Тетрадь N1, 2001

Использование современных технологий при реконструкции городских инженерных сетей

Улицкий В.М., С.И.Алексеев, С.В.Ломбас

6. Опыт решения геотехнических проблем при строительстве и ремонте магистральных сетей

В Петербурге накоплен значительный опыт по прокладке и ремонту инженерных сетей в центральных частях города. Строительство и ремонт таких сетей производятся по специальным проектам с привлечением, как правило, инженеров-геотехников.

Примерами успешного устройства "сухих" (практически не требующих водоотлива) рабочих котлованов при ремонте канализационных коллекторов в водонасыщенных грунтах Петербурга являются объекты, расположенные на Кондратьевском пр., ул. Учительской, наб. р. Карповки.

6.1. Ремонт канализационных сетей

Многие существующие канализационные сети в центральной части города эксплуатируются в течение 40…50 лет и имеют значительный физический износ. Как правило, при их строительстве использовались железобетонные трубы. В результате эволюции свойств грунтов, сопровождаемой деформациями основания, в стыках труб возникают дополнительные напряжения, приводящие к излому раструбов и разгерметизации всей сети.

Ремонт таких коллекторов традиционными технологическими способами требует значительных затрат, связанных с большим объемом земляных работ, остановкой транспорта на оживленных магистралях города. Технология ремонта данных сетей традиционными методами в открытых котлованах (траншеях) связана с техническими трудностями при производстве работ. К ним можно отнести и необходимость водопонижения из выполняемых выработок, вследствие чего могут развиться дополнительные осадки существующих зданий, попадающих в зону влияния строительного производства.

Для современных способов ремонта подобных сетей, характерно использование долговечных строительных материалов (пластмассовых труб), а также эффективных и безопасных (щадящих) технологий ведения работ.

К таким методам относится прокладка в существующей деформированной железобетонной трубе новой пластмассовой меньшего диаметра (рис. 6.1). Обычно в этом случае по трассе деформированного коллектора (требующего ремонта) на расстоянии 60…100 м откапываются рабочие котлованы (стартовые и приемные) глубиной до нижней отметки ремонтируемых труб. Разбираются участки этих труб в пределах выполненных котлованов и подготавливаются мероприятия по протаскиванию (проталкиванию) пластмассовой трубы.

Рис. 6.1. Принципиальная схема ремонта канализационного коллектора методом проталкивания пластмассовой трубы

В простейшем случае через деформированную существующую трубу пропускается трос, который вытягивается лебедкой через приемный котлован. Трос тянет пробойник, к которому крепятся звенья пластмассовой трубы, подаваемые через стартовый котлован. В результате внутри деформированного (разрушенного) канализационного коллектора оказывается новая достаточно гибкая, прочная, долговечная и экологически более безопасная пластмассовая труба. В целом ряде случаев пневмопробойник может самостоятельно продвигаться как в трубе, так и в грунтовом массиве.

Одним из главных достоинств данного метода является возможность проведения ремонта сети с минимальными объемами земляных работ и без остановки транспортных потоков. Однако выполнение подобных работ требует постоянного геотехнического сопровождения на всех этапах строительства, особенно в условиях слабых, структурно-неустойчивых, водонасыщенных (с высоким уровнем грунтовых вод) грунтов Петербурга. В качестве примеров успешного выполнения таких работ можно привести ремонт трубопроводов ливневой канализации на нескольких объектах города.

6.1.1. Кондратьевский проспект

Рабочий котлован по ремонту канализационного коллектора на Кондратьевском пр. выполнялся в непосредственной близости от д. № 1. Уровень подземных вод на момент производства работ находился на глубине 2,0 м от дневной поверхности. Для безопасного ведения работ по устройству рабочего котлована проектом, выполненным научно-производственной фирмой "Геореконструкция", было предусмотрено устройство противофильтрационных завес - горизонтальной - по днищу и вертикальных - по торцам котлована. Работы производились без переноса трамвайных путей и остановки движения (рис. 6.2….6.4).

Рис.6.2. Проведение ремонтно-восстановительных работ по канализационному коллектору без остановки транспорта в условиях тесной городской застройки

Рис. 6.3. Пневмопробойник для протаскивания пластмассовой трубы через деформированный ж/б канализационный коллектор

Рис. 6.4. Общий вид рабочего котлована в шпунтовом ограждении глубиной 6 м, расположенного в 3 м от действующей трамвайной линии

Разработка рабочего котлована (размерами в плане 18х4 м) производилась под защитой ограждения из металлического шпунта "Ларсен IV" с рамными распорными связями в уровне поверхности грунта (рис. 6.4). Применялся шпунт длиной 6 м при глубине котлована 4,5 м. Чтобы предотвратить попадание грунтовых вод через днище и торцовые стенки котлована, грунт в этих местах (пылеватая супесь) до откопки котлована закреплялся с использованием струйной технологии.

Следует отметить, что на данном объекте практически впервые в Петербурге был получен положительный опыт использования закрепления грунта по струйной технологии при проведении ремонтных работ в открытом котловане. При работе пневмопробойника и погружении шпунта велся постоянный контроль динамических параметров. Необходимость этих наблюдений определялась требованием обеспечения полной сохранности жилого дома и сооружений, непосредственно примыкающих к рабочему котловану.

6.1.2. Учительская улица

Канализационный коллектор на Учительской ул. устраивался в 1970-х гг., когда отсутствовала застройка по красной линии улицы. Плывунные свойства пылеватых песков чрезвычайно осложняли прокладку: траншеи заплывали грунтом, трубы тонули в плывуне. В результате коллектор был уложен без надлежащей герметизации стыков между звеньями труб. Во многом это предопределило необходимость проведения ремонтно-восстановительных работ. Ремонт канализационного коллектора из железобетонных труб с внутренним диаметром 1200 мм проводился в июне - сентябре 1998 г. Работы выполнялись, в основном, бестраншейным способом, методом проталкивания гибкой пластмассовой трубы диаметром 1000 мм внутрь деформированного железобетонного коллектора. В местах наибольших повреждений (просадок) железобетонных труб устраивались рабочие котлованы для опускания пластмассовой трубы и ее проталкивания в разгерметизированный канализационный коллектор.

Разработка открытого котлована длиной 24 м и глубиной 5,5 м по ремонту канализационного коллектора на этой улице осуществлялась в 14 м от 9-этажного жилого дома в достаточно сложных гидрогеологических условиях при следующем инженерно-геологическом напластовании:
насыпной слой с поверхности мощностью до 2,5 м;
слой мягкопластичной супеси мощностью до 2,0 м;
слой пылеватого песка мощностью до 5,0 м, переходящий при производстве работ в плывунное состояние.

Подземные воды находились на глубине 2,5 м от поверхности. Для производства работ был предложен короткий металлический шпунт, ограждающий стенки котлована. Для создания устойчивости и водонепроницаемости основания рабочего котлована использовалась струйная технология (Jet grouting) стабилизации грунта ниже дна котлована - пылеватого водонасыщенного песка в пределах шпунтового ограждения. Толщина закрепляемого слоя определялась специальным расчетом на основе геотехнического моделирования ситуации.

Работы велись с поверхности проектируемого котлована после погружения шпунтового ограждения с использованием специального оборудования (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Технологическая схема закрепления грунта по струйной технологии

Устройство противофильтрационной завесы (ПФЗ) днища возводимого котлована глубиной до 6 м с использованием струйной технологии позволило модифицировать свойства двухметрового слоя пылеватого песка с глубины - 9,0 м до -7,0 м, превратив его в грунтоцементный массив с заданными прочностными и фильтрационными параметрами. В искусственно измененных грунтовых условиях была обеспечена возможность проведения ремонтных работ при высоком положении УГВ в сухом котловане. Таким образом, расчетные параметры закрепленного грунта, обеспечивающие устойчивость закрепленного днища котлована на всплытие, получили подтверждение на практике (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Расчетная схема котлована с закрепленным грунтовым днищем

Эта технология производства работ оказалась наиболее щадящей для окружающей застройки. Представилось возможным выполнить глубокий котлован при высоком УГВ практически без водоотлива, не допустив осадок рядом стоящего здания, что подтвердили данные мониторинга. Для контроля качества работ одна из скважин, находящихся за пределами шпунтовых стенок котлована, была откопана. Как видно из рис. 6.7, вокруг скважины в результате перемешивания пылеватого песка с раствором цемента, образовался значительный (диаметром до 1,2 м) грунтоцементный массив с заданными противофильтрационными и повышенными прочностными свойствами. Рис. 6.7. Образец грунта, закрепленного по струйной технологии (Jet grouting), от одной из скважин (в 14 м от существующего дома) Рис. 6.8. Пластмассовая труба, заменяющая старый канализационный коллектор из же-лезобетонных труб.

Рис. 6.7. Образец грунта, закрепленного по струйной технологии (Jet grouting), от одной из скважин (в 14 м от существующего дома)	Рис. 6.8. Пластмассовая труба, заменяющая старый канализационный коллектор из железобетонных труб

Геотехнические работы в сложных инженерно-геологических условиях, связанных с закреплением пылеватого песка в рабочем котловане, расположенном на расстоянии 14 м от существующего 9-этажного жилого дома, позволили беспрепятственно осуществить проталкивание пластмассовой трубы длиной 140 м через деформированный ж/б коллектор (рис. 6.8). Все работы были проведены в сжатые сроки с высоким экономическим эффектом. Отметим, что в аналогичных грунтовых условиях на этой же улице заказчик решил использовать отвергнутый нами способ закрепления грунта с использованием электрогидравлического эффекта. Сама идея представляется интересной, но до реального применения в данных грунтовых условиях она не была доведена. Естественно, что сроки работ растянулись, а эффект закрепления массива грунта не был достигнут. Водонепроницаемость днища не была обеспечена, а это главное условие безопасной работы без откачки воды из котлована. В любом случае работы без обоснованных расчетов по неотработанным технологиям, как правило, непроизводительны, неэффективны, а в ряде случаев и опасны.

6.2. Строительство рабочих камер для микротоннеля

Тоннельный коллектор наружным диаметром 1,5 м, выполняемый бестраншейным способом проходческим комплексом фирмы "Херренкнехт" на глубине 6 м, был предназначен для переключения стоков канализации, сбрасываемых в р. Карповку, на Северную станцию аэрации С.-Петербурга. Строительство коллектора выполнялось в условиях тесной городской застройки, вблизи от существующих зданий. Для обеспечения сохранности исторических зданий при устройстве рабочих камер коллектора использовали короткое (9 м) шпунтовое ограждение, которое после производства работ оставалось в грунтовом массиве. Устройство подобных камер производилось в слабых водонасыщенных грунтах, типичный характер напластования которых может быть представлен следующим образом:

1 - с поверхности до глубины 3 м залегают насыпные грунты техногенного происхождения;
2 - ниже, мощностью до 2...3 м, грунты представлены пылеватой супесью в мягкопластичном состоянии;
3 - следующий слой - суглинок пылеватый, ленточный, текучей и текучепластичной консистенции, мощностью от 6 до 7,5 м;
4 - ниже, мощностью до 4…5 м, пылеватая супесь в мягкопластичном состоянии с гнездами песка, гравия и гальки, с глубины 15…16 м - тугопластичная.

По проекту производства работ (ППР) предполагалось расположить низ шпунтин в третьем слое грунта. Нашими расчетами было установлено, что при уровне подземных вод на глубине 2 м от поверхности этот слой не будет надежным основанием, в том числе и по фильтрационным свойствам. В целях создания надежной ПФЗ по днищу возводимого котлована на глубине 6 м от поверхности было предложено применить технологию электросиликатизации, позволяющую выполнять основные строительно-монтажные работы на данной глубине в сухом котловане. Работы по улучшению свойств грунта (пылеватого ленточного суглинка) осуществлялись в такой последовательности (рис. 6.9):

• предварительно в шпунтовом ограждении откапывался котлован глубиной 3 м;
• с уровня дна котлована производилось погружение перфорированных труб-электродов;
• электроды подключались к источнику постоянного тока со средним напряжением 70-80 В;
• грунт обрабатывался переменным током (200-300 А) со сменой полярности;
• проводилась откачка поступающей свободной воды от катодов;
• осуществлялась последовательная инъекция в аноды растворов силиката натрия и хлористого кальция;
• извлекались перфорированные трубы-электроды и проводилось тампонирование скважин.

Уменьшение влажности закрепляемого массива грунта контролировалось по данным замера уровня свободной воды в скважинах (рис. 6.10). За 2-недельный период обработки связного грунта наибольший эффект обезвоживания наблюдался по скважинам-катодам, из которых постоянно откачивалась свободная вода.

Процесс выполнения основных строительных работ по сооружению рабочего котлована в шпунтовом ограждении с искусственным закреплением его днища представлен на рис. 6.11, 6.12.

Результат электросиликатизации проявился в изменении ряда физико-механических свойств закрепляемого грунта: так, модуль деформации грунта увеличился на 60%, угол внутреннего трения и сцепления - почти на 70%. Проведенное локальное обезвоживание с регулярным выносом песчаной фракции привело к изменению гранулометрического состава грунта, который из категории пылеватого суглинка перешел в категорию глины. В результате закрепленное основание приобрело преимущественно полутвердую консистенцию. Коэффициент фильтрации такого грунта снизился от 0,08 м/сут до 0,003…0,006 м/сут, т.е. была создана практически водонепроницаемая завеса под днищем возводимого котлована.

Закрепление грунта сооружаемого котлована позволило выполнить необходимые строительно-монтажные работы в "сухом" котловане. Были существенно улучшены физико-механические характеристики основания, созданы условия для надежной эксплуатации сооружения в целом. Фактически здесь был реализован физический закон электроосмоса, возможности которого не использованы в полной мере при специальных работах в грунтах.

Таким образом, выбор технологий и оптимальных режимов стабилизации грунтов и создания противофильтрационных завес должен определяться на стадии проектирования в зависимости от места проведения работ, инженерно-геологических условий площадки и состояния окружающей застройки. В ряде случаев успешно используется принцип превентивного усиления зданий, попадающих в зону риска при ведении работ по устройству глубоких котлованов и тоннельной проходке.

Рис. 6.9. Принципиальная технологическая схема производства работ по закреплению суглинка - грунтового днища сооружаемого котлована в шпунтовом ограждении при высоком уровне грунтовых вод

Рис. 6.10. Динамика изменения уровня воды по скважинам-инъекторам в процессе выполнения работ

Фото 6.11. Общий вид рабочей камеры в шпунтовом ограждении на набережной р. Карповки

Рис. 6.12. Котлован для рабочей камеры после закрепления днища методом электросиликатизации