К.т.н. В.Я.Шишкин

Строительство глубоких котлованов в стесненных городских условиях требует применения таких технологий, которые обеспечивают безопасную эксплуатацию окружающей застройки. К такой технологии относится возведение нулевых циклов «сверху-вниз» или «up-down».

Технология строительства нулевых циклов методом «сверху-вниз» включает устройство проектных плит перекрытий сначала на верхних этажах, откопку грунта из-под этих перекрытий, а затем возведение перекрытий на нижележащих этажах, откопку грунта из-под них и строительство фундаментной плиты. Во время строительства все плиты перекрытия опираются на временные сваи и ограждение котлована. После возведения проектных колонн и стен, набора соответствующей прочности их бетона и узлов соединения с перекрытиями все временные конструкции удаляются.

Роль распорок в котлованах по этой технологии играют проектные плиты перекрытия, жесткость которых значительно выше, чем традиционных стальных конструкций. Благодаря увеличению жесткости распорных конструкций снижаются деформации грунта вблизи ограждения котлована и уменьшается его влияние на окружающую застройку,тем самым, повышается безопасность при строительстве.

Но сложнейшей задачей является обеспечение безопасности непосредственно на строительстве при откопке котлована «сверху-вниз». Следует таким образом конструировать узлы сопряжения временных и постоянных конструкций нулевого цикла, чтобы нагрузку от верхних строений перенести с временных на постоянные проектные конструкции.

По технологии «сверху-вниз» в г. Москве запроектированы и построены силами ООО НПФ «Фундаментстройпроект»:

• здание Галереи А. Шилова, дом3-5 по ул. Знаменка, 2002 г.;
• дом 12/4 на Таганской площади, 2004 г.;
• здание института МГЭИ стр. 16 дом 8 на Ленинском проспекте, 2006 г.;
• жилой дом с 2-мя подземными этажами стр.1 дом 55 по ул.Гиляровского, 2007 г.

Первый такого рода авторский объект – здание нового корпуса (дом3) Галереи А.Шилова – является наиболее удачным как в плане эффективности использования технологии «сверху-вниз», так и в плане сравнения с традиционными методами строительства. Дело в том, что дом 3 Галереи, показанный на ситуационном плане (рис. 1) был начальным этапом строительства Многофункционального комплекса на улице Знаменка, прилегающем к существующему дому 5 Галереи с другой стороны. 1 очередь Комплекса возводилась традиционным способом спустя 2 года после строительства дома 3. Распорной системой были стальные конструкции. Ограждение котлована в виде «стены в грунте» выполнено буросекущимися сваями на участке примыкания к зданию 5. Замеренные осадки примыкающей стены здания 5 составили свыше 24 мм, что значительно выше деформаций (6 мм) при возведении нами корпуса 3 Галереи методом «сверху-вниз».

В плане здание нового корпуса галереи имеет размеры 18 × 24 м, при размерах строительной площадки 25 × 40 м, и вплотную примыкает к существующему зданию галереи (дом 5 на плане ).

 

Рис.1 Строительство методом «сверху-вниз» пристройки (дом 3 по ул. Знаменка в г.Москве) к существующей Галереи А.Шилова (дом 5 ) со стороны Боровицкой площади и возведение традиционным методом 1 очереди Многофункционального комплекса с другой стороны дома 5.

 

Участок строительства расположен на склоне полого уступа второй надпойменной террасы реки Москвы. Площадка строительства сложена (рис.2): На глубину до 7 м - насыпными грунтами, в виде супеси, твёрдой; песками разной крупности и плотности, влажными, с обломками кирпича, древесины, органическими остатками и другим строительным и бытовым мусором, включая фрагменты старых фундаментов. Ниже - слоем 6 -8 м - залегают верхнечетвертичные аллювиальные отложения, представленные песками средней крупности, средней плотности с линзами рыхлых, маловлажные и влажные. От 13,5 до 24 м составляет толща нижнечетвертичных ледниковых и водно-ледниковых отложений, слагающимися преимущественно суглинками лёгкими полутвёрдыми, с гравием, галькой и валунами, песками мелкими плотными, влажными, с линзами супеси и пылеватого песка; супесью пылеватой, пластичной, с включением гравия и гальки; песками гравелистыми и гравийными грунтами. Подстилающим слоем служат глины аргиллитоподобные карбонатные, твёрдые и полутвёрдые и мергели средней прочности с прослоями известняка.

Уровень подземных вод расположен на 15 – 20 м от поверхности грунта в песках и супесях аллювиально-флювиогляциального горизонта. Мощность водоносных пород достигает 15 м и имеет безнапорный характер. Питание подземных вод осуществляется за счет атмосферных осадков и утечек из городских водопроводящих коммуникаций.

 

Существующее здание Галереи (рис.3) построено в 20-х годах XIX-го столетия. Здание трёхэтажное с подвалом, размерами в плане ≈ 19 × 27 м. В основании фундаментов залегают пески средней крупности, средней плотности, маловлажные и влажные. На отдельных участках под фундаментами залегают насыпные грунты. Фундаменты под несущими стенами ленточные, из обломков кирпича и бутового камня-известняка на известковом растворе. При производстве работ было установлено, что раствор практически полностью разрушен и материал фундаментов ничем не связан (фундаменты разбираются рукой). Стены выполнены из красного глиняного кирпича. В штукатурном слое имеются трещины с шириной раскрытия от 0,1 до 0,5 мм. В отдельных местах наблюдается выветривание раствора швов кладки на глубину до 7 см. К зданию примыкает кирпичная подпорная стенка (рис.4), укрепляющая уступ насыпной террасы. Стенка находится в аварийном состоянии.

 

Производство подземных работ при строительстве нового корпуса осложнялось наличием старых фундаментов и большим количеством инженерных коммуникаций, пересекающих строительную площадку. До начала работ по устройству ограждения котлована были перенесены электрические кабели, кабели связи, напорные трубопроводы водопровода и газоснабжения. Другой существенной проблемой, осложнявшей производство подземных работ, стало расположение рядом со строительной площадкой участка перегонного тоннеля мелкого заложения Сокольнической линии метрополитена.

 

Технологические решения по возведению подземной части нового корпуса галереи включали: Усиление оснований фундаментов существующего здания, по стене, прилегающей к строительной площадке. С этой целью были выполнены: цементация контакта «фундамент-грунт» ; химическое закрепление грунтов под подошвой фундаментов (рис.5) на глубину 8 м, несколько превышающую глубину котлована (рис.1); цементация тела фундамента с устройством монолитной железобетонной рубашки толщиной 15 см и высотой 1,75 м в предварительно откопанной захватками по 2 м траншее на всю глубину до подошвы фундамента, с последующей обратной засыпкой.

 

По первоначальному проекту предполагалось построить здание нового корпуса дом 3, откапывая грунт в котловане на всю глубину. При этом шпунтовое ограждение требовалось выполнить из труб диаметром 325 мм и почти столько же металла требовалось на распорную систему. План подвала показан на рис.6.

 

Приняв в качестве распорной системы перекрытие на отметке 0.0 (разрезы даны на рис.7 и 8), добились следующего :

• убрали дорогостоящую распорную систему;
• повысили жесткость и, соответственно,
• уменьшили деформации существующего здания 5;
• снизили диаметр шпунта до 219 мм;
• уменьшили технологическое воздействие при лидерном бурении меньшим диаметром;
• снизили расход металла на шпунт.

Два существенных минуса такой технологии:

• удорожание разработки грунта;
• добавились временные сваи.

 

На рис.9 дан план временных свайных опор перекрытия подвала и шпунтового ограждения котлована из металлических труб диаметром 219 мм с шагом 0,5 м, погружаемых в грунт на глубину от 11 до 14 м помощью пневмопробойника СО-166. Для этого бурилась лидерная скважина на глубину 6 м, заполнялась цементным раствором, а затем пневмопробойником в эту скважину погружались металлические трубы на проектную глубину.

 

Разработка первого яруса грунта в котловане до отметки низа плиты перекрытия подвала, расположенной на глубине около 2 м от дневной поверхности. Работы осложнялись необходимостью разборки старых фундаментов, фрагмента неиспользуемого инженерного коллектора с кабелями связи и отдельно расположенных инженерных сетей. На отметке низа плиты перекрытия подвала (-0,3) к шпунтовому ограждению приваривалась обвязочная балка. Узлы сопряжения шпунта и временных свай с перекрытием показаны на рис.10. Конструкция этих узлов позволяет перенести всю нагрузку от перекрытия на временные сваи и шпунт. А после возведения колонн и стен нижнего этажа труба сваи вырезается и удаляется, а швеллер вдоль шпунта режется вдоль плиты перекрытия.

 

На рис.11 показан процесс уплотнения основания под деревянные балки, по которым укладывается фанера опалубки и арматура плиты перекрытия. При устройстве опалубки плиты следует предусмотреть множество технологических отверстий для:

• удаления грунта из-под плиты;
• для подачи бетона под плиту.

Армирование такой плиты перекрытия усложнено множеством выпусков арматуры вверх и вниз в местах сопряжения стен и колонн.

 

На рис. 12 показан процесс бетонирования плиты перекрытия, трубы в арматуре – верхушки временных свай, а свободные от опалубки грунт – проем для откопки грунта из-под плиты.

 

Плита перекрытия подвала в этом случае выполняет несколько функций: она позволяет одновременно вести работы по устройству подвальной части здания и возводить надфундаментное строение, а также играет роль распорки шпунтового ограждения, что дало возможность отказаться от металлических распорных креплений, уменьшить длину и диаметр труб ограждения и существенно ускорить производство работ в котловане. При сборке арматурного каркаса плиты были заранее смонтированы выпуски арматуры для стен и колон подвала и первого этажа и оставлены технологические отверстия для разработки грунта в котловане и подачи бетона в конструкции колонн и стен подвала. Разработка грунта в котловане под плитой перекрытия велась через проем будущей лестничной клетки. Для этого использовались два подземных малогабаритных экскаватора Hitachi EX 30 (рис.13) на гусеничном ходу, один малогабаритный погрузчик Bobcat на пневмоходу и экскаватор Hitachi для подъёма разработанного грунта на поверхность(рис.14). По мере разработки грунта выпрямляли выпуски арматуры, снимали сверху деревянные балки и фанеру-опалубку перекрытия. Плита покоится на сваях и шпунте. Разработка грунта велась с оставлением берм вдоль шпунтового ограждения и последующей доработкой грунта в них вручную с параллельным возведением деревянной забирки (рис.15). На рис.16 показано бетонирование фундаментной плиты 6 августа 2002 г,одновременно - 5 августа бетонируются колонны и стены 1-ого этажа (рис.17). Через две недели - 20 августа – частично готов 1 этаж (рис.18), а в подвале (рис.19) видно готовые стены с нишами для виброизоляторов, которые были запроектированы для недопущения влияния вибрации от метрополитена.

 

Таким образом, срок строительства здания сокращается благодаря одновременному возведению вверх и вниз. Весь период строительства нулевой части, включая усиление фундаментов существующего здания и возведение стен первого этажа, занял около 3-х месяцев. За это время было погружено более 200 металлических свай диаметром 219 мм и длиной от 11 до 14 м, разработано около 5000 м3 грунта и старых фундаментов, уложено около 600 м3 железобетона. Экономия средств на этапе закрепления оснований фундаментов, по сравнению с буроинъекционными сваями, составила более 50%. В целом по объекту была достигнута экономия денежных средств в размере 22% по сравнению со строительством аналогичного сооружения открытым способом /1/.

 

Другим характерным объектом была реконструкция комплекса казино, расположенного по адресу: Москва, Таганская пл., вл. 12/4. Заказчику не нужен подвал на первом году эксплуатации и проект нулевого цикла разработан и осуществлен для строительства на первом этапе 5-ти этажей (рис.20) в осях 1-3/Д-Ж, и 4-х этажей в осях 1б-2/А-Д. Нагрузки от верхней части здания (выше плиты на отм. «0.000») (до устройства подвальной части) воспринимаются свайным фундаментом (рис.21).

 

Временные сваи диаметром 325 мм объединенные монолитным ростверком воспринимают нагрузку от колонн в центральной части здания(рис.22). Под ограждающие конструкции со стороны ул. Воронцовская ( стены по осям Ж, 3 на рис.20) выполнен свайный ряд из свай диаметром 219 мм, объединенный монолитным ростверком.. Нагрузку от ограждающих конструкций по периметру (кроме указанных конструкций) воспринимает шпунтово-свайный ряд из свай диаметром 219 мм, объединенный монолитным ростверком.

 

После возведения всей верхней части здания спустя год откопан подвал, забетонирована фундаментная плита, подведены снизу вверх стены и колонны подвала, демонтированы сваи. На рис.23 показана фундаментная плита, через которую проходят временные сваи, а по верху подвала остался ростверк, мешающий эксплуатации.

 

На рис.24 и 25 показаны общий вид на строительной площадке и устройство свай с помощью пневмопробойника. Очевидна крайняя стесненность площадки строительства и зависимость проектных решений от окружающей застройки. Вплотную к трем существующим зданиям возвели многоэтажный корпус с подвалом ниже прилегающих фундаментов. Поэтому в данном случае техническое решение о строительстве методом «сверху-вниз» эффективно не только из-за отложенного освоения подвального помещения. Такой метод позволил свести к практически нулю перемещения окружающей застройки.

 

Устройство подвальной части при построенных всех верхних этажах оказалось возможным, так как при проектировании учтена работа свайного фундамента при ведении строительных работ в подвальной части и дальнейшая её эксплуатация.

 

Третий наш объект по технологии «сверху-вниз» - здание института МГЭИ стр. 16 дом 8 на Ленинском проспекте строился в 2006-2007г г.вплотную к существующему более 100 лет зданию. В связи с наличием в его основании насыпной толщи грунта на глубину свыше 5 м, а с другой стороны – близким расположением газового трубопровода высокого давления приняты:

• строительство методом «сверху-вниз»,
• ограждение - свайные фундаменты с ростверками на уровне пола подвала,
• распорной конструкцией – плита перекрытия на отметке ноль.

 

На рис.26 дан план плиты с расположением под ней свай, играющих роль ограждения котлована на этапе возведения нулевого цикла. Затем по сваям выполняется ростверк на уровне пола подвала и они несут весь каркас здания (рис.27). На разрезе видно как крайние сваи играя роль шпунта ограждают котлован с распоркой – плитой перекрытия. На рис.28 показан процесс устройства этих свай-шпунта с поверхности грунта итальянской установкой COMACCHIO MS 800P. Остальные сваи выполняли так же с поверхности «впотай», оставляли без бетона верх трубы сваи, которую вырезали и извлекали из подвала после его откопки. Как оказалось этот процесс очень трудоемкий и неэффективный. Кроме того сваи, как правило, дороже фундаментной плиты и, тем более, ленточных и столбчатых фундаментов. Однако на объекте была большая толща насыпных грунтов и применение свайных фундаментов было экономически оправдано.

 

На стройплощадке по адресу: ул. Гиляровского д.55,корп.1 и Больничный пер., дом 9 стр. 1,2,3 в 2008 году закончено строительство жилого комплекса с двухуровневой автостоянкой по технологии «сверху-вниз». На рис.29 представлен ситуационный план, где строящийся объект заштрихован. В зону влияния строительства попадает 7 зданий, из которых обследуемый жилой дом признан аварийным с допустимыми перемещениями равными 2 мм.

 

Рассматриваемый участок строительства располагается в пределах флювиогляциальной равнины с высотными отметками 159,10-159,90 м и характеризуется распространенными для г.Москвы инженерно-геологическими условиями. С поверхности залегают насыпные грунты и включения строительного мусора в обратной засыпке старых фундаментов,ранее стоявшего здесь здания.Под насыпным грунтом начинаются слои из песков мелких, средней плотности,с включениями гравия и гальки, влажные и водонасыщенные, мощностью 0,1-11,1 м,а также суглинки мягкопластичные и тугопластичные, с прослоями и линзами песка, с включениями гравия и гальки, мощностью 0,1-3,7 м. Подземные воды изысканиями вскрыты на глубинах 6,1-6,7 м (абсолютные отметки 152,90 – 153,50 м),а также на глубинах 16,2-18,7 м (абсолютные отметки 140,90 -142,90 м ).Воды обоих горизонтов безнапорные.

 

На строительной площадке стоит две стены ( рис.30 ),оставшиеся от разрушенного здания, которые подлежали реконструкции и пристройке к возводимому зданию. Кроме того одно крыло возводимого здания пристраивалось к существующему административному зданию.

Первоначально разработка котлована планировалась традиционным открытым способом с откопкой до проектной отметки дна котлована. Предполагалось устройство шпунтового ограждения котлована выполнять в следующей последовательности. Вначале произвести погружение труб шпунтового ограждения по периметру котлована.Далее планировалось сделать выемку грунта на 0,5 м. ниже верха труб и установить обвязочный пояс по всему периметру котлована. После монтажа первого силового пояса, следовала откопка еще на 2,5 м., и установка второго, еще более мощного. По второму поясу в некоторых местах монтировались распорки из труб, и следовала откопка на 4,7м. с формированием у стен котлована грунтовой призмы. Наконец бетонировалась пионерная фундаментная плита, в которую,после набора прочности, планировалось монтировать подкосы к распределительному поясу. После этого весь оставшийся грунт разрабатывался и начинались монолитные работы по возведению здания. Таким образом,при вышеуказанном порядке работ планировался котлован глубиной около 8 м. Надо заметить,что проектировщики рассчитали все возможные воздействия на стены котлована и выдали в производство проект, обеспечивающий их устойчивость.По данному проекту шпунтовое ограждение котлована предполагалось выполнить из труб Ø530х12мм и Ø630х12мм, что является невозможным в данных условиях строительства. К сожалению,только такие диаметры шпунтов обеспечивали отсутствие деформаций всей распорной системы.

 

Результатом решения задач безопасности строительства стало проектное решение ООО «НПФ Фундаментстройпроект» по устройству плиты перекрытия (рис.31) на отм. -4,33м(4,00м от поверхности земли), являющейся одновременно распорной конструкцией для ограждения котлована и исходной отметкой для возведения здания одновременно вверх и вниз, что и предполагается технологией «up-down». Впервые в нашей практике такая технология была реализована для котлована с высоким уровне подземных вод благодаря применению водопонижения и устройству завесы из закрепленного грунта. Водопонижение без завесы могло привести к деформациям окружающей застройки. Конкретно были приняты следующие конструктивные решения:

1. Устройство шпунтового ограждения котлована по всему периметру с шагом 0,5м из трубы Ø325*8.
2. Откопка котлована примерно на 4 м.
3. Устройство скважин водопонижения с отм.-4,33м и понижение уровня грунтовых вод (рис.32).
4. Устройство завесы вдоль шпунтового ограждения котлована путем химического закрепления смолизации грунта (рис.33).
5. Монтаж опорных площадок на шпунтах на которые опирается плита перекрытия.
6. Устройство временных свай-стоек с отметки дна пионерного котлована, которые являются временными опорами для плиты перекрытия, до подведения под нее основных несущих стен.

 

Благодаря принятым мероприятиям деформации окружающей застройки были крайне малы и не превышали допустимых значений.

 

Применение технологии «сверху-вниз» позволяет реализовать проекты устройства нулевых циклов глубиной свыше 5 м при наличии в зоне влияния строительства многоэтажных сооружений, аварийных зданий и памятников архитектуры в сжатые сроки. Благодаря жесткости распорной системы из плиты перекрытия возможно применение шпунтовых ограждений в виде металлических труб, которые экономически целесообразно погружать в предварительно пробуренные скважины пневмопробойником в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений.

Использование организации строительства методом «сверху-вниз» требует соответствующего расчётного технико-экономического обоснования с применением математического моделирования методами конечных элементов ( например, на программном комплексе PLAXIS ) строительства нулевого цикла, дополнительных расчетов несущих конструкций с учетом распорных нагрузок, монтажных проемов и технологической последовательности возведения.

Несмотря на крайне высокую трудоемкоть проектирования и возведения нулеых циклов «сверху-вниз», такая организация строительства позволяет совместить строительство нулевого цикла с возведением надземных этажей и, тем самым, сократить сроки ввода здания. Осуществление строительства по методу «up-down» может отложить строительство подвала на несколько лет после возведения надземной части здания. При стесненности средств застройщика крайне выгодно введение в эксплуатацию здания частями. Такая технология позволяет строить под зданием и одновременно эксплуатировать его надземную часть.