 |
Кессонный способ разработки грунта
|
|
|
|
Глава 8. Возведение фундаментов и подземной части зданий и сооружений глубокого заложения
Погружение кессонов
Кессонный метод возведения фундаментов глубокого заложения применяют в тех случаях, когда наблюдается значительный приток воды и осложняются работы по осушению а также когда грунты содержат крупные включения твердых пород. Кессоны применяют в непосредственной близости от сооружений, когда есть опасность выпора грунта из-под их подошвы.
Кессон состоит из кессонной камеры, подкессонного строения и шлюзового устройства. Кессонную камеру обычно делают из железобетона. Стенки камеры заканчиваются ножом. Высота камеры от банкетки до потолка принимается не менее 2,2 м. В потолке камеры предусмотрено отверстие для установки шахтной трубы. Надкессонное строение чаще всего выполняют в виде сплошного массива из монолитного бетона или железобетона. Для опускания и подъема людей и выполнения грузоподъемных операций предусматривается шлюзовой аппарат, который соединен с кессонной камерой шахтными трубами. Сверху кессон оснащен подъемным механизмом. Для подачи сжатого воздуха монтируются трубопроводы из двух ниток: рабочей и резервной. Для обеспечения сжатым воздухом монтируется компрессорная.
Сущность метода заключается в том, что во время погружения кессона в кессонную камеру нагнетается сжатый воздух, предотвращающий поступление в камеру подземных вод и наплывов грунта. Разработку грунта ведут в осушенном пространстве камеры. Чтобы открыть наружную дверь, когда кессон находится под давлением, нужно закрыть люк в шахту и снизить давление в шлюзовом аппарате. Когда внешнее и внутреннее давления уравновешиваются, дверь можно открывать. При этом давление воздуха в шахте и кессоне сохранится. Войдя в шлюзовую камеру, наружную дверь закрывают. Затем поднимают давление воздуха внутри камеры до уровня давления в кессоне. Только после этого можно открывать люк шахты для входа рабочих или транспортировки грунта. Шахту монтируют из звеньев труб на фланцах. Ее можно наращивать при опускании, не снижая давления в кессоне. Для этого закрывают люк на потолке кессона, снижают давление в шахте и выполняют работы по наращиванию.
|
|
|
При сооружении кессонной камеры и надкессонного строения предъявляют такие же требования, что и при сооружении опускных колодцев. Технология производства бетонных, арматурных и других работ аналогична технологии этих работ по сооружению опускных колодцев.
Кессоны, как и опускные колодцы, погружаются в грунт под действием собственной массы. Но погружению здесь препятствует не только сопротивление грунта, но и давление воздуха в кессонной камере. Сначала кессон погружают без подачи сжатого воздуха в камеру, но как только появляются подземные воды, кессон переводят на режим воздушного давления. Воздух отжимает воду из кессонной камеры, благодаря чему в ней можно разрабатывать грунт.
Регулируя в определенных пределах избыточное давление воздуха, можно управлять процессом погружения и уровнем воды в кессоне.
Сооружение фундаментов глубокого заложения кессонным методом включает следующие процессы: подготовительные работы, изготовление кессона, погружение кессона до проектной отметки, заполнение кессонной камеры.
В течение подготовительного периода должна быть смонтирована компрессорная станция с резервными агрегатами и разводящая сеть.
Для погружения наплавным способом кессонную камеру частично обстраивают стеной оболочки с таким расчетом, чтобы при закрытом потолочном люке камеры пустая оболочка придавала сооружению надежную плавучесть во время транспортировки. Отбуксированный к месту погружения кессон расчаливают к анкерным сваям. Обеспечив точность посадки кессона, его затопляют, нарастив предварительно шахту так, чтобы после погружения она возвышалась над поверхностью воды. Затем на шахте монтируют шлюзовую камеру, подают сжатый воздух в кессонную камеру, осушают ее и приступают к погружению.
|
|
|
В процессе погружения кессона стены наращивают до верха стыка звеньев шахты. В момент погружения ниже уровня воды давление воздуха в кессоне поднимают и по мере углубления увеличивают его так, чтобы несколько превысить гидростатическое давление на уровне ножа. Только в этом случае обеспечивается полное осушение кессонной камеры.
Грунт в кессонной камере разрабатывают методами гидромеханизации: размывают гидромониторами и удаляют пульпу эжекторами или гидроэлеваторами. Вначале устраивают зумпфы в центральной части кессонной камеры. В зумпфе устанавливают всасывающее устройство гидроэлеватора. Управление стволами гидромонитора может быть ручным или дистанционным, когда оператор находится в специальной надкессонной камере, где сохраняется нормальное давление воздуха. В последнем случае за ходом работ наблюдение ведут в перископы. Гидромеханизированную разработку плотных грунтов ведут от ножа к середине, в слабых грунтах — только в средней части камеры. Слабый грунт из-под ножа выдавливается под действием веса сооружения и сползает в центральную воронку, где подвергается размыву струей гидромонитора и удаляется гидроэлеватором.
По мере опускания кессона возрастают силы бокового трения и давление сжатого воздуха на потолок камеры, вследствие чего погружение кессона замедляется, а при равновесии сил может совсем прекратиться. В этом случае для дальнейшего погружения применяют форсированный способ посадки кессона. Для этого по периметру ножа разрабатывают. траншею глубиной до 0,5 м, затем рабочие покидают кессонную камеру и избыточное давление в ней снижают, но не более чем наполовину. В результате нарушения равновесия активных и реактивных сил кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. После этого давление воздуха опять поднимают и разрабатывают грунт в центре камеры. Если грунты не поддаются гидромеханизации, то их разрабатывают пневматическими инструментами и мелкими взрывами. Плотные грунты вначале разрабатывают вдоль периметра ножа в виде траншеи глубиной до 0,5 м, начиная от фиксированных точек, и так, чтобы грунт между ними был вынут в последнюю очередь. Затем расширяют траншею, вырабатывая грунт в сторону ножа. В результате опорная площадь под ножом уменьшается и кессон погружается до упора ножа в дно траншеи. При проходке скальных пород выработку траншеи расширяют за пределы ножа наружу на 10—15 см, чтобы предотвратить заклинивание кессона осколками грунта и неровностями и избежать перекоса.
|
|
|
Работать в кессоне можно при давлении не более 0,4 МПа, что соответствует глубине 40 м. Наибольшая глубина погружения кессона составляет 38 м, так как давление в кессоне должно быть на 10 % выше давления столба воды. Погружение кессонов на большую глубину возможно при автоматической разработке грунтов или дистанционным управлением механизмами.
Кессонные камеры после погружения на проектную отметку должны заполняться материалом, предусмотренным в проекте, с плотной подбивкой материала под потолок кессона. Оставшиеся пустоты заполняются цементно-песчаным раствором, нагнетаемым через закладные трубки под давлением не менее 0,1 МПа. В некоторых случаях допускается посадка потолка кессона непосредственно на грунт. Материалами заполнения кессонной камеры являются бетон, бутобетон и песок. Заполнение камеры начинается с укладки по всей площади кессона слоя бетона или песка такой толщины, чтобы оставшаяся высота камеры допускала дальнейшее выполнение работ по устройству забутовки. Толщину предварительно укладываемого слоя принимают 0,5 м. Вначале производят подбивку под скошенную часть ножа (консоли), затем заполняют среднюю часть рабочей камеры кессона. В некоторых случаях кессонную камеру заполняют местными грунтовыми материалами (глинами или суглинками).
|
|
|
Кессонный способ (сооружение тоннелей под сжатым воздухом)
Страница 4 из 6
Содержание лекции:
Технология строительства тоннелей специальными способами
Общие положения о специальных способах сооружения тоннелей
Способ искусственного замораживания грунтов
Способ искусственного водопонижения
Кессонный способ (сооружение тоннелей под сжатым воздухом)
Способ предварительного тампонирования грунтов
Способ продавливания
Сущность способа заключается в том, что при подходе тоннеля к участку водонасыщенных грунтов проходку приостанавливают и призабойный участок тоннеля ограждают от ранее возведенной его части воздухонепроницаемой перегородкой. В пространство между забоем и этой перегородкой нагнетают сжатый воздух. Давление сжатого воздуха в этой зоне доводят до величины, достаточной для того, чтобы уравновесить гидростатический напор на обводненном участке. Затем проходческие работы возобновляют, поддерживая установленное давление сжатого воздуха в течение всего периода проходки обводненного участка трассы.
В зависимости от условий сооружения тоннеля сжатый воздух выполняет различные функции. В пористых грунтах сжатый воздух отжимает воду из забоя выработки в глубь массива. В результате водоносные грунты частично осушаются, а следовательно, повышается устойчивость забоя и создаются более благоприятные условия для ведения проходческих работ. В связных грунтах сжатый воздух создает дополнительное давление на забой, что способствует повышению устойчивости выработки и безопасности выполнения работ. Использовать сжатый воздух при проходке в связных грунтах целесообразно в том случае, если толщина кровли этих грунтов мала, а над ней расположено дно водотока (подводные тоннели) или залегают слабые водонасыщенные грунты.
Специальный способ сооружения тоннелей под сжатым воздухом из-за вредного влияния повышенного давления на здоровье людей следует применять в качестве крайней меры, когда другие специальные способы невозможно применять по техническим и экономическим соображениям. Исходя из требований санитарного режима, установленных в нашей стране, проходку тоннелей под сжатым воздухом можно осуществлять при избыточном давлении (превышающем атмосферное) до 0,2 МПа (2 атм), т. е. способ применим при расположении трассы на глубинах, ограниченных напором грунтовых вод, не более 20 м. Это связано с тем, что наибольшая опасность профессиональных кессонных заболеваний возникает в случаях превышения указанного предела 130.
|
|
|
На малых глубинах проходку тоннелей под сжатым воздухом можно применять лишь в том случае, когда выше тоннеля залегает водоупорный слой (глины или суглинки) мощностью не менее 0,5 м. Этот слой предохраняет от возможного прорыва воздуха из забоя тоннеля на поверхность. С этой же целью по трассе тоннеля до проходки под сжатым воздухом должны быть погашены (залиты раствором или засыпаны глинистым грунтом) разведочные скважины, колодцы и другие выработки.
В соответствии со сложными инженерно-геологическими условиями применения способа проходку тоннелей под сжатым воздухом в настоящее время осуществляют, как правило, щитовым способом и очень редко горным с раскрытием выработки по частям.
До начала проходки участка тоннеля под сжатым воздухом на некотором удалении от забоя возводят воздухонепроницаемую перегородку (5) (рис. 3.12). Поддерживающая перегородка (2) и воздухонепроницаемая (5) разделяют тоннель на две зоны: рабочую зону (кессон) (6) с повышенным давлением воздуха и зону нормального давления (1). Для обеспечения производственной связи между рабочей зоной и зоной нормального давления в перегородку (5) встраивают шлюзовые аппараты (3), (4) и (7) и трубопроводы различного назначения (вентиляции, водоотвода, водоснабжения, кабелей сигнализации и связи, электроснабжения и освещения, сжатого воздуха и т. п.).
Рис. 3.12 – Шлюзовая перегородка
Шлюзовые перегородки сооружают из металла, железобетона или бетона на минимальном расстоянии от забоя (30–40 м) с таким расчетом, чтобы в тоннеле разместилось проходческое оборудование и расположились откаточные пути.
Шлюзовые аппараты (3) служат для прохода людей, (4) – для транспортировки грунта и материалов из зоны с нормальным давлением в рабочую зону и обратно без изменения давления воздуха в рабочей зоне. На случай аварии в перегородке устраивают запасной выход – аварийный шлюзовой аппарат (7). С целью унификации типоразмеров диаметр шлюзов принимают обычно равным 2 м.
Длину материальных шлюзов принимают из условия размещения трех-четырех вагонеток, а людских – из условия размещения на скамьях всей смены рабочих и технического персонала.
По обоим концам каждого шлюзового аппарата устроены двери, которые открываются в направлении зоны высокого давления после того, как давление по обе стороны двери выравнивается. Дверь аварийного шлюза должна быть всегда открыта со стороны забоя.
Число шлюзовых аппаратов в перегородке зависит от площади сечения тоннеля. При проходке тоннелей диаметром 5,5–6 м (25–30 м2) и более применяют перегородки с тремя и четырьмя шлюзовыми аппаратами.
При переходе из зоны нормального давления в зону повышенного давления люди или материалы находятся в шлюзовых аппаратах в течение всего периода времени, пока происходит постепенное повышение давления воздуха до величины, равной давлению в рабочей зоне. Этот процесс называют шлюзованием, или компрессией. Обратный процесс – переход из рабочей зоны в зону нормального давления (постепенное понижение давления воздуха в шлюзовых аппаратах) называют вышлюзовыванием, или декомпрессией.
Технология работ при проходке тоннелей под сжатым воздухом имеет некоторые особенности. В процессе проходки тоннеля в рабочей зоне должно поддерживаться давление сжатого воздуха, которое зависит от гидростатического напора на уровне шелыги свода, гидрогеологических условий, высоты поперечного сечения выработки и от цели, с которой сжатый воздух применяют.
В общем виде величину давления сжатого воздуха в рабочей зоне можно определить по формуле
P = 0,1(H+kD),
где Н – гидростатический напор в уровне шелыги свода, м; D – внешний диаметр тоннеля или высота выработки в свету, м; k – коэффициент, учитывающий изменение гидростатического напора в зависимости от высоты осушения забоя.
Если необходимо полностью осушить забой или большую его часть, то давление в рабочей зоне должно соответствовать гидростатическому напору на уровне лотка и тогда следует принять k =0,75÷1,0. Такое решение возможно, когда над водоносными грунтами залегает надежный слой воздухонепроницаемых грунтов или когда тоннель сооружают в связных водоносных грунтах с низкой воздухопроницаемостью.
Если над тоннелем расположены пористые водонасыщенные грунты вплоть до земной поверхности, то при значительном давлении в рабочей зоне может произойти аварийная утечка (прорыв) сжатого воздуха из забоя. Для исключения возможности аварии давление сжатого воздуха в этом случае устанавливают таким образом, чтобы уравновесить гидростатический напор на уровне нижней трети или половины забоя, принимая k = 0,4÷0,6.
Если сжатый воздух используют при проходке в связных плотных грунтах для того, чтобы повысить устойчивость кровли (при расположении над ней слабых водонасыщенных грунтов или дна водотока), то необходимое давление в рабочей зоне должно быть установлено специальными расчетами.
Во всех случаях давление воздуха в рабочей зоне следует стремиться снизить. Обычно это достигается снижением гидростатического давления путем искусственного понижения уровня грунтовых вод.
Потребность в сжатом воздухе (расход, м3/ч) устанавливают в зависимости от величины давления в рабочей зоне, ее длины, воздухопроницаемости грунта, размеров поперечного сечения тоннеля и количества воздуха, затрачиваемого для шлюзования и вышлюзовывания материалов и людей, вентиляции и других технологических операций.
Качество сжатого воздуха должно отвечать специальным санитарным требованиям. Температура в рабочей зоне допускается в пределах 16–20°С.
Проходка тоннелей под сжатым воздухом может производиться в зависимости от инженерно-геологических условий обычными, механизированными или специально оборудованными щитами. Работы организуют таким образом, чтобы вести проходку с максимально возможной скоростью, непрерывно по специально составленному скользящему графику без остановки в выходные дни. Число смен в сутки устанавливают в зависимости от давления сжатого воздуха в рабочей зоне и продолжительности пребывания в кессоне (таблице 3.1).
Таблица 3.1 
При необходимости остановки работ (технологические перерывы, ремонт механизмов и т. п.) следует принять меры к надежному закреплению забоя (жесткое раскрепление на корпус щита) и установить дежурство аварийной бригады в рабочей зоне.
Взрывные работы допускается применять с использованием электровзрывания, рассчитанного только на рыхление грунта небольшими зарядами ВВ. При этом минимальное расстояние от забоя до шлюзовой камеры должно быть не менее 20 м. При наличии в верхней части сечения забоя или ниже подошвы выработки плывунных грунтов взрывные работы не допускаются. Допуск людей в рабочую зону разрешается после проверки воздуха на допустимое содержание окиси азота.
В процессе проходки большое внимание следует уделять предотвращению утечек сжатого воздуха через швы и неплотности в обделке и строительный зазор между обделкой тоннеля и оболочкой щита. С целью снижения утечек необходимо своевременно проводить первичное нагнетание за кольца обделки, сошедшие с оболочки щита, а при необходимости – и контрольное нагнетание. Для предотвращения утечек сжатого воздуха через строительный зазор при монтаже обделки производят пикотаж – конопатку зазора паклей, стружками и деревянными клиньями. Целесообразно использовать специальное прижимное кольцо, которое при выдвижении штоков гидроцилиндров закрывает зазор между оболочкой щита и собранным кольцом. Хорошее уплотнение строительного зазора дает специальное пневматическое торовое устройство в виде кольцевой камеры, разжимаемой сжатым воздухом, помещенный в конце оболочки щита.
В соответствии с правилами безопасности протяженность участка, находящегося под давлением сжатого воздуха (рабочая зона), не должна превышать 250 м. При значительной длине тоннеля это требование вынуждает останавливать проходку и выполнять трудоемкие работы по переносу шлюзовых перегородок. В определенных условиях, когда утечки воздуха через обделку при большой длине рабочей зоны могут быть компенсированы увеличением производительности компрессорной станции, вместо промежуточных шлюзовых перегородок можно устроить предохранительные (аварийные) перемычки. Их назначение – сократить длину тоннеля при аварийных ситуациях. Перемычку выполняют в виде железобетонной перегородки с двумя герметически закрывающимися со стороны забоя дверями. Верхняя дверь, оборудованная с двух сторон площадками и лестничными спусками, служит для прохода людей, нижняя, расположенная на уровне откаточных путей,– для пропуска транспортных средств.
При сбойке встречных забоев на строительстве тоннеля под сжатым воздухом должны быть предусмотрены также мероприятия, обеспечивающие безопасное проведение работ. При подходе щитов или забоев друг к другу на расстояние 8–10 м одни из них должен быть остановлен, а давление в обеих рабочих зонах должно быть выравнено. Для окончательного уравнивания давления сжатого воздуха в рабочих зонах следует пробурить скважины из одного забоя в другой.
При сооружении под сжатым воздухом подводных тоннелей, кроме шлюзовой перегородки, сооружают специальные предохранительные устройства, которые обеспечивают возможность работающим в кессоне в случае необходимости быстро покинуть тоннель (рис. 3.13). К таким устройствам относятся предохранительный экран (1), связанный аварийным помостом (2) с аварийным шлюзом (4). Экран представляет собой металлическую воздухонепроницаемую перегородку с герметичной дверью, расположенную в верхней части тоннеля на расстоянии не более 30 м от забоя. От экрана до аварийного шлюза (4), расположенного в шлюзовой перегородке, устраивают аварийным помост (2), связанный лестницами (3) с лотковой частью тоннеля. Аварийный помост с предохранительным экраном работает подобно водолазному колоколу, в котором воздух задерживается и не позволяет воде подняться выше уровня помоста.
Рис. 3.13 – Схема предохранительных устройств, при сооружении подводных тоннелей
Проходку подводной части тоннеля ведут с предварительной разведкой передовыми скважинами. При мощности грунтов над шелыгой свода тоннеля менее 10 м взрывные работы не допускаются. В грунтах с коэффициентом крепости f ≥ 4 и при мощности кровли этих грунтов над тоннелем более 10 м можно применить взрывной способ с электровзрыванием, рассчитанным только на рыхление грунтов.
Работы под сжатым воздухом в тоннеле производят при устройстве на поверхности лечебного шлюза, комнат отдыха для рабочего состава и дежурного медицинского персонала. При хорошо организованном медицинском и санитарно-гигиеническом обслуживании, а также при строгом соблюдении правил техники безопасности полностью обеспечивается сохранение здоровья и нормальная трудоспособность рабочих и инженерно-технических работников.
|
|
|
