ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВА ОГРАЖДЕНИЙ КОТЛОВАНОВ НА АКВАТОРИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Обоснование эффективности применения оболочек большого диаметра на акватории в качестве оградительных элементов

При гидротехническом строительстве необходимо решать вопросы устройства водонепроницаемых ограждений при формировании намываемых терри торий, котлованов доя устройства открытым способом заглубленных тоннелей, комплексов защиты от наводнений, причалов, искусственных островов и т. и. Для создания таких конструкций необходимо производить работы насухо в котлованах, ограждаемых временными или постоянными водонепроницаемыми перемычками. Традиционно для решения таких задач сооружают ячеистые конструкции, собираемые из плоского стального шпунта, погружаемого преимущественного вибрационным способом.

Для обеспечения качества и сокращения сроков строительства при изготовлении ограждений из шпунта используют специально изготовленные плавкондукторы для погружения маячных элементов в ячейки и инвентарные шаблоны, которые крепят с помощью маячных свай, забиваемых в грунт.

Этот способ имеет существенные недостатки, главный из которых заключается в возникновении волнообразных или веерных отклонений шпунтового ограждения, на исправление которых требуется много времени. Кроме того, для обеспечения устойчивости как в процессе монтажа, так и на период эксплуатации оградительного сооружения необходимо обеспечить заглубление шпунта на достаточную глубину в прочные грунты основания. Однако если основание слагают малосжимаемые грунты мощностью не менее 5 м с модулем деформации более 20 МГ1а, углом внутреннего трения свыше 25° и расчетным сопротивлением на поверхности не менее 0,3 МПа, то задача погружения шпунта любым из существующих технологических способов проблематична. В таких условиях при погружении возникают деформации верхнего торца шпунта без увеличения глубины погружения, разрывы замков и как следствие нарушение водонепроницаемости устраиваемого ограждения [ 10,21,22,112].

Технологически более целесообразно погружать шпунт предварительно собранными пакетами из нескольких элементов (до 11 шт.), жесткость которых обеспечивается наголовниками, жестко соединенными с торцами шпунта [47]. На каждый пакет крепят вибрационный погружатель, обеспечивающий погружение до проектной отметки. При этом можно одновременно погружать все пакеты в пределах устраиваемой ячейки конструкции или выбрать любую последовательность производства работ. В первом случае шпунт в ячейки набирают на береговом стенде, откуда плавкраном собранную конструкцию вместе с установленными на верхних торцах вибраторами доставляют к месту погружения. Существенное преимущество одновременного погружения всех пакетов шпунта в пределах конструкции ячейки по сравнению с поэлементной установкой состоит в том, что практически полностью исключаются силы сопротивления трения в замках между отдельными элементами, уменьшается общее сопротивление погружению и деформации формы ограждения при необходимости погружения его в плотное основание акватории.

Кроме того, большое значение при строительстве сооружений на открытых акваториях имеет продолжительность и стабильность волнового режима, особенно для конструкций, собираемых из шпунта плоского профиля. Для незавершенных конструктивных элементов, для которых не произведено полное замыкание ограждения, или для замкнутых, но не заполненных грунтом ячеек существует опасность повреждения и разрушения волновыми нагрузками. В таких условиях до начала работ по устройству ограждений необходимо определять фактическое возможное время работ на акватории из условий стабильности ветрового и волнового режима.

В этой связи на примере акватории Финского залива рассмотрим методику определения продолжительности работ плавсредств при погружении шпунта, которая тесным образом связана с особенностями ветрового и волнового режимов.

Устойчивость ветра определяется интенсивностью атмосферной циркуляции. В холодный ггериод вследствие близкого соседства областей высокого и низкого давления возникают большие горизонтальные градиенты давления. В это время ветры наиболее устойчивы по направлению и наибольшие по силе.

В летнее время в связи с уменьшением перепадов температур поле изменений атмосферного давления выражено менее четко. Поэтому ветры у поверхности земли ослабевают и становятся менее устойчивы по направлению.

Согласно данным ЛенморНИИПроекга, скорости ветра преимущественно небольшие. Так, за год в 52 % случаев они неустойчивы по направлению. Если ветер менее 5 м/с, то в 1,7 % случаев их значения составляют более 16 %. Повторяемость градаций скоростей ветра по месяцам показана в табл. 4.1

Таблица 4.1

Повторяемость градации скорости ветра, %

Анализ данных табл. 4.1 позволяет заключить, что неустойчивые по направлению ветры скоростью менее 5 м/с в апреле-августе наблюдаются в 60-70 % случаев ежемесячно (18-21 день), а в октябре-январе в 30-40 % (9-12 дней). Скорость ветра 10 м/с и более в апреле-сентябре наблюдается в 2-12 % случаев (1-4 дня), а в остальные месяцы в пределах 13-28 % (6-8 дней). Среднее число дней с сильным ветром со скоростью свыше 15 м/с за год около 25 в период с мая по ноябрь. С апреля по июль сильные ветра наблюдаются ежегодно (2-9 дней); в октябре-феврале — до 15 дней ежемесячно; в марте-сентябре — от 2 до 8 дней в месяц.

Ежегодно, в отдельные дни, возможны кратковременные повышения скорости ветра до 25 м/с, а один раз в 10 лет до 30 м/с. Данные, приведенные в табл. 4.2, позволяют заключить, что в течение всего года наблюдаются ветра западного, юго-западного и южного направления. Сильные вегра чаще всего имеют то же направление, что и преобладающие атмосферные потоки. О продолжительности направлений и скорости можно судить по табл. 4.3.

Таблица 4.2

Повторяемость направлений ветра и штилей в пределах акватории Кронштадта

Из табл. 4.3 видно, что слабые ветры чаще всего имеют продолжительность более 3-х суток. Продолжительность вегра одною и того же направления со скоростью 5 м/с и более составляет обычно от 6 до 12 часов, реже 12-18 часов и очень редко - более 18 ч. Кроме того, следует учитывать особенности встровых условий в рассматриваемом районе.

Режим волнения на акватории в районах сооружения ограждений гидротехнических сооружений определяется особенностями ветрового режима и геоморфологическими условиями. Размеры волн, развивающиеся под действием ветра, зависят от скорости и продолжительности действия ветра, его длины разгона волны, глубины и рельефа дна.

Так как Финский залив вытянут с запада на восток, то и наибольшие размеры волн наблюдаются при прочих равных условиях при западных ветрах. Действие ветра одного направления в течение 6 часов при скорости более 10 м/с в пределах 3 часов, как правило, достаточно для формирования установившегося поля волнения на акватории.

Таблица 4.3

Средняя годовая повторяемость ветров различной продолжительности

Ввиду небольших размеров залива влияние предшествующего волнения на формирование нового незначительно. Так как ветры со скоростью более 5 м/с устойчивы по направлению, то формирование поля волн наступаег обычно после штиля или слабых ветров.

На практике для характеристики ветрового волнения обычно используется высота волны 1,3 или 5 %-ная обеспеченность, то есть высота волны, которая в 100 волнах, идущих друг за другом, может быть превышена соответственно лишь в 1,3 и 5 случаях. Так, анализируя архивные данные распределения высот волн в районе акватории Финского залива, представленные в табл. 4.4, можно заключить, что степень волнения зависит от времени года с преимущественным ростом к осенне-зимнему периоду.

Таблица 4.4

Режим распределения высот волн в восточной части Финского залива с глубинами акватории 20-22 м

Также в табл. 4.4 представлены сведения но количеству дней в каждом месяце, в течение которого наблюдались волны высотой свыше 0,25 м и менее 0,75 м при обеспеченности 3 %.

В дополнение к этим данным при определении допустимого времени работы плавсредств на акватории следует анализировать значения повторяемости и обеспеченность средних периодов и длин волн, представленные в табл. 4.5, полученные на основании результатов многолетних наблюдений.

На основании анализа данных, представленных в таблицах, рассчитывают продолжительность навигационного периода и перерывов в работе, вызываемых неблагоприятными гидрометеорологическими условиями, предусмотренными соответствующими правилами техники безопасности при производстве строительно-монтажных работ на постройке портовых гидротехнических сооружений.

Таблица 4.5

Повторяемость и обеспеченность периодов длин волн в восточной части Финского залива с глубинами акватории 20-22 м

При устройстве ограждений из стального шпунта используются следующие плавсредства:

• • плавучие краны;
• • плавучие копры;
• • буксиры и мотокатера;
• • несамоходные шаланды с глухим днищем.

Для указанных плавстредств в табл. 4.6 представлены нормативные предельные значения балльности ветра и высоты волн, ограничивающие работу на акватории.

Так, согласно статист ическим данным акватория Финского залива в районе острова Кронштадт свободна от льда для работы с мая по ноябрь, т. е. продолжительность навигационного периода составляет 190 сут ок. При этом количество дней с 3%-ной обеспеченностью волн выстой до 0,75 м за период навигации, согласно приведенным выше данным, составляет 122 дня. С учетом понижающего коэффициента, учитывающего неравномерность волнового режима при его наблюдении на разных точках акватории, продолжительность периода навигации с высотой волн до 0,75 м составит 122 • 0,625 = 76 дней.

Таблица 4.6

Предельные значения балльности ветра и высоты волн, ограничивающие работу' плавсредств на акватории

Среднее число дней с туманом при горизонтальной видимости менее 1 км, ограничивающее нормальную работу' плавсредства на акватории за период навигации, по данным статистических наблюдений на акватории составляет 7,6 дней.

С учетом изложенного выше продолжительность работы комплекта машин на акватории определяется следующим образом:

При этом представленный расчет не учитывает сокращение времени работ за счет дополнительных затрат времени на снятие плавсредства с участка при неблагоприятных метрологических условиях, переходы к месту работ, установку необходимого оборудования и т. п.

С учетом представленных сведений можно сделать следующие практически важные выводы:

• • устройство ог раждений гидротехнических сооружений на акватории из шпунта, выполняемое с плавсредств, является технически сложной задачей, требующей дополнительных операций по устройству направляющих шаблонов для обеспечения заданного планового положения контура ограждения, погружения маячный свай и т. п.;
• • в условиях, когда грунты дна акватории слагают плотные глинистые породы с наличием валунов, бездефектное погружение шпунта с необходимым заглублением его в грунт затруднено. В таких условиях погружение элементов при применении вибрационного способа прекращается на кровле слоев плотного грунта, а при забивке свайными молотами сопровождается деформациями стенок шпунта, разрывом замков и т. п.;
• • при работе на акватории с применением плавсредств существенным является фактор сроков производства работ ввиду сезонного ограничения возможности работы при волнении свыше 2 баллов (высота волн до 75 см).

В таких условиях устройство ограждений гидротехнических сооружений путем поэлементной сборки из стальног о шпунта, погружаемого с плавсредств, технически нецелесообразно. Кроме того, для незавершенных конструктивных элементов, для которых не произведено полное замыкание ограждения, или для замкнутых, но не заполненных грунтом ячеек, существует опасность повреждения и разрушения волновыми нагрузками.

В этой связи для решения указанных задач следует применять более рациональные конструктивно-технологические решения ограждающих конструкций, позволяющие минимизировать работы на акватории за счет индустриализации и интенсификации подготовительных работ, выполняемых на берегу на заранее подготовленных стендах ук- рупнительной сборки.

Для этой цели отечественными учеными ведущих проектноисследовательских институтов (ВНИИГС, ГПИ Фундаментпроект, ВНИПИПромстальконструкция, Гипрорыбиром, а также трестов Гид- роспецфундаментстрой, Севзапстальконструкция) было разработано уникальное технологическое решение строительства ячеистых перемычек с применением вместо шпунта оболочек большого диаметра, изготавливаемых на берегу из рулонированной стали и доставляемых плавсредствами к месту установки на подготовленное основание для последующего погружения и заполнения песком.

Эта технология была успешно применена при строительстве комплекса защиты Ленинграда от наводнений на акватории Финского залива главного судопропускного сооружения и подводного транспортного тоннеля. На основании проведенных лабораторных исследований и опытных работ разработаны рекомендации по проектированию, строительству и приемке гидротехнических сооружений с применением стальных оболочек большого диаметра РТМ 36.44.12.1-90 [106].

Учитывая большие перспективы применения указанного способа, не утратившего своей актуальности в настоящее время, предлагаем читателям информацию, которая позволит ознакомиться с основными этапами возведения гидротехнических сооружений из стальных оболочек большого диаметра.

Такие оболочки диаметрами 8-16 м, высотой до 16 м, с толщиной стенки 8-16 мм эффективны при строительстве на скальных, песчаных или малосжимаемых грунтовых основаниях с модулем деформации более 20 МПа. Если несущий слой грунта находится ниже поверхности дна на 1,5-2,0 м и покрыт илистыми отложениями или другими слабыми грунтами, то их следует удалить. Образованную выемку заполняют сыпучим материалом — песком, щебнем или камнем, на поверхность которого устанавливают оболочку.

Расегановка и стыковка оболочек зависит от назначения сооружения и его конструктивных особенностей (рис. 4.1). Так, для сооружений мостового типа и эстакад различного назначения устраивают отдельно стоящие опоры из оболочек, заполняемых песком. Эти опоры связывают железобетонными элементы верхнего строения, опираемые на поверхность песка заполнения.

Сечения конструкций гидротехнических сооружений, выполненных из стальных оболочек, представлены на рис. 4.2.

При проектировании преград, набережных, молов, искусственных островов, транспортных перемычек и т. п. необходимо обеспечить герметичность стыков между отдельными оболочками, конструктивные схемы которых представлены на рис. 4.2.

На рис. 4.2, а показаны оболочки, устанавливаемые в створ сооружения с зазорами шириной до 0,5 м, заполняемыми стальными нательниками. На рис. 4.2, б зазоры между оболочками с тыльной и фасадной стороны заполняют криволинейными в плане сегментами, собираемыми из плоского шпунта (рис. 4.2, б, 3). При этом для крепления шпунта к оболочкам при их изготовлении на стендах в соответствующих местах крепят на сварке шпунтовые замки (рис. 4.2, г, 5).

По схеме рис. 4.2, б оболочки устанавливают с большими расстояниями, чем по схеме рис. 4.2, а, и промежуток между ними перекрыва-

Рис. 4.1. Схема гидротехнических сооружений, выполненных из стальных

оболочек:

a — причальные сооружения с установкой оболочек на каменную постель; б—то же с установкой оболочек на грунт; в — ограждения с установкой оболочек на каменную постель; г — то же с установкой оболочек на грунт; / — верхнее строение; 2 — оболочка из рулонированной стали; 3 — обратный фильтр; 4 — каменная постель

ют с фасадной и тыльной сторон козырьками криволинейного очертания в плане, имеющими общие касательные с оболочками. Козырьки обычно устраивают из стального шпунта плоского профиля или специально изготовленных скорлуп-панелей, устанавливаемых между оболочками. Во втором случае козырьки из скорлуп-панелей должны иметь

по краям приваренные шпунтовые замки, связывающие панели с оболочками (см. рис. 4.2, г).

В конструктивной схеме, показанной на рис. 4.2, в, между основными круглыми в плане оболочками, заполняемыми грунтом, устанавливают упругие соединительные вкладыши, имеющие в плане форму песочных часов. Седловинами вкладыши сопрягают с соседними оболочками и после установки в сооружение заполняют песком. В результате за счет действия т ори зонтальных сил распорного давления происходит плотное смыкание оболочек и соединительных упругих вкладышей.

Такие вкладыши изготавливают из стальных оболочек со следующими диаметрами, назначаемыми из условия наличия общих касательных между конструкциями:

где D - диаметр основных оболочек.

Расстояние между основными оболочками равняется 0,41 D, а длина дуги касания с оболочкой вкладыша — 0,35 D. Площадь поперечного сечения упругого вкладыша равна 0,55 D диаметр закругления — 0,5 D.

Конструктивный тип соединения между оболочками в каждом конкретном случае следует назначать с учетом реальных условий строительства и технологической оснащенности предприятия, результатов технико-экономического сравнения вариантов и обеспечения минимальных сроков работ на открытых акваториях. При этом необходимо обеспечивать надежность в процессе строительства и эксплуатации как стыковых соединений, так и основных оболочек.

С учетом конструктивных схем, представленных на рис. 4.2, на основании опыта работ на акватории Финского залива установлено, что

Рис. 4.2. Схема устройства стыков между оболочками из рулонированной

стали:

а, б, в — конструктивные решения стыков, решаемых соответственно с применением стальных нащельников, шпунтовых элементов, упругих вкладышей, выполненных из деформированных оболочек; г — узел крепления шпунта к поверхности оболочки; д—схема сопряжения основных и деформированных оболочек (к варианту г); / — оболочки; 2 — нащельники; 3 — участки ограждения из стальною шпунта; 4 — упругие вкладыши из деформированных оболочек;

5 — элемент крепления шпунта к поверхности оболочки при стыковке оболочек с помощью козырьков из шпунта или готовых скорлуп-панелей в последних возникают большие растягивающие напряжения, вызванные распором грунта заполнения, а также дополнительные внешние радиальные сосредоточенные силы в местах соединения с оболочками. Такие силы можно учитывать как опорные реакции от воздействий на козырьки давления грунта, засыпанного в пространство между оболочками и козырьками.

В результате таких воздействий в тонкостенных оболочках возникает сложное напряженное состояние, которое сложно учесть расчетными методами, кроме того, при устройстве таких конструкций на открытых акваториях необходимо учитывать фактор времени, необходимый для установки направляющего кондуктора, набора козырьков из шпунта или монтажа скорлуп-панелей в замок с оболочками. Таких недостатков лишен способ соединения оболочек с помощью упругих вкладышей.

Кроме того, на основании анализа опыта строительства гидротехнических сооружений установлено, что вариант сопряжения оболочек с упругими вкладышами (см. рис. 4.2, в) наиболее предпочтителен за счет следующих преимуществ:

• 1) при эксплуатации сооружения не возникают дополнительные напряжения в узлах сопряжения оболочек;
• 2) минимальные сроки монтажа на открытых акваториях;
• 3) отсутствуют строгие требования по точности установки смежных оболочек;
• 4) нет необходимости заглубления в плотные грунты дна акватории дополнительных соединительных элементов.

В следующих параграфах раздела будут рассмотрены основные технологические этапы по предварительной сборке оболочек из руло- нированной стали на стендах, их доставки и установки на открытых акваториях, а также изложены основные принципы расчета таких конструкций.