Особенности выполнения работ по устройству буронабивных свай при строительстве и реконструкции сооружений в исторической части Минска

В Минске по ул. Кирилла и Мефодия ведутся работы по реконструкции и реставрации комплекса зданий 17–18 веков с приспособлением под гостиничный комплекс и объекты торгово-бытового назначения. Одним из самых сложных этапов реализации проекта стало устройство фундаментов и укрепление стен котлована. Исполнителям работ пришлось применить на объекте самые совершенные технологии и передовое оборудование, чтобы максимально сохранить остатки существующих зданий, не нанести вреда соседним сооружениям и при этом реализовать замыслы архитекторов и проектировщиков.
Комплекс зданий, расположенный в настоящее время по ул. Кирилла и Мефодия, 6 и 8 (рис. 1) ранее входил в состав мужского монастыря бернардинцев, который просуществовал до 1864 года. После того как монастырь был ликвидирован, в этих строениях в разные годы размещались полицейский участок, тюрьма, пожарная часть и даже жилье. Здания многократно перестраивались, переделывались, должного внимания их содержанию не оказывалось, что в итоге привело к их ветхому состоянию и потребовало проведения реконструкции. На сегодняшний день комплекс названных строений является историко-культурной ценностью 2-й категории.
Архитектурный проект был разработан специалистами УП «Минскпроект» с учетом рекомендаций Белорусской научно-методической рады на основе реставрационного задания научного руководителя А. Н. Кропотова, комплексных научных изысканий, выполненных ООО «ЦРИКЛиТ», результатов археологических исследований, проведенных в 2007–2008 г.г. ГНУ «Институт истории НАН Беларуси».
Данный проект предусматривает реконструкцию с реставрацией существующего комплекса зданий № 6, 8 с приспособлением под гостиничный комплекс и объекты торгово-бытового назначения с воссозданием утраченных объемов, организацию в реконструируемых зданиях музея истории, археологического музея, музея карет, салона проката исторических костюмов, магазина исторической книги, музея истории монастырского быта.
Гостиничные номера и инфраструктура выполнены с учетом требований исторического туризма и воссоздания элементов ХVII–ХVIII в.в. При этом функциональное назначение реконструируемого комплекса зданий полностью соответствует положениям Концепции реконструкции, развития и функционального использования объектов недвижимого имущества и территории исторического центра г. Минска, предусматривающей формирование зоны культурного досуга с экскурсионными маршрутами, зрелищными, музейными сооружениями, утвержденной указом президента Республики Беларусь от 14.07.2004 № 330 «О развитии исторического центра г. Минска».
Как рассказал журналу главный конструктор проектов УП «Минскпроект» Валерий Жуковец, авторам пришлось работать в достаточно сложных условиях. Во-первых, требовалось сохранить все существующие постройки, а также уцелевшие конструкции разрушенных зданий, во-вторых, проектируемые сооружения уходят на 12 м от уровня существующей планировки, а близость улиц и зданий накладывала ограничения на устройство котлована, в-третьих, проектировщикам пришлось учитывать сложные грунтовые условия и высокий уровень грунтовых вод.
Следует отметить, что из всего комплекса построек сохранились лишь здание № 6, в котором после реконструкции будет располагаться 4-звездочная гостиница, и № 8а, где разместятся отделение банка, кафе и административные помещения. Остальные сооружения были либо полностью разрушены, либо сохранились в виде фрагментов стен и фундаментов. Теперь уцелевшие конструкции усилены и ожидают своей дальнейшей судьбы, когда они будут включены в объем строящихся зданий.
«После обследования здания № 6 было принято решение об усилении фундаментов. В одной из частей здания с этой целью строителям пришлось откопать целый этаж, – отмечает В. Жуковец. – Там пришлось нарастить глубину заложения фундамента. Работали захватками, поярусно заливая бетон. В целом все фундаменты, а они сооружены преимущественно из бутового камня, оказались в плохом состоянии, поэтому по всему периметру их пришлось укреплять с помощью железобетонных обойм, что нам очень помогло при дальнейших раскопках. Непосредственно в самом здании что-либо переделывать не пришлось – толщины стен и сводов достаточно для устройсва в них штраб под прокладку инженерных коммуникаций. Правда, кое-где пришлось монтировать железобетонные перекрытия – там, где они были обрушены. В целом же на объекте используются арочные сводчатые кирпичные перекрытия».
Площадка под застройку, где будут располагаться комплекс возводимых сооружений №№ 8в, 8д, 8г и 8е характеризовалась высоким уровнем насыпного грунта – его слой составлял до 9 м. Причем в период раскопок археологи обнаружили здесь остатки старых фундаментов. Их конструкции решили сохранить для последующего включения в музейную экспозицию. Теперь это место засыпано, и после того, как по периметру будут возведены ограждающие конструкции, смонтирована крыша, грунт извлекут, а уцелевшие фундаменты отреставрируют, чтобы превратить в музейный экспонат, поскольку как раз в этом месте комплекса предполагается обустройство археологического музея.
По информации главного конструктора проектов, комплекс зданий запроектирован в схеме монолитного безригельного каркаса. После того, как будут устроены железобетонные колонны и перекрытия, ограждающие конструкции возведут из керамического кирпича. В наружной отделке предполагается применение облицовочного кирпича – штукатурная наружная отделка в проекте, учитывающем исторический облик, не предусмотрена. Благодаря такому решению, в конструкции стен будут гармонично интегрированы сохранившиеся элементы стен старых зданий.
В конструкции крыши запроектированы металлические и деревянные стропила, а для фальцевого кровельного покрытия будет использована оцинкованная сталь.
Примечательно, что в первоначальном проекте предполагалось устройство в комплексе трех подземных уровней. Однако реализации задуманного помешал высокий уровень грунтовых вод, который выявился в результате детальных геологических изысканий. Учитывая плотную окружающую застройку, специалисты не решились проводить водопонижение, поскольку это могло привести к драматическим последствиям для соседних зданий. В итоге в проекте остался один подземный этаж, в котором разместится паркинг на 25 машиномест для постояльцев гостиницы и помещения для инженерных систем. В восстанавливаемом здании будет 4 надземных этажа с эксплуатируемой мансардой этажом, что в целом не превысит высоты существующей застройки.
«После изменения проектного решения, верхний горизонт грунтовых вод мы прогнозируем на уровне середины свайных ростверков. С целью предотвращения негативного воздействия влаги на вышележащие строительные конструкции, они будут защищены гидроизоляционной системой. По сваям будет выполнена выравнивающая бетонная стена. По ней будет смонтирована оклеечная гидроизоляция на основе битумно-полимерных материалов, по верху которой предполагается слой геотекстиля. Хотя в настоящее время котлован защищен стенкой из буронабивных свай с анкерами, но это временная стена – здания будут стоять на собственных фундаментах», – говорит В. Жуковец.
Стесненные условия потребовали и для устройства ограждения котлована, и для возведения фундаментов зданий применения наиболее щадящих технологий с использованием буровой техники. Этот этап был одним из самых сложных и трудоемких, поэтому рассмотрим его более детально.
Для выполнения работ пришлось привлекать специализированные строительные организации, обладающие необходимым опытом и современным оборудованием. Во-первых, это ОАО «Буровая компания «Дельта», силами специалистов которой были выполнены ограждения котлована, анкерные крепления, устройство свайных фундаментов восстанавливаемых зданий, испытание грунтов сваями и анкеров. Во-вторых, фирма «Атавия», которая выполнила работы по усилению существующих фундаментов реконструируемых зданий и устройству свайных фундаментов восстанавливаемых зданий.
Научное сопровождение работ по устройству ограждающих конструкций, анкерных креплений и буронабивных свай осуществлялось под руководством д.т.н., профессора М. И. Никитенко.
Одним из методов, все шире используемых в стесненных условиях, является устройство ограждений сооружений с использованием траншейных и свайных стен (способ «стена в грунте»). Технические параметры таких конструкций зависят от глубины предполагаемого котлована, инженерно-геологических условий и особенностей площадки строительства, нагрузок и размеров котлована.
Традиционно для устройства «стены в грунте» используют грейферный ковш. Однако особенности данной технологии требуют применения большого количества специального оборудования для приготовления, очистки и последующего хранения бентонитового раствора. В условиях плотной городской застройки размещение оборудования на стройплощадке, вывоз грунта, загрязненного бентонитовым раствором с его последующей утилизацией, создают проблемы и требуют дополнительных затрат. Поэтому для устройства ограждения котлована на рассматриваемом объекте были использованы соприкасающиеся буронабивные сваи длиной от 11 до 13 м диаметрами 610 мм и 800 мм, объединенные монолитным обвязочным поясом.
Максимальная глубина котлована не превышает 9 м. Для обеспечения устойчивости свайных стен, учитывая ширину котлована, стесненные условия строительства и расположение в пределах призмы обрушения существующих реконструируемых зданий, использованы анкерные крепления.
Это позволило отказаться от использования традиционных способов обеспечения устойчивости свайных стен – использование распорных креплений и подпорок в дно котлована. Также упростилась разработка котлована и высвободилось пространство для перемещения в нем строительной техники и дальнейшего быстрого выполнения работ по строительству здания.
Анкерное крепление ограждения состоит из продольного пояса из двух двутавров закрепленных на буронабивных сваях, через которые пропущены тяги буроинъекционных анкеров. Анкеры расположены под углами 13–17° к горизонту с шагом 800 мм. Анкерные крепления выполнены в одном уровне выше низа дна котлована на 3 м.
Одновременно с работами по устройству ограждений котлована, выполнялись работы по усилению фундаментов реконструируемых зданий буроинъекционными сваями.
Отмеченный комплекс мероприятий должен обеспечить сохранность существующих сооружений при разработке котлована до проектной отметки.
После отрывки котлована устраивали свайные фундаменты возводимого здания.
Ограждения из касательных свай диаметрами 610 и 800 мм выполнены под защитой обсадной трубы с использованием телескопической штаги буровыми установками SR-40 и SR-60 фирмы Soilmec.
По данной технологии обсадную трубу погружают вращателем через закрепленный на трубе хомут и одновременном вдавливании гидравлическим домкратом. Обсадная труба состоит из нескольких жестко соединенных секций. По мере погружения трубы из нее извлекают грунт шнеком и наращивают следующую секцию. Шнек закреплен на конце телескопической штанги Келли, раздвигающейся при углублении скважины.
Процесс начинается с опережающего бурения скважины обсадной трубой с армированным наконечником (кольцевой коронкой). Обсадная труба при этом погружается в грунт вращателем на глубину 1,5–2,0 м. Далее с помощью телескопической штанги Келли и подвешенного на ней короткого шнека обсадная труба очищается от грунта.
Операции по бурению скважин и извлечению грунта повторяются через каждые 1,5–2,0 м погружения обсадных труб. По достижении проектной глубины выполняется извлечение бурового инструмента из колонны обсадных труб, зачистка забоя от шлама, установка и фиксация арматурного каркаса, бетонирование сваи методом вертикально перемещающейся трубы (ВПТ).
Использование данной технологии, несмотря на ее невысокую производительность (5–6 свай в смену) обусловлено:

отсутствием динамических и вибрационных воздействий на грунт при выполнении ограждающих конструкций вблизи существующих зданий и сооружений;
современным оборудованием буровой установки, позволяющим контролировать процесс бурения, разбуривать и извлекать валуны;
заполнением скважины через бетонолитную трубу, что исключает образование шеек и дефектов стволов свай;
в процессе бурения осуществляется прямой контроль соответствия характеристик грунта заложенных в проекте;
кроме того, позволили при прохождении водонасыщенных грунтов избежать их выпора в скважину за счет грунтовой пробки и избыточного давление в скважине с помощью воды.
Анкерное крепление по первоначальному проекту предусматривалось из наклонных буроинъекционных анкеров по классической технологии. В пробуренную под защитой обсадной трубы или глинистого раствора скважину диаметром 114 мм и глубиной 11 м устанавливались две инъекционными трубки, соединенные со стержневой анкерной тягой диаметром 40 мм и нагнетался тампонажный раствор с В/Ц – 0,4 до выхода его на поверхность и повторная инъекция раствора через 10 часов. В результате инъецирования обеспечивается надежная связь анкера с грунтом.
В настоящее время в мировой практике просматривается стремление к объединению указанных технологических операций (бурение, армирование, инъекция) в одну с обеспечением необходимого уровня качества и надежности. Поэтому по предложению ОАО «Буровой компании «Дельта» в проект были внесены изменения для использования данной технологии с использованием буровых высокопрочных трубчатых штанг «Титан» фирмы Ischebeck и российских «Атлант», которые остаются в скважине в качестве армирующего элемента и тяги анкера.
Пробное устройство таких анкерных свай, выполненное впервые в Беларуси буровой компанией «Дельта», и их испытания по методике П18-04 к CНБ 5.01.01-99, произведенные на объекте гостиничного комплекса под руководством д.т.н., профессора М.И. Никитенко, показали высокую несущую способность анкеров и их эффективность. Однако учитывая высокую стоимость таких штанг, производитель работ применил для данной технологии трубчатые анкерные штанги-тяги диаметром 73 мм собственного производства оригинальной конструкции. Стендовые испытания анкерной тяги, выполненные в лаборатории Белорусского государственного университета транспорта, показали пригодность изготовленной тяги и материала для восприятия расчетных нагрузок.
По данной технологии бурение скважины глубиной 11 м диаметром 135 мм до проектной отметки выполняется трубчатой штангой-тягой с буровой головкой с использованием цементного раствора с В/Ц 1,0–1,2 в качестве промывочной жидкости. Данный раствор выносит частицы разрушенного грунта и обеспечивает первичную инъекцию и пропитку грунта, заполняя пустоты и трещины.
По достижении проектной отметки подается более густой цементный раствор с В/Ц 0,4–0,5 под давлением 20–25 атм объемом 0,5–0,6 м3. Данный раствор при движении снизу-вверх вытесняет первичный раствор, за счет вязкой консистенции и трения о штангу и грунт выполняет роль пакера, тем самым опрессовывая грунт и создавая корень анкера и оболочку из чистого цементного камня высокой прочности вокруг трубчатой тяги. После набора прочности раствора при помощи муфтового соединения к штанге присоединяется шпилька и производится натяжение анкера и его крепление к обвязочному поясу. Всего на объекте выполнено 145 анкеров по данной технологии.
Результаты пробных испытаний анкеров по методике П18-04 к CНБ 5.01.01-99, выполненные в процессе научного сопровождения, показали, что их несущая способность составила не менее 336 кН и является достаточной для восприятия проектной нагрузки и свидетельствует об эффективности применения анкеров нового типа.
Применение данной технологии позволило увеличить производительность устройства анкеров в 2 раза по сравнению с традиционной технологией и снизить затраты ручного труда. Устройство таких анкерных свай требует минимального набора бурового оборудования – может быть использован любой даже малогабаритный буровой станок с вертлюгом, грязевой насос и смеситель цементного раствора.
Для устройства анкеров на объекте использовалась установка для струйной цементации грунтов PSM-20 фирмы Soilmec и станцию перемешивания-закачки раствора. Использование данной установки в последующем при оснащении буровой головки форсунками и при увеличении давления нагнетания до 300 атм позволит получить анкерные сваи увеличенного диаметра и повышенной несущей способности.

Устройство фундаментов из буронабивных свай выполнено по двум технологиям – под защитой обсадной трубы с использованием телескопической штаги (рассмотрена выше) для свай диаметрами 630 и 820 мм с инъекцией под пяту сваи и по технологии непрерывного полого шнека (СFA) для свай диаметром 410 мм установками SR-40 и SR-60.
Инъекция под пяту буронабивных свай выполнялась через манжетные трубки цементным раствором с В/Ц 0,4 после набора бетоном ствола 70 % прочности. Объем закаченного раствора составлял от 100 до 130 л в зависимости от диаметра сваи.
Для устройства свай CFA в грунт на определенную глубину погружается непрерывный проходной полый шнек с пробкой на конце. По мере того, как бур врезается в грунт, материал загружается на крылья бура. По достижении проектной отметки, шнек приподымается на 250–400 мм и в скважину через полый вал шнека производится подача под давлением 1–1,5 кг/см2литой бетонной смеси, затем шнек завинчивается в исходное положение и производится подъем шнека. При подъеме шнековой колонны ее нижний конец должен быть заглублен в бетон не менее чем на 0,3–0,5 м.
Шнек поднимается без вращения или медленным вращением в том же направлении, что и при движении вниз. Грунт и бетон, находящийся на шнеке, при бетонировании препятствует подъему бетона, подаваемого под давлением вдоль шнека, что приводит к опрессовыванию грунта. После завершения нагнетания бетонной смеси в скважину при помощи вибратора погружается арматурный каркас. Для обеспечения погружения каркаса в скважину необходимо использовать самоуплотняющийся бетон с крупностью щебня 5–20 мм и маркой пластичности не ниже П4.

Высокая точность постановки свай в плане, соблюдение вертикальности забуривания, глубины погружения рабочего органа, давления бетона при заполнении скважины – все это контролируется бортовым компьютером. Данная технология позволила выполнять до 20 свай в смену глубиной от 3 до 7 м.
Результаты испытания свай, устроенных по данным технологиям, выполненные в процессе научного сопровождения, показали, что их несущая способность достаточна для восприятия проектной нагрузки и свидетельствует об их эффективности.
Таким образом, сочетание передовых методов и технологий при выполнения работ по устройству фундаментов при реконструкции комплекса зданий по ул. Кирилла и Мефодия призваны обеспечить сохранность действующих зданий и сооружений при выполнении работ, обеспечить надежность и долговечность восстанавливаемых зданий.

Источник: Журнал МАСТЕРСКАЯ. Современное строительство №10 ноябрь 2011