Устройства для создания тиксотропной рубашки и другие специальные конструкции колодцев

В колодцах, погружаемых в тиксотропной рубашке, между грунтом и оболочкой создается полость, заполненная глинистой суспензией. Полость образуется при погружении за счет выступа стены в ножевой части. Контакт колодца с грунтом происходит только на участке ниже выступа, а верхняя часть погружается в жидкостную среду.

Таким образом, значительно снижаются силы трения, возникающие при опускании колодца. Уменьшение сил трения в свою очередь позволяет уменьшить собственный вес сооружения. Опускные колодцы выполняются тонкостенными, что облегчает решение их конструкций в сборном железобетоне. Многолетний опыт показал, что высоту ножевой части, т. е. расстояние от банкетки до наружного уступа следует принимать в пределах 2—2,5 м независимо от высоты стен. За рубежом ширину уступа принимают равной 5—10 м в отечественной практике 10—15 см. При небольшой толщине щели рубашки снижается расход тиксотропной суспензии, но повышаются требования к точности соблюдения вертикальности погружения. В более тонкой щели чаще происходят навалы, что вызывает деформацию грунтовой стенки.

НИИ оснований и подземных сооружений в настоящее время достаточно полно разработана технология изготовления и погружения колодцев в тиксотропной рубашке из местных глин. Для создания тиксотропной рубашки на колодце дополнительно сооружают форшахту, манжет на уступе и трубные разводки.

Верхняя часть откоса грунтовой стенки щели рубашки обладает наименьшей устойчивостью. Она подвергается неблагоприятным воздействиям колебаний уровня тиксотропной суспензии. Поэтому по периметру устья рубашки устраивают специальную форшахту из обвалованных деревянных или металлических щитов или в виде монолитного железобетонного пояса.

Наблюдения за устойчивостью грунтовых стен при погружении опускных колодцев в тиксотропных рубашках показали, что для любых грунтов их устойчивость обеспечивается гидравлическим напором суспензии в 1 м. При этом удельный вес глинистого раствора имеет величину 1,05 г/см³. Исходя из этого высоту форшахты принимают равной 1,0—1,2 м.

Деревянные и металлические щиты форшахты устанавливают на деревянное или железобетонное основание. Деревянное основание выполняют из шпал, уложенных радиально относительно центра колодца. Для увеличения жесткости наружные концы шпал скрепляют досками на гвоздях.

Железобетонное кольцо фундамента под металлические щиты форшахты укладывают по бровке полости тиксотропной рубашки. Фундаментная плита толщиной 20—30 см армируется сеткой из стержней диаметром 6—8 мм. Для крепления щитов закладывают болты диаметром 12 мм. Щиты делают из стального листа толщиной 3—5 мм длиной 2—2,5 и высотой 1,0 м. По контуру щитов приваривают уголки размером 75x75 с отверстиями для крепления к фундаменту и между собой. В пролете приваривают ребра жесткости. Стыки между щитами уплотняют резиновыми прокладками.

Рис. 48. Форшахта:
а, б — из железобетона (2); в, г — из стальных щитов (3); 1 — стена колодца; 4 — фундамент форшахты; 5 — тиксотропная суспензия.

Рис. 49. Устройство манжеты тиксотропной рубашки:
а — уплотнитель; б — защита инъекционных труб; 1 — тиксотропная суспензия; 2 — инъекционная труба; 3 — планка; 4 — защитный уголок; 5 —форшахта; 6 — глиняный замок; 7 — уплотнитель из транспортной ленты; 8 — стена.

Снаружи щиты обваловывают до верха песчаным грунтом.

Наиболее целесообразно форшахту устраивать в виде монолитного железобетонного кольца (рис. 48). При такой конструкции по верху колодца образуется кондуктор, фиксирующий положение колодца на поверхности. Устойчивость форшахты увеличивается при устройстве под железобетонным кольцом подушки из крупнозернистого песка или шлака высотой 40—50 см. Песчаная подушка, пропитываясь глинистым раствором, уплотняется и приобретает свойства весьма прочного основания. Железобетонное кольцо форшахты армируют плоскими прямоугольными сетками, укладываемыми по верху и по низу сечения.

Для предотвращения просачивания глинистого раствора под нож на уступе ножевой части закрепляют уплотнитель — манжет. В отечественной практике хорошо зарекомендовал себя манжет из 3—4 слоев транспортерной ленты с глиняным замком поверху. Ширина ленты в нижнем слое 0,4—0,5 м. Последующие слои делают уже. Стыкование отрезков ленты производят внахлестку. Манжет крепится к бетонному уступу болтами и прижимается к грунтовой стенке уголком. При погружении свес манжета отгибается вверх по грунтовой стенке.

На резиновый манжет укладывается замок из пластичной глины. Высота глиняного замка 0,4-0,6 м, причем верх его должен быть на 15—20 см выше отогнутого вверх по грунтовой стенке края резиновой ленты. Пример устройства манжеты приведен на рис. 49.

При погружении опускного колодца в глинистые грунты заполнение полости рубашки производится заливкой суспензии сверху за форшахту. Суспензия закачивается насосом из резервной емкости по трубам, уложенным по поверхности. При погружении колодца в песчаных и водонасыщенных грунтах подачу раствора производят в нижнюю зону тиксотропной рубашки над манжетом по инъекционным трубам. В качестве инъекторов применяют трубы диаметром , располагаемые в плане через 3—6 м по наружному периметру опускного колодца. Нижнюю часть трубы на длину 70—80 см перфорируют. Диаметр отверстий 10—45 мм. Отверстия располагают в шахматном порядке на расстоянии 5—7 см друг от друга. Конец трубы закрывают заглушкой. Перфорируется половина периметра трубы со стороны стены колодца. Этим предотвращают возможность засорения отверстий со стороны грунтовой стенки при навалах. Конец инъектора располагают на 10—15 см выше уровня глиняного замка манжета. Для беспрепятственного выхода глинистого раствора инъекционная труба крепится хомутами на расстоянии 1—2 см от поверхности стен.

От раздавливания при навалах инъекционные трубы защищают сплошным уголком. Одновременная подача в полость тиксотропной рубашки глинистого раствора через все иньекторы обеспечивается коллектором из трубы диаметром 70—100 мм. Коллектор крепится у верхнего края опускного колодца, объединяя верхние концы инъекционных труб. Он соединяется при помощи гибкого гладкого шланга с трубопроводом от нагнетающего насоса у резервной емкости.

Подмыв облегчает погружение колодцев в песчаных грунтах и малоэффективен в связных грунтах. При подмыве сильный поток воды, подымаясь вдоль стены, размывает грунт вокруг колодца и взвешивает его частицы. Тем самым снижаются силы трения и улучшаются условия погружения.

Сопла подмывных труб располагают над уступом на расстоянии 3—5 м по периметру стен колодца. По высоте яруса сопла располагают через 5—7 м, приурочивая их к уступам. Подмывные трубы вводят внутрь колодца к коллектору, который гибким шлангом соединяют с нагнетающим насосом. Эффективность подмыва может быть повышена нагнетанием воздуха через специальные воздушные трубы диаметром 13—25 мм, укладываемые рядом с подмывными трубами. Трубные разводки внутри колодца защищают уголками от возможных ударов бадьей или ковшом экскаватора. На подмывных трубах внутри колодца ставят вентили для регулирования интенсивности подмыва по периметру колодца и, тем самым, управления погружением. Для обслуживания трубных разводок устраивают лестницу и площадки.

Динамическая пригрузка колодцев вибраторами улучшает условия погружения. Возникающие от работы вибраторов в конструкциях колебания концентрическими волнами распространяются в прилегающем грунтовом массиве. При этом снижаются силы трения, возникающие при погружении, и несколько увеличивается давление грунта на стены.

Вибраторы применяют для стимулирования погружения малых и средних круглых и прямоугольных колодцев (R<12 м, Н<20 м). Применяют также низкочастотные вибраторы (табл. 39), устанавливая их по верху стен по углам в прямоугольных и на равном расстоянии друг от друга в круглых колодцах.

Вибраторы к стенам крепят при помощи седел (рис. 50). Конструкции седел должны обладать достаточной жесткостью и распределять сосредоточенные динамические силы по максимально большей поверхности стен.

Произведенные экспериментальные исследования показали, что под вибраторами типа ВП-3 стены колодцев имеют амплитуды радиальных колебаний до 0,02 и резко затухают по мере удаления от них. Амплитуды вертикальных колебаний составляют 6—8% радиальных. Радиальные колебания являются следствием как неточности посадки вибратора по центру стены, так и результатом возникновения параметрического резонанса.

При значительном удалении вибраторов друг от друга взаимное влияние их асинхронной работы на работу колодца сказывается незначительно. Более рационально обеспечить синхронную работу вибраторов и частоту их колебаний, соответствующую собственным вертикальным колебаниям колодца. Используя эффект резонанса, получим наиболее интенсивное погружение. Применение автоматических устройств регулирования с бесконтактными сельсинами и синхронных электромоторов обеспечивает такую работу вибраторов.

Наиболее опасны для прочности радиальные колебания, которые могут привести конструкции к потере устойчивости. Для решения этой задачи была рассмотрена динамическая устойчивость вертикальной полосы. Принимались условия консольного элемента на упругой подушке, жесткость которой определялась жесткостью колодца в радиальном направлении. При этом было предусмотрено упругое защемление на сдвиг и поворот погружаемой части сооружения. Устойчивые решения дифференциального уравнения типа Матье-Хила были найдены в результате разложения решения по формулам собственных колебаний. Было установлено, что наиболее опасным для потери устойчивости является период начала опускания, когда колодец незначительно заглублен в грунт. Следует принимать  и включать вибраторы только после опускания колодца на 6—8 м.

Рис. 50. Установка вибратора:
1 — стена; 2 — стяжные болты; 3 — вибратор; 4 — установочное седло; 5 — упругие прокладки.

Для повышения устойчивости стен круглых колодцев ставят стальные связи. Последние крепят к седлам вибраторов, и они совместно с сегментами примыкающих стен образуют жесткие неизменяемые системы. Усилия в связях Р для вибраторов типа ВП-3 определяются по формуле

                                                    (4.1)

где .

Для вибраторов других типов вычисленное по зависимости (4.1) значение Р умножают на отношение их к ВП-3 динамических нагрузок.

Данный метод целесообразно применять при погружении колодцев во влажных песчаных, супесчаных и суглинистых грунтах, которые при возбуждении колебаний на контакте со стенами колодца абсорбируют влагу и приобретают тиксотропные свойства. При этом уменьшаются силы сцепления между частицами грунта и уменьшается угол внутреннего трения. Экспериментальные данные показали, что при опускании колодцев вибраторами горизонтальное давление влажных суглинков увеличивается до 20%, песков до 40—50%. Неравномерность давления имеет тот же характер, что в периоды статической посадки сооружения.

Колебания грунта по мере удаления от колодца затухают. На расстоянии 10—15 м от колодца их влияние на устойчивость соседних зданий и сооружений невелико и в инженерных расчетах может не учитываться.
Подращивание широко применяют в любых гидрогеологических условиях при возведении шахтных стволов и тоннелей (линейных подземных сооружений), имеющих малые поперечные сечения ( м) и большую протяженность ( м). Конструктивное решение крепи этих объектов предусматривает возможность проведения работ специализированными горнопроходческими организациями с применением проходческих щитов и комбайнов. Подращивание целесообразно применять для возведения круглых колодцев в скальных, обломочных и твердых глинистых грунтах. Чем большую прочность имеют грунты, слагающие площадку, тем больших габаритов колодцы рационально выполнять подращиванием.

Возможность применения стаканных конструкций, выполняемых методом подращивания, для подземных сооружений большого диаметра обусловливается в основном решением крепления откоса. Временное крепление откоса в виде колец из стальных балок эффективно при подращивании шахтных стволов небольших диаметров; при больших диаметрах оно получается тяжелым и конструктивно сложно выполнимым.

Устройство обделки сооружения из монолитного железобетона, укладываемого в металлической створной опалубке по типу, принятому для шахтных стволов, также получается неэкономичным. Следует учесть, что для подращивания стволов применяется инвентарное крепление и формы, в то время как для индивидуальных подземных крупногабаритных промышленных сооружений потребуется специально изготовлять эти приспособления.

Шпунтовое и жесткое подкосное крепление технически возможно только до глубины 10—15 м, при этом установка подкосного крепления затруднит механизированную разработку грунта.

Подращивание выемок большого диаметра с установкой постоянного кольцевого крепления из железобетонных панелей вслед за продвижением забоя является вполне осуществимой по условиям технологии строительного процесса. При механизированной разработке грунта можно обеспечить фронт работ, необходимый для их монтажа. В свою очередь, кольцевое крепление не осложняет производства земляных работ.

Возможность применения постоянного кольцевого крепления при подращивании выемок крупногабаритных подземных сооружений обусловливается устойчивостью участка откоса у забоя с необходимой для монтажа высотой, а также прочностью и устойчивостью панелей в условиях нагрузок сооружений больших диаметров. В шахтостроении при подращивании стволов диаметром до 8 м разрешается отставание крепи от забоя до 1 —1,5 м. В метростроении для стволов диаметром 4—6 м эта величина принимается равной 1,2—1,5 м.

В скальных изотропных породах и в грунтах, в которых анизотропия невелика (нетрещиноватые песчаники, известняки, сланцы), котлованы крупногабаритных подземных сооружений рассматриваются как выемки в однородных упругих массивах.

Решение упругой осесимметричной задачи массива, ослабленного цилиндрической вырезкой с напряженным состоянием, показывает, что концентрация напряжений вокруг выработки постоянна и равна удвоенному давлению в ненарушенном массиве, т. е.

                            ,                                      (4.2)

где h — глубина рассматриваемого сечения, м.

Локальная устойчивость откоса в цилиндрической выемке в скальных грунтах пластового сложения может быть определена из зависимости

                                     ,                                    (4.3)

где  — расчетная прочность на сжатие породы в рассматриваемом сечении;

 — коэффициент перегрузки.

Анализ предложенной зависимости показывает, что локальная устойчивость откоса в скальных грунтах не зависит от диаметра выемки и прочность большинства массивных пород достаточна для проходки необходимых глубин.

Рассмотрим влияние цилиндрической формы и размеров выемки на предельную высоту незакрепленного вертикального откоса в рыхлых породах. К рыхлым грунтам относятся и растрескавшиеся массивы, в которых сдвигающие силы уравновешиваются в основном за счет трения.

Значительная трещиноватость массивных пород наблюдается в слоях, залегающих вблизи поверхности, т. е. в условиях рассматриваемых сооружений.

Предельная высота вертикального откоса  для плоской задачи определяется решением задачи предельного равновесия.

                                     .                                              (4.4)

Обозначая  и принимая постоянную интегрирования  после некоторых преобразований получим зависимость

         .    (4.5)

Из зависимости (4.5) следует, что предельная высота неукрепленного откоса уменьшается с увеличением диаметра выемки и увеличивается с ростом внутреннего трения.

Анализ формул (4.4) и (4.5) показывает, что предельная высота откоса увеличивается при радиусах 2—4 м в 7—9 раз, а при радиусах 15—20 м — в 1,5—3 раза. При этом более высоким характеристикам физико-механических свойств грунтов соответствуют большие величины показателей. Если бы грунты обладали постоянной однородностью и была бы исключена возможность их увлажнения, то в плотных глинистых грунтах при С=1 =30° исходя из условия устойчивости вертикальных откосов можно разрабатывать без крепления цилиндрические котлованы диаметром 20—30 м и глубиной до 15—20 м. Однако учитывая изменчивость свойств рыхлых и массивных пород, а также микронарушения прочности их, характерные для грунтов, располагаемых вблизи поверхности, постановка крепления является обоснованной.

Необходимость крепления определяется из расчета по наиболее невыгодной функциональной зависимости

,

как правило, имеющей максимум у забоя. Из условия технологии работ по подращиванию высота откоса у забояh должна быть на 20—30 см больше высоты кольца из тюбингов, т. е. должна быть равна 1,2—1,5 м.
Для определения предельной глубины Н, при которой связность грунтов может обеспечить устойчивость откоса у забоя (), предлагается уравнение (4.6).

Принимаем  и после преобразования

имеем

         . (4.6)

Решение уравнений (4.5) и (4.6) для разных геологических условий (с учетом их расчетных характеристик) показывает, что методом подращивания с постоянным сборным железобетонным креплением могут быть пройдены цилиндрические котлованы радиусом 20 м без дополнительных специальных мероприятий до глубин, приведенных ниже.

Локальные микронарушения прочности грунтового массива и отклонения контура выемки от окружности могут вызвать местные концентрации напряжений, расположенные случайным образом. В более слабых грунтах на этих участках возможны локальные вывалы. Для предотвращения локальных вывалов предлагается поэтапная разработка грунта. Вначале котлован разрабатывается по кругу, диаметром на 1,5—2,5 м менее проектного, затем расширяется до проектного размера отдельными секторами, в каждом из которых после выемки породы навешиваются тюбинги. Секторы разрабатываются малыми участками одновременно с диаметрально противоположных сторон котлована. При этом приеме поверхность незакрепленного участка откоса у забоя будет иметь вид прямоугольной плоскости, частично заделанной по контуру. Локальная устойчивость откоса в условиях работы такой плоскости значительно выше, чем при кольцевой разработке котлована. Варьируя горизонтальные размеры незакрепленной плоскости, можно в 1,5—2 раза повысить несущую способность откоса.

При применении подращивания в неблагоприятных геологических условиях забою должно предшествовать зональное закрепление грунтов по периметру будущей выработки. Кольца закрепленного грунта образуют завесу, защищающую забой от вывалов грунта и притока грунтовых вод; при этом сборная железобетонная обделка работает совместно с толщей улучшенного грунта. Стабилизация и искусственное закрепление грунтов может производиться способами силикатизации, битумизации, замораживания или другими (СНиП III-B. 5—62*) и определяется технико-экономическими расчетами с учетом возможности получения соответствующего оборудования. Конструкции стен стаканного типа, выполняемых подращиванием, полностью решают в сборном железобетоне из одного типа ребристых панелей или тюбингов (рис. 51).

Рис. 51. Тюбинг:
1 — отверстие для нагнетания тампонажа; 2 — отверстие для стяжных болтов; 3 — паз для зачеканки; 4 — монтажные скобы.

При проходке котлован разрабатывают с вертикальными откосами по номинальным габаритам наружной поверхности ограждающих стен сооружения. Непосредственно вслед за разработкой грунта производят монтаж колодца из железобетонных панелей. Монтаж ведется сверху вниз методом подращивания. Закрепленное пространство тампонируют. Смонтированные из плоских панелей многогранные кольца постоянных стен стакана служат в период строительства креплением вертикальных откосов котлована и обеспечивают безопасность земляных работ при дальнейшем заглублении. В законченном строительством сооружении диски междуэтажных перекрытий, днища и оголовка служат диафрагмами оболочки обделки.
В промышленном строительстве наиболее распространены стыки плоских панелей обделок колодцев на болтах. Для упрощения монтажа желательно применять панели наибольшего веса, допускаемого грузоподъемностью монтажных кранов. Оптимальным является вес панели порядка 5—10 т при длине 6,25 или 12,56 и ширине 1,0 м. Панели монтируют кранами при помощи уравновешенной траверсы с противовесом.

В более слабых грунтах или при значительных местных нагрузках стыки панелей должны обеспечить пространственную работу конструкции. Этим условиям отвечает стык с ванной сваркой выпусков арматуры в горизонтальной и вертикальной плоскостях с последующим омоноличиванием. Тюбинги навешивают с перевязкой швов, чем обеспечивают большую равнопрочность стыков.

В результате неточности в габарите разрабатываемого котлована между наружной поверхностью обделки и вертикальным откосом выработки образуется зазор, который заполняют тампонажным раствором. Тампонажный раствор должен иметь достаточную прочность для восприятия касательных напряжений, возникающих в обделке, и должен быть водонепроницаемым для условий с грунтовыми водами. Таким требованиям наиболее удовлетворяет цементный раствор М200, в случае необходимости — с гидрофобными добавками. В слой тампонажного раствора, если это требуется по расчету, укладываются арматурные сетки.

При проходке стаканов в достаточно плотных (скальные, полускальные, плотные глины) грунтах, залегающих с дневной поверхности, можно отказаться от устройства специального оголовка. В этом случае верхняя часть котлована глубиной 3—6 м разрабатывается на конус с обычным нормативным уклоном откоса, производится установка снизу вверх первой захватки панелей и ее тампонаж (рис. 52).

Рис. 52. Устройство обделки стен при подращивании:
а — воротник; б — сопряжение с днищем; в — фрагмент плана; 1 —тюбинги; 2, 4 — тампонаж; 3 — выпуски арматуры; 5 — бетонная подготовка; 6 — гидроизоляция; 7 — защитная стяжка; 8 — железобетонное днище.

Сопряжения междуэтажных перекрытии с цилиндрическими стенами выполняют шарнирными.

При малом напоре грунтовых вод гидроизоляция сооружений осуществляется за счет применения тампонажного раствора с гидрофобными добавками и местной цементации прилегающей толщи пород. При напорных грунтовых водах, подымающихся на ограниченную высоту от днища, рационально устройство оклеенной гидроизоляции с последующим устройством внутренней железобетонной рубашки. При значительном подпоре грунтовых вод рекомендуются заварка швов между панелями металлическими накладками и выполнение мероприятий, обеспечивающих водонепроницаемость бетона стенки.

Расчет прочности стен колодцев производят по методике, принятой для колодцев, опущенных в грунт.

Колодцы, выполняемые методом «стена в грунте», армируются пространственными арматурными блоками. Габариты блоков определяются размерами захватки, принятой при производстве работ. Для образования шарниров в полость устанавливают дополнительные стыковые сетки. Вся арматура устанавливается в полость, заполненную глинистой суспензией, и омоноличивается методом подводного бетонирования.