Противофильтрационные завесы: современная защита от подземных вод

Что позволяет назвать противофильтрационные завесы типа «стена в грунте» наиболее современным способом защиты от грунтовых вод? Рассмотрим преимущества инновационной технологии и современные примеры применения противофильтрационных завес в строительстве Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурге и новых станций Московского метрополитена.

К числу наиболее распространенных проблем подземного строительства в черте города относится необходимость работы с проблемными обводненными грунтами и риск разрушения близко расположенных зданий под воздействием вибрации и ударных волн. Использование современной спецтехники позволяет свести к минимуму динамическое воздействие на окружающую среду, однако проблема защиты создаваемого объекта от воды во многих случаях оказывается серьезным препятствием для реализации проекта.

Обзор технологий борьбы с подземными водами

К наиболее часто применяемым методам противофильтрационной защиты от подземных вод относятся:

• Открытый водоотлив (выемка грунта и откачка воды из котлована);
• Искусственное понижение уровня грунтовых вод (с использованием иглофильтровых установок либо стратегически расположенных скважин с погружными насосами для откачки воды);
• Вакуумирование грунта (перевод воды в капиллярное состояние с помощью создания вакуума в полостях грунта);
• Отжатие воды от выработки (старинный кессонный метод, базируется на нагнетании сжатого воздуха внутрь подземного сооружения, практически не используется в современном строительстве из-за негативного влияния резких перепадов давления на человеческий организм);
• Противофильтрационные завесы (преграды из различных материалов, изолирующие строящийся объект от подземных вод).

Как отмечают специалисты, открытый водоотлив и искусственное водопонижение на данный момент являются экономически неэффективными методиками, требующими больших дополнительных расходов на отвод воды. При организации открытого водоотлива значительные ресурсы тратятся на широкомасштабную выемку грунта – стоимость подобной процедуры при создании крупных подземных объектов может быть неоправданно высока. При искусственном понижении уровня грунтовых вод глубина водоотводящих вертикальных скважин может достигать сотни и более метров, что требует организации откачки воды и использования насосного оборудования значительной мощности.

Применение иглофильтровых установок для перевода воды в капиллярное состояние является достаточно современной методикой, однако ее применение ограничено в связи с трудозатратностью технологии. Для нагнетания вакуума в грунте необходимо создание сети скважин либо погруженных в почву методом гидроразмыва трубчатых иглофильтров, максимально возможное расстояние между элементами составляет около 1,5 метров. В тех случаях, когда уровень подземных вод требуется понизить более чем на 4-5 метров, а также при строительстве на значительной глубине необходимо размещение иглофильтров на нескольких ярусах разной заглубленности.

Наиболее прогрессивным, надежным и малозатратным методом защиты от грунтовых вод на сегодняшний день является создание противофильтрационных завес.

Противофильтрационные завесы

На современном строительном рынке под термином «противофильтрационная завеса» чаще всего понимается разновидность «стены в грунте», изготовленная из железобетона или свай. Необходимо отметить, что существуют и другие технологии создания противофильтрационных завес, появившиеся на несколько десятилетий раньше.

Технологии создания противофильтрационных завес

• Инъекционные завесы. Создаются путем пробуривания группы последовательно расположенных скважин, через которые в породу нагнетается под давлением стабилизирующий материал (глинистый, цементный, битумный, глиноцементный, с добавлением химических реагентов). Основной минус технологии – высокий расход заполняющей смеси, которая может распространяться по трещинам породы на десятки метров;
• Мерзлотные завесы. Технология, подходящая для большинства грунтов. Завеса является временной и представляет собой стену замороженной воды, преграждающую путь содержащимся в породе подземным водам. Основной минус технологии – высокие расходы на перевод воды в твердое состояние;
• «Стена в грунте». Создаются путем обустройства траншеи и заполнения ее жидким бетоном, либо созданием свайной стены из пересекающихся либо расположенных в виде частокола свайных элементов.

Уникальные преимущества противофильтрационных завес типа «стена в грунте»

Значительная глубина противофильтрационной завесы в большинстве случаев позволяет прорезать все существующие водоносные слои и достигнуть глубинного водоупорного слоя грунта, полностью изолировав подземный объект от подземных вод. На участках, сложенных водонасыщенными, нестабильными и неоднородными грунтами завесы типа «стена в грунте» являются единственным на сегодняшний день способом создания туннелей метро и других крупных подземных объектов.

Высокая экономическая эффективность «стен в грунте» обусловлена не только задействованием ресурсосберегающих новых технологий, но и возможностью использовать противофильтрационную завесу в качестве конструктивного элемента строящегося объекта. Чаще всего бетоносвайные стены используются в качестве внешних стен объекта (цокольного этажа, коробчатого фундамента, выемки и пр.). После завершения работ по обустройству завесы во внутреннем пространстве созданной конструкции производится выемка грунта и обустройство плитного фундамента и других элементов.

Типы противофильтрационных завес типа «стена в грунте»

• Железобетонные траншейные (для связных и несвязных грунтов без твердых включений)
  Завесы траншейного типа являются самым недорогим вариантом противофильтрационных конструкций и широко применяются как в гражданском, так и в промышленном строительстве для изоляции различных объектов от грунтовых вод. При создании траншейных завес для выемки грунта применяется грейфер или гидрофреза, для подачи цементной смеси под давлением задействуется насос для бетона. Стабилизация траншеи выполняется с помощью глинистого раствора, который впоследствии вытесняется подаваемым под давлением бетоном. Перед заливкой цементной смеси в готовую траншею опускается металлический армокаркас, придающий завесе дополнительную прочность. Для дополнительного увеличения скорости работ монолитная бетонная стена может быть заменена сборной или сборно-монолитной конструкцией из железобетона;
• Свайные (для связных и несвязных грунтов со скальными включениями)
  Буронабивные сваи являются одним из самых популярных элементов для формирования «стен в грунте». Первая бетоносвайная противофильтрационная завеса в виде частокола была создана в 50-х годах в Италии, после чего метод быстро стал популярным во всем мире. Более современным вариантом бетоносвайной стены является завеса из секущихся свай диаметром до 800 мм. Бурение под сваи набивного типа может быть выполнено даже вблизи уже существующих зданий, позволяет избежать масштабных земляных работ и значительно снижает расходы на транспортировку готовых опорных элементов на стройплощадку. Для укрепления набивных свай в большинстве случаев применяются армокаркасы, которые могут быть изготовлены машинным способом вне участка работ либо созданы непосредственно в ходе строительства. Основное оборудование для устройства свайных «стен в грунте» – ударная буровая установка для буронабивных свай, для стабилизации скважин в нестабильном грунте применяется глинистый раствор либо обсадные трубы для буронабивных свай;
• Грунтоцементные (для несвязных грунтов без твердых включений)
  Одной из новейших методик создания противофильтрационных завес является струйная цементация Jet Grouting, позволяющая с минимальными затратами создать «стену в грунте» на основе грунтоцементных свай (круглых, трех- и четырехлопастных, винтообразных). Грунтоцементная «стена в грунте» дополнительно армируется, в верхней части конструкции создается монолитная обвязка. Для создания грунтоцементной завесы применяется насос для бетона и специализированная буровая машина, позволяющая одновременно разрушать и перемешивать грунт с помощью породоразрушающего инструмента и специального устройства для подачи цементного раствора под напором.

Современные примеры использования противофильтрационных завес в городском транспортном строительстве

Центральный участок ЗСД в Санкт-Петербурге

С по-своему уникальной строительной задачей столкнулись создатели Центрального участка петербургского ЗСД – восьмиполосной платной автотрассы, соединяющей исторические районы города. Согласно проекту, новая автодорога должна пройти через юго-западную оконечность Васильевскую острова, выходящую на Финский залив. Участок работ сложен водонасыщенными породами и находится в низине, некоторые участки которой расположены ниже уровня воды. В связи с высоким риском подтопления автотрассы было принято решение провести магистраль в выемке, ограниченной противофильтрационными завесами типа «стена в грунте».

Репортаж с места строительства ЗСД на Васильевском острове.

Согласно предварительным расчетам, в самой низкой точке новая автомагистраль будет проходить на 4 метра ниже уровня воды. Общий объем выемки под Центральный участок ЗСД составит более 14 тыс. кубометров породы. Длина каждого из противофильтрационных сооружений по сторонам магистрали – 1750 метров, общая протяженность конструкции – 3500 метров.

На данный момент на участке работ уже создана форшахта и ведется выемка грунта с помощью грейферов. Согласно проекту, противофильтрационная завеса ЗСД будет изготовлена из бетона, дополнительно укрепленного металлическими армокаркасами. Для снижения расходов на транспортировку материалов армокаркасы будут создаваться непосредственно на стройплощадке с помощью ручной сварки. Для обустройства сооружения применяется классическая технология: после создания траншеи ее стенки стабилизируются связывающим глинистым раствором, после чего в углубление опускается армокаркас и производится заливка бетона. Общая высота «стены в грунте» на Васильевском острове составляет 27 метров и сложена 25-ти метровой подземной частью и 2-х метровой надземной частью. Как отметили создатели проекта, заглубление на 25 метров позволило достигнуть первого глубинного водоупорного слоя и таким образом обеспечить будущей автотрассе эффективную защиту от подтопления.

Кожуховская линия Московского метрополитена

В период с 2015 по 2020 год на территории Москвы должно появиться более 70 новых станций метро. Для большей экономической эффективности проводимых работ для создания столичной подземки были привлечены крупнейшие иностранные компании, обладающие значительным опытом подземного строительства. Создание Кожуховской линии московского метро будет выполняться под руководством испанского строительного концерна Bustren, принимавшего активное участие в создании метрополитена в Испании, Эквадоре, Доминиканской республике и ряде других стран. Главной инновацией испанских специалистов является прогрессивная технология подземного строительства, основанная на применении противофильтрационных завес типа «стена в грунте».

Основные преимущества испанского подхода к строительству подземки – максимально высокая скорость строительства туннелей, высокая безопасность и экономическая эффективность. Надземные работы на объекте занимают всего 3-6 месяцев, после чего строительство полностью «уходит под землю», избавляя жителей города от транспортных проблем и повышенного уровня шума. Весь цикл работ по обустройству новой станции метро – от проектирования до запуска – занимает всего 2 года.

Достигать рекордных результатов строительным экспертам из Мадрида помогает грамотное использование всего потенциала методики «стена в грунте».

Видеоинфографика, демонстрирующая испанскую методику строительства метро.

Суть методики основана на уникальной способности «стены в грунте» выполнять двойную функцию, являясь одновременно несущей стеной и противофильтрационной завесой. Продуманный процесс строительства новой станции полностью исключает лишние затраты ресурсов на создание временных конструкций: каждый созданный новый элемент является постоянной частью строящегося объекта.

Первым этапом строительства становится создание противофильтрационной завесы, позволяющей изолировать участок работ от грунтовых вод и одновременно создать внешние стены будущей станции. Обустроенное коробчатое сооружение накрывается сверху монолитной бетонной плитой, после чего надземная стройплощадка ликвидируется, а все дальнейшие работы переносятся под землю. После выемки грунта до проектной отметки создается вторая монолитная плита, одновременно представляющая собой пол вестибюля будущей станции и распорный элемент, сообщающий дополнительную устойчивость внешним бетонным стенам. После создания нижнего уровня станции работы опускаются на уровень проходческого щита, который протягивается из уже существующего отрезка туннеля.

Согласно официальной информации, по испанской технологии будут создаваться четыре новых станции московского метро, расположенные на Кожуховской линии. По неподтвержденным данным, представленный компанией Bustren проект подразумевает создание классических траншейных противофильтрационных завес из бетона, дополнительно усиленных армокаркасами. Глубина заложения новых станций Кожуховской линии составит от 18 до 20 метров, что позволяет предположить также примерную глубину запланированных «стен в грунте» – около 25-30 метров.

Заключение

На сегодняшний день противофильтрационные завесы типа «стена в грунте» являются наиболее прогрессивным и экономически выгодным способом защиты от грунтовых вод.

К числу несомненных преимуществ технологии относится высочайшая водонепроницаемость и сравнительно невысокая стоимость, быстрый процесс возведения, отсутствие шумового фона и необходимости проводить масштабные земляные работы. Высокую рентабельность методики обуславливают исключительно широкие возможности применения «стены в грунте» в строительстве, позволяющие использовать бетоносвайные завесы как для обеспечения защиты от грунтовых вод, так и для создания элементов фундамента или несущих стен.

Читайте также: Использование технологии «стена в грунте» при возведении подземных сооружений.