Применение шпунтовых и балочно-шпунтовых свай в качестве несущих конструкций в гражданском строительстве

Введение

Стальные шпунтовые сваи более века применяются для создания надежных и экономичных постоянных и временных сооружений, включая причальные стенки, волнорезы, шлюзы, укрепления берегов рек и каналов, а также подпорные стенки в автомобильной и железнодорожной инфраструктуре и т.д.

В данной статье рассматриваются технические условия и экономическая целесообразность использования балочно-шпунтовых систем (БШС) отечественного производства в качестве несущих элементов конструкций подземной части зданий в гражданском строительстве (технические этажи и паркинги).

В условиях плотной городской застройки девелопер стремится максимально эффективно использовать площадь участка строительства. В современных мегаполисах подземная часть здания становится важным элементом проектирования. Строительство «нулевого цикла» — самая затратная и длительная стадия, которая может занимать до половины общего календарного плана строительства.

Традиционные методы возведения подземных этажей предполагают использование временных ограждений котлована из стальных систем или «стены в грунте». В связи с этим интеграция БШС в конструкцию проектируемого сооружения в качестве несущих элементов может способствовать более эффективному использованию металлопроката и сокращению сроков строительно-монтажных работ.

Имеющийся опыт

Данная практика уже применялась в Европе, и существует ряд реализованных проектов.
На одном из объектов строительства изначально предполагалось создать временный котлован с последующим возведением монолитных железобетонных стен. Однако в ходе проектирования было принято решение о применении шпунтовых свай в качестве постоянных элементов с следующими техническими требованиями:

• прогиб шпунтовой стенки не должен превышать 20 мм;
• гарантированный срок службы стальных элементов — 50 лет;
• серьезные ограничения по уровню вибрации для защиты соседних зданий от повреждений.

Перед забивкой шпунтовых свай осуществлялось предварительное бурение с помощью бура диаметром 460 мм, а забивка производилась с помощью вибромолота ABI (MRZV 925), установленного на направляющей. Рабочая площадка была оборудована специальными приборами для измерения колебаний.

После завершения работ по забивке шпунтовых свай на их поверхности укладывалась железобетонная обвязочная балка, к которой крепилась распорная система из труб. В дальнейшем к шпунтовым сваям приваривались арматурные стержни для устройства верхней плиты паркинга. Для обеспечения водонепроницаемости котлована применялись герметизирующие меры, включая заполнение направляющих замков битумным герметиком ниже фундаментной плиты, а выше проваривание сварными швами.

Рисунок 1 — Общий вид проектируемого комплекса

Результаты исследований

На текущий момент доминирующими решениями по устройству «нулевого цикла» в зданиях с паркингами остаются технологии с временным ограждением котлована, тогда как постоянные стены подвалов возводятся на отдельном этапе. Применение стальной шпунтовой стены или БШС в качестве постоянной конструкции позволяет совместить функции временной ограждающей конструкции и постоянной несущей.

Компания ЕВРАЗ выполнила два технических отчета по технико-экономическому сравнению конструктивных решений с использованием БШС в качестве постоянной несущей конструкции по сравнению с традиционной «стеной в грунте» траншейного типа.

В качестве одного из объектов был выбран проект строительства торгово-досугового центра в Москве. Для ограждения котлована была запроектирована монолитная железобетонная «стена в грунте» с толщиной 600-800 мм и высотой от 18,8 до 23,8 м, заглубленная на 10 м ниже уровня дна котлована. Эта конструкция должна была воспринимать давление грунта и подземных вод на протяжении всего срока эксплуатации здания, однако вертикальные нагрузки от верхней части строения не предусматривалось передавать на ограждение.

При оценке альтернативных вариантов с использованием БШС, были проведены расчеты в программных комплексах GeoWall и Plaxis 2D по пяти сечениям. Полученные результаты показали, что максимальные горизонтальные перемещения составляют 5,8 см, максимальный изгибающий момент равен 730,3 кН \cdot м, а минимальные коэффициенты запаса устойчивости и запаса прочности в металле составляют соответственно 1,63 и 1,5.

Также был выполнен ручной расчет в соответствии с СП 24.13330, который подтвердил предельную допустимую нагрузку для шпунтовых свай в диапазоне 399-626 кН/м. На основании анализа технико-экономических показателей было выявлено, что применение БШС в качестве несущих и ограждающих конструкций может быть вполне жизнеспособным с учетом разницы в цене: решение с использованием БШС составило 343,4 млн. руб., что на 3% меньше по сравнению с 352,9 млн. руб. при использовании традиционной «стены в грунте».

Второй проект касался строительства жилого комплекса в Москве, где также была выполнена «стена в грунте» под защитой распорной системы. Основные грунты включали техногенные отложения, аллювиальные и юрские глины. В данном проекте также был проведен анализ возможного использования БШС, который продемонстрировал, что максимальные горизонтальные перемещения составляют 4,8 см, а максимальный изгибающий момент — 427,2 кН \cdot м, полученные в программных комплексах Midas GTS NX и Wall-3. По ручному расчету получена предельная допустимая нагрузка 716,1 кН/м в соответствии с СП 24.13330.

Рисунок 2 — Вертикальные перемещения конструкций на этапе эксплуатации сооружения

Рисунок 3 — Перемещения конструкций на этапе эксплуатации сооружения

Заключение

Анализ расчетов подтверждает техническую реализуемость предложенного варианта применения БШС для ограждения котлована. Однако для успешного погружения шпунтов требуется проведение вспомогательных мероприятий, таких как лидерное бурение.

Компания ЕВРАЗ выполнила два технических отчета по технико-экономическому сравнению конструктивных решений с использованием БШС в качестве постоянной несущей конструкции по сравнению с традиционной «стеной в грунте» траншейного типа.

Авторы ТЭО подчеркивают, что БШС рекомендуется использовать в качестве ограждающей конструкции только в стилобатной части зданий. Это связано с необходимостью учета различий в осадках плитного и плитно-свайного фундамента, а также шпунтовой стены. Кроме того, указывается на целесообразность использования БШС при проектировании сооружений с применением метода «top-down», где несущие конструкции ограждения должны сочетаться с передачей нагрузок от центральной части здания на сваи-баретты.

Применение БШС в качестве постоянных конструкций подземных частей зданий не ограничивается ожиданиями формальных нормативных документов.

Рисунок 4 — Письмо АО НИЦ «Строительство»

Для проектировщиков и строителей компания ЕВРАЗ совместно с АО «ЦНИИТС» разработали стандарт организации на проектирование и возведение стен подпорных из стальных балочно-шпунтовых систем.

Таким образом, применение БШС представляет собой перспективный и экономически оправданный подход в гражданском строительстве, особенно в условиях сложной городской застройки.