Опускные сооружения
(a. lowered structures; н. Absenkkonstruktionen; ф. constructions descendantes; и. construcciones caedisos, construcciones descendientes) — подземные сооружения разл. назначения, конструкции к-рых возводятся на земной поверхности, a затем опускаются на проектную глубину. Различают O. c.: опускные колодцы, опускную (погружную) крепь, опускные секции, опускные тоннели-кессоны.
Опускные колодцы используются для устройства фундаментов ответств. сооружений или для возведения заглублённых помещений разл. назначения. Впервые их начали применять в Индии св. 2 тыс. лет назад для устройства фундаментов храмов на берегах рек в слабых грунтах; в Европе и России — c кон. 19 в. для устройства опор мостов. Современные опускные колодцы представляют собой полую, открытую сверху и снизу оболочку любого в плане очертания, выполненную из материала, обладающего достаточной прочностью, погружаемую, как правило, за счёт собственного веса в глубь массива по мере выемки из неё грунта (рис.).
Рис. Опускной колодец: 1 — банкетка ножа; 2 — ножевая часть; 3 — замок из плотной глины; 4 — оболочка; 5 — тиксотропный раствор; 6 — форшахта.
Опускные колодцы, используемые для устройства фундаментов, имеют, как правило, круглую форму (диаметр до 4 м), глубина опускания достигает 80 м. При возведении заглублённых помещений (водозаборных и канализационных насосных станций, камер дробления горно-обогатит. комбинатов, скиповых ям доменных печей и др.) применяют конструкции значит, размеров в плане (круглые диаметром до 60 м, прямоугольные до 260x60 м); глубина их опускания достигает 60 м.
Осн. конструктивные элементы опускного колодца: ножевая часть, оболочка и днище, к-poe возводится после опускания колодца на проектную глубину. Ножевая часть воспринимает и распределяет нагрузки от стен колодца, способствует его перемещению. Конструкция ножевой части выбирается в зависимости от типа пересекаемых грунтов и материала стен сооружения. Оболочка опускного колодца воспринимает давление окружающего грунта. Изготавливают её из монолитного железобетона (толщина 0,5-3 м) или же сборных плоских панелей (толщина 0,3-0,8 м), крупных пустотелых блоков и др. в зависимости от назначения сооружения. Для уменьшения сил трения стен колодца o грунт применяют т.н. тиксотропную рубашку (рис.), к-рую создают за счёт заполнения тиксотропным раствором полости между наружной поверхностью конструкции и грунтом. Полость шир. 10-15 см образуется за счёт выступа на ножевой части опускного колодца. Для удержания тиксотропного раствора на уступе ножевой части выполняют спец. замок, препятствующий прорыву раствора внутрь колодца по мере выемки грунта. B качестве тиксотропного используют глинистый раствор, плотность к-рого подбирается c таким расчётом, чтобы его гидростатич. давление на каждой рассматриваемой глубине было больше бокового давления грунта и грунтовых вод.
B случае, если собственного веса конструкции недостаточно для погружения, прибегают к укладке по периметру оболочки балласта (блоков), создают необходимые усилия c помощью гидродомкратов или используют комбинацию этих способов. После достижения проектной глубины c заглублением ножа в водоупор не менее чем на 1 м бетонируют днище колодца.
Скорость опускания колодца зависит от его габаритов и интенсивности выемки грунта. B начальный момент значение её более высокое — в среднем 0,8-0,9 м/сут, к концу опускания — 0,1-0,2 м/сут.
Опускные колодцы широко применяются в США, Японии, Франции и др. странах для устройства фундаментов, сооружений разного назначения и подземных ограждающих конструкций, таких, как хранилища, гаражи, места размещения разл. рода установок и т.п. B перспективе — широкое использование опускных колодцев на мощных ГОKax при стр-ве корпусов крупного дробления руд, насосных станций, a также при освоении подземного пространства крупных городов для размещения водозаборных и канализационных насосных станций, подземных складов и гаражей и т.д.
Опускная (погружная) крепь — разновидность опускного колодца, применяемая при стр-ве устьев стволов в неустойчивых водоносных породах или же стволов небольшой глубины (до 50 м) в условиях городской застройки вблизи зданий, сооружений, не допускающих деформаций поверхности. B этих случаях опускная конструкция выполняет роль постоянной крепи. Погружение её на проектную глубину осуществляется, как правило, в тиксотропной "рубашке". Впервые в отечеств. практике погружение крепи шахтного ствола в тиксотропной "рубашке" было осуществлено "Мосметростроем" в 1969. Позже по этой технологии возведён ряд стволов при стр-ве метрополитенов в Москве, Киеве, устьев стволов в неустойчивых грунтах в Донбассе.
Отличие опускных крепей от опускных колодцев заключается в несколько иных конструктивных решениях элементов крепи и технологии погружения. Изготавливается опускная крепь из тюбингов или же из монолитного железобетона. При использовании тюбинговой крепи собств. веса конструкции недостаточно для самостоят. внедрения в грунт и погружения. B этих случаях, как правило, выполняют принудит. задавливание крепи c помощью системы гидродомкратов, для чего используют спец. конструкции опорных воротников.
Опускные секции применяются при стр-ве подводных тоннелей. Секция представляет собой отдельное звено подводного тоннеля дл. до 150 м, изготовляемое из железобетона на стапелях или в сухих доках и сплавляемое к месту прокладки тоннеля. Звенья опускают поочерёдно на подготовленное основание и стыкуют под водой. Подводные тоннели из опускных секций (c формой поперечного сечения близкой к круговой) начали строить в нач. 20 в. в США. C 30-x гг. широко используют опускные секции прямоугольной формы. Размеры поперечного сечения секции (до 48x10 м) зависят от назначения тоннеля.
B процессе изготовления секции её торцы герметично закрывают временными диафрагмами, оборудованными спец. устройствами, облегчающими процесс стыкования под водой. Диафрагмы несколько углублены относительно торцов секции, чтобы в процессе этой операции между ними образовалось замкнутое пространство — стыковая камера. Изолируют наружную поверхность секций c помощью стальных листов (co стороны лотка), битумом или гибкими рулонными материалами (стены и перекрытия). Для предохранения гибкой изоляции от механич. повреждений её покрывают защитным слоем из слабоармированного бетона, к-рый связывают c железобетоном несущей конструкции спец. анкерами.
Тоннели из опускных секций располагают в подводных котлованах или же на подводной насыпи (рассматриваются проекты установки секций тоннелей на отдельных подводных опорах — т.н. тоннели-мосты). Наиболее распространён в практике стр-ва таких сооружений на глуб. до 30 м способ опускания секций на дно котлована. Глубина последнего назначается c таким расчётом, чтобы после засыпки секции и восстановления прежнего уровня дна водного препятствия над тоннелем залегал слой грунта толщиной не менее 2 м.
Разработка котлована в зависимости от глубины и физико-механич. свойств грунтов осуществляется c применением агрегатов механич., гидравлич., пневматич. и комбинированного действия. При глубине разработки траншей до 10-12 м используют преим. многочерпаковые и скреперные установки, при большей — землесосы, гидромониторные установки, земснаряды, всасывающие или грейферные землечерпаки. Разработку траншей в полускальных и скальных грунтах производят буровзрывным способом. Крутизна откосов котлована от 1-2 до 1-4 (в зависимости от свойств грунтов). Подготавливают основание неск. способами. Наиболее распространена укладка на дне котлована слоя песка, мелкого гравия или щебня толщиной 50-100 см. B др. случаях для опоры секций используют четыре уголковых железобетонных опорных блока или же кусты свай или анкеров. Доставленные к месту стр-ва тоннеля секции подвешивают через полиспасты к грузоподъёмным механизмам, установленным на плавучих средствах, придают секциям отрицательную плавучесть за счёт заполнения объёма секций балластом и погружают на дно подводной траншеи. Для возможности доступа людей и подачи материалов перед опусканием секций на них устанавливают спец. шахты, a также визирные мачты, по к-рым контролируют положение секций в пространстве. Высота шахт и мачт принимается такой, чтобы они возвышались над водой после установки секций в проектное положение. B зависимости от условий используют разл. технол. схемы стыковки. Пo одной из них, напр. для прямоугольных секций, герметичность стыковой камеры на первоначальной стадии работ обеспечивается c помощью спец. резиновой прокладки. Стыкуемые секции подтягивают друг к другу c помощью гидродомкратов и соединяют шарнирным замком. При этом резиновая прокладка подвергается предварит. обжатию. Окончательное обжатие осуществляется гидростатич. давлением воды на свободный противоположный торец стыкуемой секции за счёт выпуска нек-рого кол-ва воды из стыковой камеры. После полного удаления воды из камеры приступают к разборке торцевых диафрагм и устройству постоянного стыка между секциями. Простейший способ — заделка стыка листовой сталью, привариваемой к закладным деталям на торцах секций, и последующее заполнение полостей за стальной изоляцией бетонной смесью. После стыкования секций котлован засыпают песком, гравием или щебнем заподлицо c дном водотока. Процесс сборки секций в готовый тоннель сравнительно малотрудоёмок и относительно краткосрочен (обычно неск. недель или месяцев). Пo описанной технологии в мировой практике построено св. 60 трансп. тоннелей, 14 из них c кон. 70-x гг. — в Нидерландах, Сянгане, США, ФРГ, Югославии, Японии. C этим высокоиндустриальным способом связываются перспективы в стр-ве подземных сооружений через водные преграды.
Опускные тоннели-кессоны используются при стр-ве в наиболее сложных инж.-техн. условиях, когда другие способы (замораживание пород, тампонаж, стена в грунте) оказываются неэффективными или вовсе неприемлемыми. Тоннель, как и при применении опускных секций, монтируют из готовых секций, но опускание их на проектную глубину выполняется кессонным способом. Для этого перед погружением торцы секций закрывают временными диафрагмами, под основанием по периметру устраивают кессонную камеру высотой ок. 3 м. Опускание тоннель-кессона под действием собств. веса достигается за счёт устройства внизу кессонной камеры ножевой части опускного колодца. B кессонной камере постоянно поддерживается избыточное давление воздуха, превышающее гидростатич. давление воды. Благодаря этому вода из забоя кессонной камеры отжимается, грунты частично осушаются. Пo мере их выемки опускной тоннель-кессон погружается. Пo достижении секцией проектных отметок кессонная камера заполняется бетоном, и, таким образом, в основании конструкции образуется мощная бетонная плита. Смежные секции опускают так, чтобы в проектном положении между ними остался целик грунта толщиной 1-3 м. Для создания непрерывной тоннельной конструкции выполняют соединение секций между собой. Наиболее распространён способ, когда в торцевой части одной из стыкуемых секций устраивают горизонтальную шлюзовую камеру, через к-рую под сжатым воздухом проходят штольню до диафрагмы другой секции. Из штольни раскрывают выработку на всё сечение тоннеля и бетонируют обделку тоннеля в промежутке между секциями.
Кроме недостатков, общих для всех работ, выполняемых под сжатым воздухом, способ опускных тоннелей-кессонов отличается высокой стоимостью, сложностью, много- операционностью и невысокими темпами стр-ва. Развитие способа тоннелей-кессонов идёт в направлении создания кессонов, исключающих нахождение рабочих в зоне сжатого воздуха. Эффективность рассматриваемого способа может быть повышена за счёт погружения тоннелей-кессонов в тиксотропной "рубашке".
M. H. Шуплик.
