Рязанов А.В.
Заместитель генерального директора ООО «МосФундаментПроект», кандидат геолого-минералогических наук
Введение
В практике строительства с устройством котлованов возникают ситуации, когда уровень грунтовых вод не позволяет или значительно затрудняет выполнение строительных работ. В таких случаях, в зависимости от гидрогеологических условий участка строительства, дебита грунтовых вод вскрываемых водоносных горизонтов, требуется комплекс мероприятий по водоотведению из котлована, иногда с осуществлением действий по водопонижению в грунтовом массиве. Зачастую существенным ограничением возможности применения мероприятий по водопонижению в условиях существующей плотной застройки прилегающей территории является прогнозируемое развитие осадок в грунтовом массиве и, как следствие, возникновение недопустимых величин деформаций инженерных сооружений. Для защиты сооружений от деформаций требуются дополнительные геотехнические мероприятия, в ряде случаев за пределами котлована, которые значительно увеличивают стоимость строительства. В качестве альтернативного способа устройства котлована рассматривается проектное решение с выемкой грунта в предварительно замороженном грунтовом массиве для одного из промышленных объектов на территории завода в пойме р. Москва московского региона.
В геоморфологическом отношении участок строительства расположен в пределах низкой поймы р. Москвы. В геологическом строении с поверхности до глубины 4-4,5 м территория сложена техногенными (насыпными) уплотненными, малой степени водонасыщения грунтами песчано-суглинистого состава. Ниже залегают современные аллювиальные отложения поймы р. Москвы, которые в верхней части представлены суглинками, часто замещаемыми глинами, супесями, песками пылеватыми, а в нижней части – песками мелкими, средней крупности и гравелистыми, средней плотности, насыщенными водой. С глубин 11-13 м разрез представлен верхнеюрскими глинами (Рис. 1).
Гидрогеологические условия территории характеризуются наличием двух водоносных горизонтов: верховодки, имеющей локальное распространение и основного надъюрского водоносного горизонта, приуроченного к аллювиальным песчаным отложениям. Водоупором служат глинистые отложения верхней юры, вскрытой мощностью 9-10 м. На момент изысканий установившийся уровень подземных вод аллювиального водоносного горизонта был зафиксирован на глубине 4,5 м.
В рамках реконструкции технологической производственной линии у заказчика проекта возникла необходимость устройства в действующем производственном цехе котлована с размерами в плане 6х10 м и глубиной 9 м с последующим устройством монолитных железобетонных стен и пола заглубленного сооружения. Период проведения строительно-монтажных работ – с июля по август. Непосредственно устройство котлована и бетонные работы в соответствии с проектом производства работ занимали 10 дней. В связи с тем, что инженерно-геологический разрез в интервале глубин разработки котлована представлен преимущественно песчаными грунтами, а уровень грунтовых вод по данным инженерных изысканий был зафиксирован на глубине 4,5 м, разработка котлована глубиной 9 м без дополнительных мероприятий по защите от грунтовых вод и удержанию стенок котлована не представлялась возможным. Вариант, предусматривающий искусственное понижение уровня грунтовых ниже отметки дна котлована не мог быть реализован в связи с опасностью возникновения осадок грунтов в осушаемом массиве и развитии недопустимых величин деформаций фундаментов цеха и оборудования в пределах зоны водопонижения. Устройство ограждения котлована с использованием шпунта не обеспечивало необходимой защиты котлована от поступления грунтовых вод через дно котлована. Вариант формирования ограждения котлована из грунтоцементных элементов с применением струйной или буросмесительной технологии или инъектирования грунтового массива также не обеспечивал необходимой защиты котлована ввиду крайней стесненности и, местами, недоступности участка для производства работ. Таким образом, в качестве альтернативного варианта решения данной проблемы заказчиком был принят вариант с искусственным замораживанием грунтового массива.
В период проведения строительно-монтажных работ (июль-август) температура воздуха в помещении предполагалась на уровне +20°С. Температура грунта до начала выполнения работ в охлаждаемом массиве была принята равной +15°С. Основным условием решаемой задачи было выполнение работ по замораживанию грунтового массива в срок не более одного месяца и применение холодильной техники малой холодопроизводительности.
Моделировалось изменение температурного поля грунтового массива в процессе его замораживания и последующего оттаивания. В качестве замораживающей системы были выбраны вертикальные охлаждающие элементы из металлической трубы диаметром 60 мм, погружаемые в пробуренные скважины и соединяемые между собой по коллекторной схеме трубопроводами обвязки для подачи хладагента. В качестве хладагента применялся раствор пропиленгликоля. Охлаждение пропиленгликоля осуществлялось с помощью компрессорной установки охлаждения жидкости.
Теплотехнические расчеты выполнялись в трехмерной постановке на программном комплексе «Борей 3Д». Целью расчетов было определение таких оптимальных параметров с точки зрения минимизации времени замораживания грунтового массива до проектных значений температур грунтов с использованием холодильной установки малой производительности, как длина вертикальных охлаждающих элементов в грунте, шаг их расстановки в плане (количество элементов), температура охлаждения хладагента в компрессорной установке, расход хладагента в системе.
В качестве проектных значений температур охлаждаемых грунтов приняты такие значения температур грунтов, достигаемые в процессе замораживания, при которых после отключения системы охлаждения перед началом земляных работ намороженный массив сохраняется в течение всего периода проведения строительно-монтажных работ. При этом температуры в конце строительного периода не должны превышать минус 0,3°С. С учетом запаса времени на непредвиденные ситуации период строительства (выемка грунтов котлована, устройство опалубки, формирование железобетонного приямка, период набора прочности бетона) в расчете был принят равным 30 дней
По результатам серии вариантных расчетов было установлено, что в данном случае оптимальным решением является установка вертикальных охлаждающих элементов в количестве 76 шт длиной в грунте 12 м (Рисунок 2). Из них 40 элементов устанавливаются в контуре котлована в 4 ряда. Шаг элементов в ряду – 1 м, шаг между рядами элементов – 1,5 м. Остальные 36 элементов устанавливаются за пределами котлована по его периметру на расстоянии 0,3 м от края выемки в один ряд с шагом между элементами, равным 1 м. При этом, для облегчения разработки грунта конструктивно охлаждающие элементы внутри котлована выполнены таким образом, что замораживание грунта осуществляется только в интервале глубин 9-13 м. В интервале глубин до 9 м в контуре котлована замораживания грунтов не происходит, грунты остаются в талом состоянии. Охлаждающие элементы, расположенные за контуром котлована охлаждают грунт по всей своей длине. Требуемая температура теплоносителя на выходе из холодильной машины составляет минус 20⁰С.
Для обеспечения возможности домораживания грунта стенок котлована, в случае такой необходимости, в процессе производства строительно-монтажных работ, предусматривалось разделение системы замораживания на два контура. Первый контур замораживания включал в себя вертикальные охлаждающие элементы, расположенные внутри котлована, подлежал демонтажу в процессе проведения земляных работ. Второй контур включал в себя охлаждающие элементы за периметром котлована и сохранялся на весь период строительных работ в целях возможности его запуска в случае затягивания сроков строительства или других непредвиденных ситуаций.
Для выполнения теплотехнического моделирования процесса создания мерзлого массива чашеобразной формы задача решалась в полноценной трехмерной постановке. Расчетная область задавалась размерами (Ширина х Длина х Глубина) 20х30х30 м с тем, чтобы вмещать в себя в полном объеме котлован и область замораживания грунтов, а также прилегающую территорию, в пределах которой предполагалось интенсивное изменение температур грунтов – в целях минимизации влияния на модель со стороны боковых и нижней граней модели, на которых задавались граничные условия второго рода (тепловой поток, равный нулю).
Прогнозный теплотехнический расчет выполнялся в два основных этапа:
- 1 этап: создание мерзлого массива с помощью замораживающих колонок;
- 2 этап: отключение замораживающих колонок и формирование котлована.
На этапе 1 расчетная модель представляла собой грунтовый массив с установленными согласно описанной схемы расстановки замораживающими колонками (Рис. 3).
Как показывают результаты теплотехнических расчетов, при реализации предложенного решения в течение 4-х недель происходит формирование мерзлого грунтового массива в виде чаши с талым объемом грунта во внутренней ее части. Температуры грунтов внутри мерзлого массива за период замораживания понижаются до значений -9…-14⁰С (Рис. 4). Такие параметры мерзлого массива являются достаточными для того, чтобы обеспечить его сохранность в течение 14 дней после отключения системы замораживания и выполнения в этот период работ по выемке грунта и производству бетонных работ. При этом, температуры мерзлых грунтов внутри мерзлого массива по истечении 14-дневного срока не превышают минус 0,3⁰С, а в основании котлована составляют порядка минус 2,0⁰С (Рис. 5).
Расчеты показывают, что при выбранной схеме расстановки замораживающих колонок возможно достичь замораживания мерзлого массива необходимых параметров в более коротки сроки – в течение 2-2,5 недель, однако это требует задействования более производительных замораживающих станций.
Дополнительно, в ходе выполнения теплотехнических расчетов была выполнена оценка влияния на температуры замороженных грунтов фактора тепловыделения бетона в за счет его саморазогрева в процессе твердения (гидратации). Моделирование показало, что в данном случае, в связи с относительно небольшим объемом бетона, задействованного при формировании железобетонного приямка, а также из-за отвода тепла большей частью в атмосферу, тепловыделение в сторону мерзлых грунтов не приводит к существенному растеплению мерзлого массива, размеры намороженного массива практически не меняются. Повышение температуры мерзлых грунтов за счет тепловыделения от бетона в среднем составляет порядка 0,1-0,2⁰С (Рис. 6).
|
а) |
б) |
 |
 |
В ходе разработки проектного решения, как один из вариантов дополнительной защиты от растепления мерзлых грунтов в стенках и днище котлована рассматривалась их теплоизоляция со стороны выемки с помощью облицовки теплоизоляционными листами из экструдированного пенополиуретана толщиной 25 мм. Расчеты показывают, что в этом случае через 30 суток после отключения замораживающих колонок удается практически полностью сохранить мерзлый массив (Рисунок 7). Толщина стенки мерзлой чаши на глубине 3,5 м составляет порядка 1,2 м и увеличивается с глубиной, толщина мерзлого массива в днище котлована достигает порядка 2,7 м при средней температуре минус 2,2⁰С.
Выводы
Таким образом, метод искусственного замораживания грунтов является доступным альтернативным способом решения геотехнических задач, связанных с необходимостью осуществления земляных работ в обводненных грунтах в условиях тесной застройки.
В зависимости от инженерно-геологических, гидрогеологических и других условий конкретного объекта возможно подобрать такую схему замораживания грунтов, которая бы обеспечила возможность проведения дальнейших строительных работ без дополнительного включения замораживающих колонок в процессе выполнения работ после формирования мерзлого массива, а также без дополнительного теплоизолирования стенок и днища котлована.
При незначительном объеме монолитных работ фактор теплового влияния бетона в процессе его гидратации на температурный режим грунтов замороженного массива не является значительным.
Применение теплоизоляции стенок котлована позволяет существенным образом защитить от растепления мерзлый массив грунтов, значительно увеличив время его существования.