к СНБ 5.01.01-99. – Минстройархитектуры. – Минск, 2002. – 44 с.
3. Геотехнические реконструкции оснований и фундаментов зданий и сооружений: Пособие П10-01 к СНБ 5.01.01-99. – Минстройархитектуры. – Минск, 2001. – 120 с.
4. Проектирование и устройство буроинъекционных анкеров и свай: Пособие П18-04 к СНБ 5.01.01-99. – Минстройархитектуры.– Минск, 2005. – 79 с.
5. Фундаменты и подземные сооружения, возводимые с использованием струйной технологии. Правила проектирования и устройства: ТКП 45-5.01-45-2006 (02250). – Минстройархитектуры. – Минск, 2006. – 33 с.
6. Никитенко, М. И. Опыт анкерования ограждений глубоких котлованов / М. И. Никитенко [и др.] // Строительная наука и техника. – 2008. – № 3(18). – С. 10–20.

Игорь Бойко,
Журнал "СТРОИТЕЛЬНАЯ НАУКА И ТЕХНИКА"

❗️Пора! Набор на 2-ой сезон Телеграм-битвы проектных команд! 
Зачем это нужно?! Сплотить проектную команду и показать вашу компанию изнутри для кандидатов на открытые вакансии!