Проектирование ограждения котлована

Строительство глубоких котлованов всегда считалось одной из наиболее сложных задач подземного строительства. Для строительства подземной инфраструктуры необходимо применение новых технологий, позволяющих производить строительство в условиях плотной городской застройки. Строительство открытым и закрытым способом многоуровневых подземных автостоянок жилых и торговых комплексов, инженерных коммуникаций, транспортных тоннелей, пешеходных переходов и других подземных сооружений начинается с устройства ограждающей конструкции котлована.
Строительство подземных сооружений открытым способом может осуществляться как в котлованах без крепления, борта которых сформированы под углом естественного откоса грунта, так и в котлованах, подкрепленных ограждающими конструкциями. Устройство котлованов в откосах является наиболее простым и, как правило, экономичным решением, однако применение этого способа встречает множество ограничений, особенно в условиях стесненной городской застройки.
Рассмотрим основные типы ограждающих конструкций применяемых для крепления бортов котлованов.
Ограждение из труб
Данная конструкция ограждения котлована является наиболее экономичной и заключается в погружении в пробуренные скважины металлических труб (обычно бывших в употреблении) диаметром 114-530 мм. По мере разработки грунта в котлована между металлическими элементами устанавливается забирка из деревянных досок, препятствующая осыпанию грунта в котлован.
Диапазон применения ограждения ограничивается, как правило, глубинами котлована до 5 м. Ограждение из труб не является водонепроницаемым, поэтому в случае его использования в водонасыщенных грунтах требуется применение водопонижения, которое может привести к дополнительным осадкам зданий окружающей застройки.

Рис. 1. Ограждение котлована из труб.

Металлический шпунт (типа Ларсена)
Шпунтовые ограждения котлованов широко используются в гидротехническом строительстве в водонасыщенных грунтах. Замковое соединение шпунтин защищает от поступления воды в котлован. Наиболее распространёнными формами являются металлические шпунты U-, Z-, H- образного поперечного сечения. Установка шпунта в грунт осуществляется обычно вибропогружением.
Ограничением использования шпунта является невозможность его погружения в насыпные грунты с включением строительного мусора, а также в гравелистые и полускальные грунты. Кроме того, качественный металлический шпунт иностранного производства обладает достаточно высокой стоимостью и большими сроками его поставки. 
Принято считать, что шпунт обладает оборачиваемостью, т.е. один и тот же шпунт можно несколько раз использовать для крепления разных котлованов. Однако, на самом деле достать шпунт из плотного грунта достаточно сложно, извлечь получается только 50%, а порой и вовсе невозможно, особенно, если в днище котлована выполнена горизонтальная противофильтрационная завеса методом струйной цементации.

Рис. 2. Шпунтовое ограждение типа Ларсен.

Ограждение котлованов из буронабивных свай
Для устройства буронабивных свай в обводненных грунтах бурение выполняют под защитой обсадной трубы, бетонирование скважины происходит с помощью поднимаемой бетонолитной трубы, последняя операция - это погружение арматурного каркаса в несхватившийся бетон.
Для устройства ограждений котлованов, как правило, применяют буросекущиеся сваи диаметром 600-1000 мм. Достаточно высокая прочность и жесткость свай позволяет разрабатывать под их защитой котлованы глубиной до 15-20 м. 
Применение буронабивных свай значительно увеличивает продолжительность и стоимость строительства и не всегда обеспечивает водонепроницаемость стен котлована из-за расхождения свай на больших глубинах.

Рис. 3. Ограждение из буронабивных свай.

«Стена в грунте»
Устройство ограждений котлованов по технологии «стена в грунте» состоит в отрывке глубоких узких траншей под защитой глинистого раствора с последующим бетонированием методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ). Траншеи разрабатываются отдельными захватками, длина которых в плане соответствует размерам навесного оборудования и составляет обычно 2-3 м.
«Стена в грунте» является наиболее надежной ограждающей конструкцией, обладает максимальным предельным изгибающим моментом и позволяет выполнять самые глубокие котлованы. Но обратной стороной медали является ее стоимость. «Стена в грунте» - самая дорогая технология ограждения котлованов.
Кроме того, при устройстве «стены в грунте» в техногенных пористых грунтах или в трещиноватых известняках возможен уход бентонитового раствора. В этом случае необходимо выполнять предварительную цементацию грунтов, что повышает и так высокую стоимость.

Рис. 4. «Стена в грунте» с анкерным креплением.

Ограждение котлованов при помощи струйной цементации грунтов
Данная технология имеет ряд преимуществ:
- при устройстве котлована в обводненных грунтах ограждение из грунтоцементных колонн выполняется также функцию противофильтрационной завесы и защищает от поступления воды в котлован;
- высокая производительность (до 150 пог.м в смену);
- минимальное влияние на окружающую застройку (отсутствуют ударные и вибрационные воздействия);
- возможность выполнять сваи ограждения котлована в стесненных условиях, например, на расстоянии 300 мм от стены здания, а также под консольными частями зданий при помощи малогабартиных буровых установок;
- устройство грунтоцементных свай диаметром 600-3000 мм.
Для восприятия изгибающих моментов сваи армируются металлическими трубами диаметром 114-273 мм или двутаврами.
В плане ограждающая конструкция может быть выполнена различной конфигурации: один ряд касательных или отдельно стоящих свай, в шахматном порядке, два ряда для большей надежности, в виде гравитационной стены.
Возможен комбинированный вариант устройства ограждения котлована из буронабивных и грунтоцементных свай. Всю боковую нагрузку от грунта воспринимают буронабивные сваи, а грунтоцементные сваи выполняются между буронабивными сваями и исполняют роль противофильтрационной завесы.
Для более глубоких и ответственных котлованов ограждение котлована можно выполнить в два ряда (первый ряд выполняется из бурокасательных свай или труб, а второй ряд из грунтоцементных колонн).

Рис. 5. Ограждение котлована из грунтоцементных свай.

В неглубоких котлованах (до 3-5 м) устойчивость ограждения котлована обеспечивается за счет защемления его ниже дна котлована.
Строительство котлованов глубиной более 5 м требует применения различных способов их крепления, позволяющие снизить моменты в ограждении и его деформации.
Для обеспечения устойчивости глубоких котлованов используется распорная система из труб или крепление при помощи грунтовых анкеров.
Те, кто уже имел опыт работы в котловане с анкерным креплением, знают, что вести разработку грунта и монолитное строительство в котловане свободном от распорных конструкций гораздо быстрее и проще. Это позволяет сократить общие сроки и стоимость работ.
Грунтовые анкера обычно выполняют для удержания борта котлована или для повышения устойчивости откосов. Наиболее оптимальным с точки зрения удобства разработки грунта и проведения монолитных работ является крепление ограждающей конструкции грунтовыми анкерами.
По конструкции анкерной тяги различают следующие виды анкеров:
Стержневые анкера
Технология устройства стержневых анкеров анкера заключается в следующем:
- бурение скважины;
- погружение анкерной тяги из арматуры вместе с двумя инъекционными трубками;
- нагнетание цементного раствора для заполнения скважины (первая инъекционная трубка);
- опрессовка скважины (вторая инъекционная трубка).
Наиболее часто стержневые анкера применяются при условии устойчивости стенок скважины. 
Для обеспечения длины анкера больше 12,0 м (стандартная длина арматуры), могут применятся винтовая арматура на муфтовом соединении. 
Не смотря на кажущуюся простоту устройства инъекционного анкера, он имеет следующие недостатки:
 - ограниченная длина анкера. Арматурные стержни имеют длину обычно 11-12 м;
 - трудоемкость процесса устройства анкера, соответственно низкая производительность работ;
 - устройство инъекционных анкеров в обводненных грунтах затруднено и требует буровых установок с двойным вращателем и бурения с обсадными трубами.
Прядевые анкера
Анкерной тягой у прядевых анкеров являются стальные арматурные канаты (пряди). В зависимости от нагрузки подбирается требуемое количество канатов. 
Технология устройства прядевых анкеров выполняется в следующей последовательности:
- бурение скважины под обсадной трубой;
- погружение прядевого анкера;
- извлечение обсадной трубы;
- заполнение скважины цементным раствором и опрессовка скважины.
Диаметр корня прядевых анкеров определяется диаметром обсадных труб и составляет обычно 130-150 мм.
Необходимая нагрузка на анкер обеспечивается за счет увеличения количества прядей. Максимальное количество прядей обычно составляет 6-7 шт. Возможно увеличение количества канатов в случае бурения скважины большего диаметра.
При условии работы обсадными трубами производительность устройства прядевых или стержневых анкеров составляет обычно 30-60 пог.м анкеров в смену (12 ч).

Рис. 6. Конструкция прядевого анкера.

Анкера с использованием полных буровых штанг (Titan, Атлант)
Сущность технологии устройства таких анкеров заключается в совмещении операций бурения и цементации. Бурение выполняется специальными полыми буровыми штангами, которые по окончании бурения остаются в анкере в качестве армирующего элемента. 
Штанги имеют винтовую поверхность и соединяются между собой при помощи муфт. Длина штанг обычно составляет 3 м. Также штанги могут иметь длину 2 м и 1 м, такие штанги используются в основном для работы в стесненных условиях.
Диаметр корня для таких анкеров зависит от диаметра буровой коронки и может составлять 150-200 мм.
Поверхность корня анкера имеет корневидную структуру, что обеспечивает высокую несущую способность.
В случае устройства корня анкера по технологии струйной цементации Jet 1 диаметр корня анкера может составлять 300-600 мм. В этом случае повышается несущая способность анкеров по грунту. Анкера, выполненные с использованием струйной цементации, получили название MiniJet.
Преимущества:
- высокая несущая способность по грунту и материалу;
- минимальные продольные перемещения анкера в связи с большой жесткостью;
- высокая производительность (100-150 пог.м анкеров в смену);
- возможность устройства анкеров в обводненных грунтах без обсадных труб;
- есть отечественные производители штанг, что гарантирует минимальные стоимость и сроки поставки анкеров на объект.

Рис. 7. Анкерное крепление винтовыми штангами.

Расчет грунтовых анкеров может быть выполнен по нескольким методикам: ВСН 506-88, ЦНИИС МинТрансСтроя и DIN 1054-2005.
Расчет несущей способности анкеров удобнее выполнять в программе GeoAnchor или GeoWall.

Рис. 8. Расчетная схема «стены в грунте» с анкерным креплением в программе GeoWall.

Противофильтрационные завесы
Строительство котлованов в устойчивых грунтах не представляет трудностей, однако задача многократно усложняется, когда грунтовый массив находится в обводненном состоянии. В таких случаях выполняют шпунтовое ограждение котлована до глубины залегания слоя естественного водоупора. Водоупорным слоем обычно является твердые или полутвёрдые глины.
Иная ситуация наступает, когда естественный водоупор отсутствует или находится на значительной глубине, при которой его достижение ограждающими конструкциями становится экономически нецелесообразным. Применение водопонижения является иногда опасными в связи с суффозионными процессами, негативно влияющими на фундаменты близко расположенных зданий и сооружений.
Сегодня такая задача может быть успешно решена с помощью технологии струйной цементации грунтов, позволяющей создать искусственный слой водоупора — горизонтальную противофильтрационную завесу (ПФЗ).
Часто встречающимися задачами является устройство ПФЗ при строительстве стартовых и приемных котлованов для прокладки коммуникаций методом микротоннелирования. Часто камеры для микротоннелирования залегают в слабых водонасыщенных грунтах, что требует обеспечения их водонепроницаемости для производства работ.
Основным требованием к противофильтрационным завесам является обеспечение водонепроницаемости. Поэтому при проектировании завес необходимо правильно назначать диаметр и шаг грунтоцементных колонн. При расчете шага свай необходимо учитывать возможное отклонение сваи от вертикали (1-2%). Для обеспечения воднонепроницаемости завесы рекомендуем расчтитывать с целью их гарантированного пересечения на глубине.

Рис. 9. Проектное и фактическое отклонения колонн противофильтрационной защиты.

В случае проектирования ПФЗ для основания различных транспортных или гражданских сооружений (тоннели, станции метро, котлованы) необходимо также проводить расчет ПФЗ на всплытие.
Для каждой задачи наша компания выбирает оптимальный метод ограждения котлованов, позволяющие качественно выполнить крепление бортов котлована в кратчайшие сроки и с минимально допустимыми осадками окружающих зданий. В случае необходимости помогаем проходить экспертизу разработанного проекта.