способ строительства подземного сооружения в сложных инженерно-геологических условиях

Формула изобретения

Способ строительства подземного сооружения в сложных инженерно-геологических условиях, включающий монтаж по меньшей мере двух концентрически расположенных внутреннего и наружного опускных колодцев и погружение под собственным весом с пригрузом, отличающийся тем, что погружение осуществляют в два этапа, на первом из которых погружают внутренний колодец до грунта с расчетной несущей способностью, заглубляют его в этот грунт и фиксируют, а затем этот колодец наращивают над поверхностью земли и закрепляют вверху растяжками, а на втором этапе погружают наружный колодец, причем вертикальность и скорость погружения его корректируют с помощью лебедок, которые устанавливают на покрытии внутреннего колодца, тросов, присоединенных к стенам наружного колодца, образующим наружные стены сооружения, и вертикальных и горизонтальных связей, обрамляющих внутренний колодец.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области строительства подземных или заглубленных вертикальных сооружений различного назначения, предназначенных для возведения в сложных инженерно-геологических условиях, включая геоморфологическое и геологическое строение, литологический состав, состояние и физико-механические свойства грунтов, гидрогеологические условия, неблагоприятные физико-геологические процессы и явления, изменения инженерно-геологических и гидрогеологических условий при строительстве сооружений, не позволяющих применение известных, традиционных методов их возведения.

Известен способ строительства подземного сооружения в сложных инженерно-геологических условиях, включающий монтаж, по меньшей мере, двух концентрически расположенных внутреннего и наружного опускных колодцев и погружение под собственным весом с пригрузом (см. например, SU, авторское свидетельство, 846650, кл. E 02 D 27/10, 1981).

Этот способ по своей сущности и достигаемому результату является наиболее близким к данному изобретению и принят за прототип. Однако он обладает следующими недостатками:

1) необходимость проведения перед началом строительства всего комплекса дорогостоящих инженерно-геологических изысканий в районе строительства, без которых невозможно выполнить расчет устойчивости пород, выбрать тип крепи, а также определить основные и дополнительные нагрузки на крепь устья ствола от зданий и сооружений, расположенных на поверхности вблизи ствола, разработать проект производства работ, гарантировать качество проходки и дать комплексную оценку возможных последствий строительства данного подземного сооружения для соседних построек;

2) при погружении ножевого кольца или опускного колодца с проходческим металлическим ножом или без него в грунт имеется возможность регулировки в небольших границах сил трения между поверхностью ствола и грунтом в процессе погружения, но нет возможности исключить возможность крена (перекоса) шахтного ствола, т. е. отклонения оси сооружения (цилиндра) от вертикали, вызванного по причине попадания под нож, стену или внутренние перегородки опускного колодца любого небольшого препятствия, не выявленного инженерно-геологическими изысканиями валуна, твердой породы (или наоборот прослойкой слабого грунта, линзы или грунтовых вод). Неравномерное погружение колодца и, как следствие этого, его перекос (боковой крен), исправить бывает очень трудно, иногда практически невозможно. Выявить наличие небольших по размерам препятствий или пустот в основании по периметру колодца при небольшой проектной глубине сооружения в какой-то степени возможно геофизическими методами при инженерно-геологических изысканиях (электропрофилированием, зондированием, бурением скважин), но требует значительных финансовых затрат, а при глубине колодца 20-40 метров малоэффективно. Боковой крен во время погружения колодца возможен даже при незначительной разности сил трения, возникающих между стенами колодца и грунтом (из-за разных физико-механических характеристик грунтов, залегающих у противоположных стенок, особенно для колодцев больших диаметров);

3) монтаж внутренних элементов и конструкций сооружения, дальнейшее производство строительных работ внутри него, начиная с нижней отметки (дна колодца), представляется возможным только после окончания погружения колодца, бетонирования его нижней части подводным способом и откачки воды после того, как бетон подушки приобретает предусмотренную расчетом прочность;

4) производство монтажных работ внутри колодца на глубине значительно усложняется, возрастает их трудоемкость и стоимость, повышаются требования по соблюдению техники безопасности;

5) поскольку в процессе погружения колодца одновременно идет производство работ по выемке грунта изнутри него грейфером, ведется монтаж конструкций наружных стен и колец пригруза с помощью кранов, а также подача воды и водоотлив с помощью насосов, то размещение этих механизмов и оборудования вблизи шахтного ствола увеличивает площадь стройплощадки, что в стесненных условиях городского строительства не всегда возможно;

6) мероприятия, которые необходимо выполнить для исправления крена при погружении шахтного ствола (удаление валунов или коряг подмывом и сдвигом внутрь колодца, часто с использованием водолазов), значительно затягивают сроки строительства, а полный водоотлив может привести к резкому понижению уровня грунтовых вод в районе строительства и вызвать усадку или разрушение расположенных рядом со стройплощадкой сооружений;

7) расчет стенок колодцев на давление воды и грунта, а также на отрыв нижней части при заклинивании верхней, производится без учета несущей способности внутренних элементов и конструкций, так как они монтируются после полного погружения колодца, что вынуждает проектировщиков закладывать в конструкцию наружных стен определенный запас прочности, приводящий в итоге к перерасходу стройматериалов и увеличения стоимости строительства;

8) перечисленные выше недостатки технологии возведения подземных сооружений горнопроходческим методом опускной крепью под собственным весом с пригрузом предполагают присутствие большой доли риска, поэтому руководители организаций заказчика, проектных и строительно-монтажных организаций лишь в самых крайних случаях применяют его, часто соглашаясь на более дорогостоящие, но с меньшей вероятностью срыва сроков и увеличения стоимости строительства.

Задачей изобретения является:

создание способа строительства подземного сооружения, который бы предполагал возможность:

возведения сооружения горнопроходческим методом опускной крепью (опускным колодцем) в тиксотропной рубашке (или с заполнением зазора между грунтом и наружной поверхностью ствола электропроводящей циркулирующей текучей средой) под собственным весом с пригрузом и с разработкой грунта под водой специальными тяжелыми грейферами; в то же время гарантировалась бы возможность его качественного возведения даже при непредвиденном резком ухудшении инженерно-геологических условий (неоднородность строения толщи грунтов, их состава, условий залегания, выявление тектонических нарушений и закарстованных зон, внезапного появления грунтовых вод, линз, прослоек слабых грунтов);

осуществления всесторонней оценки инженерно-геологических условий в достаточном объеме одновременно с началом строительно-монтажных работ, но предшествующих погружению главного шахтного ствола (наружных стен сооружения);

максимального сокращения объема монтажных операций, выполняемых внутри наружного колодца после его погружения, а выполнение монтажа основных внутренних несущих элементов и конструкций на "нулевой отметке", т.е. на отметке дневной поверхности земли, перед погружением наружного опорного кольца или одновременно с проходкой, что значительно повышает безопасность работ;

проведения контроля и любой корректировки вертикальности и скорости погружения наружных стен сооружения;

размещения кранового и насосного оборудования, технологической оснастки для производства строительно-монтажных работ в пределах контура строящегося сооружения, что позволит сократить размеры стройплощадки;

исключения неблагоприятного влияния выемки грунта с водоотливом из опускного колодца на расположенные вблизи здания и сооружения;

включения внутренних горизонтальных и вертикальных несущих элементов сооружения в расчет несущей способности стен наружного опускного колодца на давление воды и грунта, а также на отрыв нижней части при заклинивании верхней, с целью снижения материалоемкости и стоимости наружных стен сооружения;

в случае "зависания" наружного колодца при встрече с очень крупным валуном произведения разовой кратковременной откачки воды через специальные фильтры, исключающие суффозию (вымывание частиц грунта) в период откачки воды, для разрушения валуна невзрывным способом, что обеспечит сохранность целостности и структуры залегающих вокруг сооружения грунтов, устойчивость оснований и фундаментов расположенных вблизи сооружения существующих зданий и исключит необходимость устройства противофильтрационной завесы (стены в грунте);

устройства проходческого днища без традиционного (для сооружений такого типа) подводного бетонирования "пробки", т.е. на период возведения днища, как и при встрече с крупным валуном под проходческим ножом и "зависанием" колодца, должна также быть возможность выполнения кратковременного водопонижения через фильтр с минимальным риском нарушения оснований и фундаментов;

максимального снижения или полного исключения возможности срыва сроков строительства и увеличения его стоимости, т.е. снижения степени риска, связанного с выбором конструктивного исполнения сооружения и, соответственно, технологии его возведения, для организаций заказчика, проектных и строительных организаций.

Указанная задача решена в изобретении за счет того, что в способе строительства подземного сооружения в сложных инженерно-геологических условиях, включающем монтаж, по меньшей мере, двух концентрически расположенных внутреннего и наружного опускных колодцев и погружение под собственным весом с пригрузом, погружение осуществляют в два этапа, на первом из которых погружают внутренний колодец до грунта с расчетной несущей способностью, заглубляют его в этот грунт и фиксируют, а затем этот колодец наращивают над поверхностью земли и закрепляют колодец, причем вертикальность и скорость погружения его корректируют с помощью лебедок, которые устанавливают на покрытии внутреннего колодца, тросов, присоединенных к стенам наружного колодца, образующим наружные стены сооружения, и вертикальных и горизонтальных связей, обрамляющих внутренний колодец.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено в продольном разрезе сооружение резервуар запаса питьевой воды, возведенное способом по изобретению и состоящее из двух опускных колодцев; на фиг. 2 то же, в плане; на фиг. 3 проходка внутреннего колодца (первый этап строительства); на фиг. 4 начало погружения наружного колодца (второй этап строительства); на фиг. 5 подводное бетонирование днища наружного колодца после окончания его погружения; на фиг. 6 вертикальный разрез обоих колодцев после водоотлива и бетонирования днища сооружения; на фиг. 7 вертикальный разрез многоэтажного автомобильного гаража с лифтами, возведенного способом по изобретению; на фиг. 8 то же, в плане; на фиг. 9 вертикальный разрез высотного многоэтажного здания с автомобильными гаражами в его подземной части, возведенного способом по изобретению; на фиг. 10 то же, в плане.

Позиции на чертежах обозначают:

1 внутренний опускной колодец малого сечения; 2 наружный опускной колодец наружные стены сооружения; 3 ножевое кольцо внутреннего колодца; 4 металлическое ножевое кольцо наружного опускного колодца; 5 покрытие внутреннего колодца; 6 растяжки тросовые для внутреннего шахтного ствола; 7 лебедки для регулировки натяжения тросов; 8 трос лебедки; 9 - горизонтальные связи жесткости резервуара (или несущие элементы междуэтажных перекрытий сооружения); 10 вертикальные связи жесткости, соединяющие горизонтальные связи резервуара (или соединяющие несущие элементы межэтажных перекрытий сооружения); 11 специальные фильтры; 12 трубопроводы подающие; 13- трубопроводы переливные; 14 трубопроводы забора воды из резервуара; 15 - циркуляционные стены и перегородки; 16 пассажирский лифт; 17 лестничная клетка; 18 лифты для легковых автомобилей; 19 трубопроводы приточной и вытяжной систем вентиляции и очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу.

Для возведения подземного (заглубленного) сооружения горнопроходческим методом опусканий крепью под собственным весом с пригрузом в районах со сложными или неисследованными инженерно-геологическими условиями согласно изобретению используют внутренний опускной колодец малого сечения 1, с которого начинают возведение сооружения и проведение инженерно-геологических изысканий района строительства. Опускание колодца, как правило, должно производиться под действием собственного веса, а для колодцев, опускаемых на большую глубину (фиг. 3), рекомендуется устройство остроконечного ножа 3 для внутреннего колодца и 4 для наружного колодца с соответствующей защитой их прокатным металлом. Погружение внутреннего колодца 1 производят без водоотлива, не предъявляя особых требований к вертикальности колодца, но параллельно с выемкой грунта из колодца производят инженерно-геологические изыскания, результаты которых будут необходимы при осуществлении проходки наружного колодца 2 с помощью ножевого кольца 4. Когда нож 3 колодца 1 достигнет грунтов, несущая способность которых будет соответствовать расчетной (проектной), осуществляют заглубление его в этот грунт на несколько метров в глубину и фиксацию, в частности, подводным бетонированием выполняют подушку (т.е. "фиксируют" нож 3 в грунте). Затем наращивают (фиг. 4) надземную часть внутреннего колодца 1 над поверхностью земли (на высоту, не менее половины диаметра наружного колодца 2, монтируют покрытие 5 и раскрепляют верхушку колодца 1 растяжками 6. Это первый этап строительства сооружения. Второй этап предусматривает на основе полученных данных инженерно-геологических изысканий в ходе выполненного первого погружения и, используя колодец 1 в качестве мощного остова ("сердечника"), погружение наружного опускного колодца 2 с помощью ножевого кольца 4. Для корректировки и регулировки вертикальности и скорости погружения колодца 2 выполняют следующие мероприятия: на покрытии 5 колодца 1 закрепляют лебедки 7, которые тросами 8 соединяют с наружными стенами колодца 2, а для увеличения его жесткости монтируют горизонтальные связи 9 (в дальнейшем они же используются в качестве главных несущих элементов междуэтажных перекрытий сооружения или связей жесткости), обрамляющие внутренний колодец 1 (но не соединяющиеся с ним), а по мере погружения вертикальные связи жесткости 10, которые вместе с горизонтальными связями образуют жесткие рамные конструкции. Выполнение перечисленных мероприятий позволяет осуществлять контроль за плавностью погружения опускного колодца 2 и предпринять срочные меры по остановке погружения с помощью лебедок 7 с тросами 8 в случае появления препятствия в грунте под ножом 4 или резкого уменьшения сил трения между наружной поверхностью стен колодца и грунтом. Перекос (боковой крен) опускного колодца 2 становится невозможным, а после удаления причин, вызвавших остановку погружения, продолжают плавное и равномерное погружение. После погружения колодца 2 (фиг. 5) на проектную отметку выполняют кратковременную откачку воды через специальные фильтры 11, предварительно вмонтированные в конструкциях внутреннего опускного колодца перед его сборкой и погружением, что позволит предотвратить суффозию (вымывание частиц грунта) в период откачки воды, и затем армируют и бетонируют днище. Дальнейшие работы производят в зависимости от эксплуатационного назначения сооружения (фиг. 1 или фиг. 6).

При возведении сооружения, которое будет использовано в качестве резервуара запаса питьевой воды (фиг. 1 и фиг. 2), в стенах опускного колодца 1 предусматривают окна для внутренней циркуляции воды, которые открываются после окончания работ по водоотливу из колодца 2. В наружных стенах сооружения предусматривают гильзы для пропуска трубопроводов: подающего 12, переливного 13 и забора воды 14. Для резервуаров больших объемов при соответствующих обоснованиях предусматривают возможность монтажа дополнительных внутренних стен 15 (цилиндров и перегородок) на фундаментной плите, которые выполняют роль циркуляционных перегородок, для чего необходимо расположить ряд отверстий в них таким образом, чтобы во время отбора воды из резервуара через всасывающую воронку на трубопроводе 14 исключалась бы возможность попадания воды в нее из трубопровода 13 напрямую, минуя образованные циркуляционными перегородками коридоры внутри резервуара. Это не допустит образования внутри резервуара "нулевых зон", т.е. зон застоя воды, оказывающих неблагоприятное влияние на органолептические свойства воды (вкус и запах). Например, на фиг. 2 стрелками показано направление движения потоков воды для резервуара, состоящего из трех цилиндров.

При возведении сооружения, которое будет использовано в качестве многоэтажного гаража для легковых автомобилей (фиг. 7 и 8) в полости внутреннего колодца предусматривается монтаж пассажирского лифта 16 и лестничной клетки 17, а для доставки автомашин на этаж лифты 18. В лифтовых шахтах наряду с грузовыми лифтами размещают трубопроводы 19 приточной и вытяжной систем вентиляции и очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу, которые заканчиваются фильтрами 11, установленными на покрытии сооружения. На фиг. 9 и 10 вариант автогаража без грузовых лифтов (с организацией движения автомобилей по круговому пандусу). Мощное подземное сооружение здесь используется в качестве фундамента для многоэтажного надземного здания. Крановое оборудование при возведении таких сооружений целесообразно размещать на покрытии внутреннего опорного колодца, что позволяет до минимума сократить размеры строительной площадки.

В отличие от прототипа предложенное изобретение устраняет перечисленные выше недостатки и позволяет: без риска срыва сроков и увеличения стоимости строительства возводить подземные сооружения в районах с неисследованными или неблагоприятными инженерно-геологическими условиями; основной объем работ по монтажу несущих конструкций сооружения выполнять на "нулевой" отметке 9в уровне поверхности земли); включать в расчет стен наружного опускного колодца внутренние несущие конструкции, монтаж которых выполняется до погружения; размещать крановое оборудование в пределах площади сооружения (на покрытии внутреннего колодца); удобно использовать подземное сооружение для возведения высотных здания в районах со сложными грунтами; удобно использовать наличие внутреннего цилиндрического колодца в качестве опорной башни для покрытия и фундамента для вышерасположенных помещений, а также для компактного размещения лифтовых шахт, лестничных клеток и коммуникационных каналов, в зависимости от эксплуатационного назначения здания или сооружения.