Применение трубошпунта в строительстве

В данной статье мы рассмотрим применение трубчатого сварного шпунта с различными замковыми соединениями при устройстве котлованов для метро, а также постройке причалов, дамб и мостов. Поговорим о том, какие конструкционные решения нашли широкое применение в строительстве в районах со сложными грунтами и во влагонасыщенных районах.

За границей трубошпунт начали активно использовать еще в середине 60-х. Эта перспективная тенденция добралась до нас только с момента распада СССР, когда активно пересматривались имеющиеся ГОСТы и проектные чертежи как для деталей, так и для самих сооружений. Первые ограждения из трубошпунта возводили в условиях Крайнего Севера, что сразу задало высокие требования к характеристикам изделий. Поэтому дальнейшее введение конструкций из труб в средней широте происходило крайне активно и без ограничений – металлоизделие уже к тому моменту прошло проверку на морозостойкость, способность выдерживать резкие перепады температур и жесткую нагрузку промерзшим грунтом.

За последующие тридцать лет актуальность трубошпунта при организации барьерных сооружений не подвергалась сомнению. Это способствовало расширению сортаментного ряда: теперь предельным диаметром сварной трубы для проката стал не 1020мм, а 1420 мм, более того, длина некоторых изделий могла достигать до 50 м в высоту.

Основным толчком к развитию данной ветви металлопроката стала модернизация торгового флота. Для судов с осадкой порядка 17 м, перевозящих грузы более 150 тысяч тонн потребовалось формирование совсем иной портовой линии. Но чем сложнее инфраструктура, тем больше сил она потребует при проведении профилактических и ремонтных работ. А это значит, что сами материалы, применяемые при строительстве должны быть максимально долговечными и прочными, чтобы такие операции требовалось проводить как можно реже. В этом вопросе трубчатым сварных шпунтовым свайям нет равных. На Дальнем Востоке можно встретить множество портов, организованных разными застройщиками при помощи трубошпунта. Причалы представляют собой засыпную эстакаду с передней лицевой стенкой из сварного трубчатого шпунта.

Более того, популярность продукта привела к формированию отдельной мотодологической базы и разработке новых стандартов и чертежей, которые актуальны для изделий, которые будут эксплуатироваться в самых разных условиях. Стандартизация по ГОСТам, в свою очередь, расширила область применения свай ТШС. Помимо уже указанных причальных стенок, мостовых переходов, котлованов на стройках, в область применения включили транспортные и гидротехнические сооружения.

Почему для глубоких котлованов рациональнее использовать сваи ТШС, а не «Ларсен»

До массового применения трубошпунта, при устройстве глубоких котлованов (имеется в виду глубина более 5 м) применяли «корытные» шпунты с утяжелением. Например, системы Ларсен IV или V, изготовленные из толстолистового металлопроката. Но проблема в том, что изготавливаются они из стали 16ХГ (низколегированной) и ее характеристики прочности совершенно недостаточны для изгиба без надлома. К чему это приводит? К тому, что при проектировании укреплений котлованов и портов требуется производить дополнительные расчеты и вводить дополнительные конструкции, которые будут снижать горизонтальную нагрузку (давление грунта) на шпунт. Для общего понимания уточним: дополнительные конструкции – это не пара швеллеров, это полноценные ряды экранирующих свай, разгрузочные призмы и эстакады.

Еще одна проблема состоит в том, что установка (забивка) шпунта реализуется по тому же методу, что и забивка свай. Но конструкционные особенности «Ларсена» создают более жесткий контакт забивающего инструмента (молота) и самого элемента ограждения, несмотря на применение специальных наголовников на торцы шпунта. Это приводит к быстрому износу и инструмента, и самой шпунтовой сваи.

А теперь добавим к этому сложность забивки «в замок». Расчеты погружения должны быть точнейшим образом выверены как по вертикали, так и в плановой проекции. Нередко возникают случаи, когда в процессе требуется дополнительное бурение, чтобы скорректировать положение. Но и без «замка» при одиночной вбивке случаются казусы: «Ларсена» трудно развернуть в плане и он легко деформируется.

За неимением альтернативы, строители нашли выход – они погружали сваи сразу пакетом в две шпунтины. Но такая операция требовала дополнительных ухищрений. Дело в том, что с увеличением объема погружаемой детали в плотный грунт, увеличивается и ее сопротивление этому погружению. Таким образом, чтобы вбить пакет из двух свай на 1 метр потребуется более 300 ударов. Можно представить, что после такого воздействия верхний торец, с которым идет соприкосновение ударного молота, мнется. И дальнейшая работа становится невозможна, потому как по закону физики ударная сила будет направлена не на дальнейшее погружение сваи, а на большее смятие деформированной верхушки.

Еще один недостаток «Ларсена» – трудности при повторном использовании. В этом случае очень часто «замки» деформируются и на некоторых участках длины шпунта не прилегают друг к другу с нужной плотностью. Для этого образующиеся пустоты закладывают досками (это называется «затирка»), но решение является скорее конструкционным, чем практичным, так как водопрорицаемость сооружения сильно возрастает, теперь ко всем перечисленным выше работам добавляется еще и необходимость загерметизировать швы замков.

Область применения: трубошпунт для котлована метро

На примере одного из реализованных в России проектов по созданию ветки метро рассмотрим такие моменты, как выбор типа шпунта, подбор габаритов, исходя из поставленных задач, а также подготовительные работы и сам процесс установки.

Так как мы говорим о реальном проекте, то можем рассмотреть и реальные условия, в которых осуществлялась застройка. Сам проект включал в себя не только организацию перегонных тоннелей, но и технологические узлы, а также подходы к метромостам, ряд специальных объектов, инженерный отсек и отдел депо. Всего протяженность ветви составила порядка 20 метров. Так как работы проводились на высокой глубине, а к качеству замков предъявлялось особое требование, было принято решение использовать при укреплении стенок котлована сваи ТШС (трубошпунт).

Кроме того, при выборе проектных металлоизделий учитывались и другие параметры: сложные геологические условия, наличие на поверхности действующих элементов инфраструктуры, а также воздействие вибрации на все сооружение (протяженность первой линии строящейся ветки составляла 7,3 км, при этом скорость поезда на прямой по проектным расчетам могла достигать 36 км/ч, что создавало значительные вибрации).

Таким образом, оценив все условия, разработчики остановили свой выбор на трубошпунте номиналом ТШС 6-2006-А.208-00- СВСУ-13. А способом монтажа было определено вибропогружение.

Для справки:

На одну (не центральную) станцию было поставлено свыше 750 спай ТСШ, диаметр труб которых составил 720 мм (номинальный). Длина каждого изделия – 15,5 метров. В работе использовался вибропогружатель РТС-48HFV, который позволяет контролировать амплитуду движения в режиме реального времени. Выбор обоснован тем, что именно эта установка за счет полного контроля процесса может использоваться в чувствительных зонах – вблизи домов, действующих автодорог и высотных металлоконструкций. Рабочий орган крепился к трубошпунту при помощи подъемного крана грузоподъемностью до 50 тонн.

Особенности работ по устройству ограждающих стен котлована метро

Одна из станций прокладываемой ветки метро располагалась в непосредственной близости от фундамента мостового перехода. Причем фундамент был выполнен из свай и укрепленные подошвы этих свай (несущих) по уровню погружения совпадали с глубиной котлована для котлована под станцию. Это создало ряд проблем, которые также решились при помощи трубошпунта ТШС 6-2006-А.208-00- СВСУ-13. При корректировке проектных чертежей было принято решение использовать трубчатый шпунт не только для укрепления котлована, но и как конструктивный элемент общей схемы защиты станции от воздействий грунта. Проще говоря, ТСШ включили в основной проект застройки.

Особое внимание было уделено прочности замковых соединений. Плоские замки обычного металлического шпунта при сцепке способны выдерживать значительные растягивающие усилия. В теории. принимаемой при проектировании, сопротивление на разрыв таких элементов составляет без малого 19,6 кН/см. Для применения такого плоского шпунта на ответственных участках застройки эта цифра недостаточна.

Замки трубошпунта – сварные, либо также возможно применение замков горячекатаного шпунта (сортамент ШК). По настоящее время технологи совершенствуют характеристики и конструкцию замковых соединений трубошпунта, что позволяет существенно расширять область применения металлоизделий.

Трубошпунт для котлованов имеет замки, произведенные из сортового металлопроката: уголка 70х70х8 мм, изготовленного в соответствии требованиям ГОСТ 8509- 86, а также из стального листа 72х8 мм, который проходит проверку на соответствие ГОСТ19903-74.

Основная деталь трубошпунта – сварная стальная труба. В первые годы применения данного типа шпунта в изготовлении использовались трубы, активно применяемые в нефтегазовом секторе. Их диаметр составлял сортаментный ряд от 530 мм до 1020 мм. Но, как говорилось выше, сейчас линейка пополнилась номиналами диаметром до 1420 мм.

А теперь для сравнения: современные ТСШ имеют момент сопротивления W= (2,2 –13,3)*103 см3 /м.

Технология монтажа

Важно, чтобы при забое трубошпунта соблюдались все операции, предусмотренные технологией строительных работ, так как любое отклонение от заданного порядка может привести к выходу за рамки допустимых погрешностей и процесс придется повторять заново. В этому случае преимущество ТСШ в том, что, в отличие от обычного плоского шпунта он не деформируется от ударов забойными установками.

• Перед тем как погружать изделие в почву нужно осмотреть и по необходимости очистить замковые соединения конструкции от грязи и инородных предметов. Чтобы не выяснилось уже в процессе работы, что замок имеет большое искривление, еще до начала погружения выверяется его прямолинейность посредством шаблона.
• Вибропогружатель крепится на верхнюю грань трубы при помощи клинового наголовника, при этом операторы следят, чтобы сцепление было жестким.
• Теперь уже вместе с погружателем шпунт поднимают, центруют и подводят нижний конец замка к замку уже вмонтированной в котлован ТСШ.
• Проведя предварительные оценочные замеры и убедившись, что направление забоя точно соответствует проектному, вибропогружатель включают.
• Ввод шпунта в грунт осуществляется до проектной отметки, после чего установку отключают и транспортируют краном к месту погружения следующего элемента ограждения.

Выбор трубошпунта, исходя из типа сооружения

Выбор трубошпунта из сортамента зависит от глубины прокладки котлована и непосредственных условий работы (наличие застройки вблизи котлована, качество почвы и т.д.). Следует понимать. что чем глубже котлован, тем сильнее будет грунт давить на предохраняющую ограждающую конструкцию (зависимость пропорциональна).

Если предполагается высокая нагрузка на сваи ТСШ, в проекте прописывают использование трубошпунта из труб с повышенными механическими характеристиками. В этом случае сталь должна соответствовать минимальным показателям:

• Сопротивление на разрыв должно быть до 685 Н/мм2.
• Предел текучести (пластичность с минимальным упрочнением) – больше или равен 345 Н/мм2.
• Ударная вязкость определяется сразу по двум условиям: температуре и непосредственном показателе вязкости. Так выбранная для трубошпунта сталь при температуре -40 градусов Цельсия должна обеспечивать вязкость от 29 Дж/см2.
• При всем этом относительное удлинение допустимо только в пределах 21%.

Подбирая стали для трудной части и замкового соединения нужно понимать, что основная ударная нагрузка при монтаже и постоянная уже во время эксплуатации будет на трубную часть (96%) и только 4% – на замок.

Плюсы и минусы применения трубошпунта

+ Одним из важных преимуществ свай ТСШ является возможность монтажа изгибающихся по периметру ограждений (имеется в виду кливолинейность в плане). Конструкция труба+замок позволяет без осложнений и рисков испортить элемент поворачивать шпунт до 10 градусов, то есть организовать резкий поворот можно всего несколькими проходками шпунтин.

– При этом, как и у любого металлоизделия, слабым местом является подверженность коррозии. Если использовать металлопрокат без какой-либо обработки, потери только от проржавения будут составлять порядка 30% от массы черного металла в сплаве. Такие показатели неутешительны. Однако при своевременной обработке эмалями или грунтовками (наиболее распространенные марки ЭП-5116; ЭП-057; ЭП-1155) этот процент удается снизить в разы.

Возвращаясь к преимуществам, стоит отметить важные факты:

• Организация ограждений с использованием трубошпунта требует минимального технического оснащения и сокращает площадь рабочей площадки. А это в условиях плотной застройки является большим плюсом, например как в данном рассмотренном случае, прокладка тоннелей метро производилась на территориях жилых и промышленных районов с развитой инфраструктурой.
• Технология монтажа оказывает наименьшее экологическое воздействие, сравнительно с другими строительными технологиями. Она требует меньше энерго- и трудозатрат.
• Тип замка позволяет сооружать замкнутые по периметру сцепки, легко огибать препятствия в виде зданий и сооружений, что позволяет организовать котлованы без смещения и ограничений. Учитывая, что современные стройки производятся в местах с наземными и подземными коммуникациями и уже на уровне разработки плана возникает множество нюансов, такая свобода от привязки к конструкции шпунта крайне ценна.
• Сама конструкция сварного трубчатого шпунта проста и не требует регулярных осмотров и профилактических работ. Функционировать такое ограждение может в течение десятков лет без вмешательства человека. Это существенно расширяет область применения изделий: начиная от природных условий (водные глубины, низкотемпературные зоны) и заканчивая монтажолм в труднодоступных местах.