Zabezpieczenie ścian głębokiego wykopu

Transkrypt

1 specjalistyczne techniki fundamentowania techniki fundamentowania Zabezpieczenie ścian głębokiego wykopu Ostanie lata naznaczone są intensywnym rozwojem budownictwa komercyjnego w dużych miastach, a zwłaszcza w Warszawie. W latach dziewięćdziesiątych powstało w stolicy kilkadziesiąt nowych budynków biurowych i hotelowych. Wiązało się to z koniecznością wykonywania głębokich wykopów, jednak w miarę luźna zabudowa miasta umożliwiała do pewnego czasu budowę tych obiektów w wykopach szerokoprzestrzennych lub zabezpieczonych ściankami berlińskimi, palisadami z pali oraz ścianami szczelinowymi. W gęstej zabudowie ścisłego Centrum coraz częściej zaczęły się jednak pojawiać problemy z wykonywaniem wykopów w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących budynków. Wykonywanie w takich warunkach ścian szczelinowych lub palisad z pali wierconych wiązało się z następującymi problemami: tuż przy istniejących budynkach musiały pracować bardzo duże i ciężkie maszyny, co nie pozostawało bez wpływu na stan techniczny obiektów, a poza tym w wielu przypadkach było to wręcz niemożliwe ze względu na ograniczenia w dojeździe, konieczne było zachowanie pewnego odstępu od zabezpieczanego budynku (np. dla wykonania murków prowadzących) oraz ze względu na minimalną grubość tego typu zabezpieczeń wynoszącą ok. 60 cm. W sumie traciło się więc około 100 cm na całej długości podchwytywanych ścian, co przekładało się na znaczne ilości metrów kwadratowych powierzchni użytkowej wewnątrz budynku (w piwnicy). Dlatego coraz większą popularność zyskuje technologia iniekcji strumieniowej (Jet Grouting), która umożliwia zabezpieczanie ścian głębokich wykopów za pomocą niewielkich maszyn oraz wykonywanie podchwyceń fundamentów istniejących budynków w taki sposób, iż możliwe jest wznoszenie nowych Fot. 1. Prace iniekcyjne przy pomocy niewielkiej wiertnicy obiektów w ostrej granicy, praktycznie rzecz biorąc bez strat powierzchni użytkowej w piwnicach. W odróżnieniu od tradycyjnej iniekcji, technologia Jet Grouting może być z powodzeniem zastosowana nie tylko w gruntach sypkich, ale również w spoistych. Dotyczy to także podłoża uwarstwionego, łącznie z przewarstwieniami organicznymi. Roboty w technologii Jet Grouting wykonano nawet w lekkim piaskowcu, a na terenie Polski w torfach i namułach (Gdańsk, Bartoszyce) oraz iłach (Warszawa). Rys. 1. Schematyczny przekrój przez wykop 14 Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02)

2 specjalistyczne techniki specjalistyczne techniki fundamentowania Fot. 2. Skuwanie odsadzek fundamentowych oraz przerostów technologicznych cementogruntu Najogólniej przedstawiając, metoda Soilcrete (Jet Grouting) polega na wykonaniu pod fundamentem budowli zeskalonego korpusu cementowo-gruntowego, który przenosi obciążenia na niżej położone i nośne warstwy podłoża. Wykonanie tego korpusu odbywa się przez wprowadzenie w podłoże rury wiertniczej z umieszczoną na jej końcu dyszą, z której wydostaje się pod bardzo dużym ciśnieniem (około 400 at) strumień wody otulony sprężonym powietrzem (Soilcrete-T). Dzięki wysokiej energii strumienia dochodzi do rozluźnienia struktury gruntu. Przez dodatkową dyszę, znajdującą się poniżej dyszy wodnej, podawana jest jednocześnie zawiesina cementowa pod ciśnieniem około 15 at. Zaczyn cementowy doprowadza do zeskalenia mieszaniny cementu i gruntu. Poprzez kontrolowany ruch rury wiertniczej (podciąganie i obrót) uzyskuje się pożądany kształt i zasięg zeskalenia (np. kolumny pełne i sektorowe, o dowolnym kącie rozwarcia). Metoda zapewnia dobre podparcie fundamentu i pewność kontaktu na styku podstawa fundamentu - soilcrete. Ogranicza to do minimum osiadania powstające przy przejmowaniu obciążenia przez nowy fundament. W Warszawie wykonano do chwili obecnej kilkanaście realizacji za pomocą iniekcji strumieniowej, czy to ze względu na niewielkie koszty mobilizacji sprzętu (w porównaniu do np. ścian szczelinowych), bądź ze wzglądu na znaczące oszczędności miejsca w piwnicach nowowznoszonego obiektu. Podchwytywano obiekty przy ul. Lęborskiej, Szaserów, Nizinnej, Hrubieszowskiej. Najciekawszą tego typu realizacją było jednak podchwycenie fundamentów hoteli Polonia i Metropol w Warszawie. Obydwa hotele są gruntownie przebudowywane, a część pomieszczeń technicznych takich jak zbiornik wody przeciwpożarowej, magazyny, chłodnie i kuchnie umiejscowiono w dodatkowo wybudowanych piwnicach, pod istniejącym obecnie wewnętrznym podwórkiem. Podwórko to ze wszystkich stron otoczone jest wysokimi budynkami, od wschodu budynkiem hotelu Metropol, od północy hotelem Polonia, a od południa i zachodu budynkami mieszkalnymi przy ul. Poznańskiej 39 i Nowogrodzkiej 40. Na podwórko wiedzie jedynie niewielka brama o szerokości 3,50 m i wysokości 3,40 m. Układ budynków pokazany jest na rysunku nr 1. Przed projektantami przebudowy hoteli stanęło niebanalne zadanie: jak wykonać w ścisłym Centrum miasta wykop o głębokości do 11,5 m, ze wszystkich czterech stron otoczony wysokimi budynkami i to bez użycia dużych maszyn ze względu na brak dojazdu do miejsca pracy (fot. 1). Dodatkowym problemem była konieczność maksymalnego wykorzystania powierzchni w tak przygotowanej piwnicy. Od samego początku trwania prac projektowych uznano, iż jedyną realną technologią będzie właśnie Jet Grouting. Technologia ta w przypadku tego projektu mogła Rys. 2. Przykładowe przekroje brył podchwytujących Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02) 15

3 specjalistyczne techniki fundamentowania techniki fundamentowania Rys. 3. Rzut wykopu z góry wraz z widokiem rozparcia wykorzystać wszystkie swoje atuty, niewielkie maszyny umożliwiały bezproblemowy wjazd na podwórko pomiędzy hotelami, a wykonywanie bloków zeskalonego gruntu pod fundamentami sąsiednich budynków umożliwiało bardzo dobre wykorzystanie miejsca. W poszukiwaniu maksymalnych możliwości powiększenia piwnic projektanci posunęli się na tyle daleko, że zaprojektowali skucie istniejących odsadzek fundamentów od strony wykopu (fot. 2). W celu zapewnienia właściwego zabezpieczenia ścian wykopu, na etapie projektu budowlanego, zaprojektowano układ bloków zeskalonego gruntu. Na obwodzie wykopu wydzielono 9 charakterystycznych przekrojów w zależności od obciążeń na fundamenty, ich szerokości i głębokości oraz ewentualnej obecności ścian poprzecznych. Wykorzystując programy komputerowe typu UFA lub UFANG i wykonując obliczenia jak dla murów oporowych, ustalono właściwe wymiary geometryczne zeskalenia gruntu pod fundamentami. Kilka przykładowych przekrojów pokazanych jest na rysunku nr 2. Przy tak dużych głębokościach (wysokości muru oporowego) niezbędne okazało się oczywiście przeniesienie sił poziomych za pomocą dodatkowych konstrukcji. Rozważane były rozpory, przypory bądź kotwy gruntowe. W przypadku omawianego wykopu zdecydowano się na zastosowanie stalowych rozpór. Ich schematyczny układ pokazany jest na rysunku nr 3. Projekt budowlany zabezpieczenia ścian wykopu przygotowany przez firmę Keller Polska został pozytywnie zaopiniowany przez Instytut Techniki Budowlanej w Warszawie, co było warunkiem dla wydania pozwolenia na budowę. Następnym krokiem było przygotowanie projektu wykonawczego, w którym określono następujące elementy: a) Zaprojektowano dokładny układ i rozmieszczenie pod ścianami poszczególnych sekcji, b) Określono parametry technologiczne iniekcji, c) Określono wstępny harmonogram prac wraz z określeniem kolejności wykonywania poszczególnych sekcji, d) Dla każdego z 9 przekrojów charakterystycznych zaprojektowano odpowiedni układ kolumn. W sumie zaprojektowano i wykonano ponad 2200 mb iniekcji oraz zużyto ponad 1600 ton cementu. Całość prac wykonano w okresie grudzień 2002 luty 2003 przy bardzo niesprzyjających warunkach pogodowych. Prace przy podchwytywaniu fundamentów rozpoczęto w grudniu 2002 roku. W trakcie prac iniekcyjnych na każdym z etapów prowadzono bardzo obszerne badania kontrolne. Do podstawowego zakresu należały następujące badania: a) Podczas przygotowywania zaczynu cementowego kontrolowano jego gęstość za pomocą aerometru lub wagi laboratoryj- 16 Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02)

4 specjalistyczne techniki specjalistyczne techniki fundamentowania nej i pojemnika o określonej objętości. Mieszalnik każdorazowo opróżniany był dopiero po uzyskaniu przez zaczyn projektowanej gęstości tj. 1,75 g/cm 3. Codziennej kontroli kierownika robót podlegały notatki operatora stacji pomp o ilości wyprodukowanego i wpompowanego na poszczególne kolumny zaczynu. Stwierdzono, że ilości wpompowanego zaczynu w każdym wypadku odpowiadały założeniom projektowym (tj. 615 kg cementu na 1mb kolumny średnicy 100 cm). b) Podczas iniekcji pobierano z wypływającego wokół rury wiertniczej urobku próbki do badań wytrzymałości. Łącznie pobrano 12 serii próbek wobec wymaganych 10 serii. Wytrzymałość próbek badano po upływie od 7 do 28 dni od pobrania. Decyzję o podjęciu głębienia wykopu podjęto na podstawie zadawalających wyników badania wytrzymałości cementogruntu. Uzyskana wytrzymałość 28 dniowa powyżej 7 MPa znacznie przewyższała wytrzymałość projektowaną wynoszącą 2,8 MPa. c) Badanie prędkości wiązania cementogruntu za pomocą penetrometru i porównanie cementu portlandzkiego i hutniczego wykazało, że w danych warunkach gruntowych pierwsza iniekcja co drugiej sekcji powinna być wykonywana z użyciem cementu portlandzkiego. Ze względów organizacyjnych oraz niskich temperatur również sekcje wypełniające wykonano przy użyciem cementu portlandzkiego CEM I 32,5. d) Podczas robót 17 razy mierzono średnicę wykonywanych kolumn za pomocą specjalnego parasola pomiarowego. Pomiary kolumny próbnej, wykonywanej w dniu przed pracami iniekcyjnymi i w oddaleniu od budynków wykazały, iż osiągnięto średnicę 1,05 m na głębokości ok. 29,50 m n.p. 0 W. - w warstwie piasków. Po odkopaniu kolumny próbnej P1 stwierdzono średnicę około 115 cm w warstwie piasków. Pomiary średnicy kolumn wykonywanych pod podchwytywanymi fundamentami wykazały osiąganie zakładanych średnic, co pozwoliło na kontynuowanie prac iniekcyjnych według projektu. Pod każdą ścianą wykonano co najmniej dwa pomiary. e) Podczas robót iniekcyjnych Generalny Wykonawca poprzez uprawnionego geodetę prowadził geodezyjne pomiary przemieszczeń budynku. Pomiary obejmowały osiadania budynków oraz przemieszczenia pionowe ścian. Wyniki obserwacji były na bieżąco przekazywane Inspektorowi Nadzoru i stanowiły podstawę do oceny prawidłowości wykonywanych prac oraz do oceny stanu bezpieczeństwa podchwytywanych ścian budynków sąsiadujących z planowanym wykopem. f) Przed rozpoczęciem głębienia wykopu w wykonanych 6-ciu odkrywkach fundamentowych dokonano wizualnej kontroli podparcia ław fundamentowych bryłami cementogruntu. Stwierdzono, że podparcie jest wykonane prawidłowo i zgodnie z projektem. Po stwierdzeniu prawidłowości wykonania podchwycenia (odpowiednia średnica kolumn, osiągnięcie przez cementogrunt wymaganej wytrzymałości, stwierdzenie właściwego podbicia w odkrywkach) (fot. 3) przystąpiono do głębienia wykopu. W pierwszym etapie wykonano wykop do głębokości - 6 m. Na poziomie - 5,5 m zainstalowano układ stalowych rozpór przejmujących siły poziome (rys. 3, fot. 4). Po wykonaniu rozpór i ich wstępnym sprężeniu przystąpiono do dalszego głębienia wykopu. Docelową głębokość wykopu wynoszącą 8,9 m osiągnięto w czerwcu Z poziomu dna wykopu wykonano dodatkową palisadę zabezpieczającą lokalne przegłębienie wykopu do głębokości - 11,5 m. Palisadę wykonano z pionowych kolumn jet grouting średnicy 80 cm, które zostały zazbrojone dwuteownikami 300 PE. Fot. 3. Kontrola prawidłowości przylegania brył Soilcrete do spodu fundamentu Fot. 4. Głębienie wykopu wraz z widokiem rozpór Fot. 5. Prace iniekcyjne w piwnicach hotelu Jak już wyżej wspomniano, zarówno w trakcie prac iniekcyjnych jak i w trakcie głębienia wykopu prowadzono obszerne obserwacje geodezyjne. Wyniki pomiarów zaprezentowano na wykresach nr 1,2,3 i 4. Jeżeli chodzi o osiadania to były one niewielkie, w granicach 2-3 mm. Nieco większe wartości osiągnęły przemieszczenia poziome. Repery pomiarowe zainstalowano na kilku wysokościach i rozmieszczono na całej długości wszystkich czterech ścian (w narożnikach oraz na środku długości). Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02) 17

5 specjalistyczne techniki fundamentowania techniki fundamentowania Wyniki pomiarów wyraźnie wskazują, iż przemieszczenia poziome były ściśle skorelowane z głębokością wykopu oraz lokalizacją punktu pomiarowego. Załączone wykresy pokazują wyraźną tendencję wzrostu przemieszczeń poziomych wraz ze wzrostem głębokości wykopu. Także lokalizacja punktu pomiarowego ma bardzo duży wpływ na wartość zmierzonych przemieszczeń. Znacznie większe przemieszczenia stwierdzono w przypadku reperów zlokalizowanych na środku długości ścian (repery nr 2 i 5), co wynika z braku w tych miejscach elementów usztywniających w postaci ścian poprzecznych (wykres 2,3). Całkowite przemieszczenia poziome stwierdzone w tych reperach wyniosły około 10 mm. Natomiast punkty pomiarowe umiejscowione w narożnikach wykopu (np. nr 1 i 8) przemieściły się zaledwie o 3-4 mm (wykres 1,4). Należy zwrócić tutaj uwagę na fakt, iż pomierzone wartości przemieszczeń poziomych z dużą dokładnością odpowiadają wielkości przemieszczeń jakich można było spodziewać się na podstawie np. literatury zagranicznej. W zaleceniach Niemieckiego Towarzystwa Geotechnicznego dotyczących wykopów budowlanych mówi się o możliwości wystąpienia przemieszczeń poziomych ścian wykopów o wielkości 1 promila wysokości ściany. W przypadku omawianego projektu maksymalna głębokość wykopu wynosiła 11,5 m, a więc można było spodziewać się przemieszczeń poziomych na poziomie 11 mm, co też zostało potwierdzone pomiarami geodezyjnymi w punkcie nr 2 leżącym w rejonie najgłębszej części wykopu. Równolegle do prac przy wykonywaniu podchwycenia fundamentów budynków sąsiadujących z głębokim wykopem prowadzono prace we wnętrzach hotelu Polonia. Ze względu na konieczność poprowadzenia w piwnicach licznych instalacji, a zwłaszcza instalacji wentylacyjnej oraz wybudowania szybów windowych zaszła konieczność pogłębienia piwnic o około 1 do 2 m. W tym przypadku również zdecydowano się na wykorzystanie technologii iniekcji strumieniowej. Pod wszystkimi ścianami nośnymi hotelu zaprojektowano i wykonano układ kolumn o średnicy 100 cm, zapewniający przeniesienie obciążeń z odsłanianych fundamentów na niższe partie gruntu. Prace wykonywane były za pomocą niewielkiej wiertnicy typu KB1 zwanej myszą piwniczną. Maszyna ta jest w stanie wydajnie pracować w pomieszczeniach o wysokości około 2,2 m i przejeżdża przez drzwi szerokości 80 cm (fot. 5). Mimo ogromnych trudności logistycznych z ustawieniem stacjonarnych maszyn i urządzeń w ścisłym centrum Warszawy, trudności z dostawami cementu i wywozem urobku, bardzo niesprzyjającej tego typu robotom aury (temperatury do -20 stopni C) oraz przede wszystkim faktu, iż tego typu prace, w tak obszernym zakresie i w tak trudnym miejscu wykonywane były w Polsce po raz pierwszy, zadanie postawione przed naszymi projektantami i inżynierami zostało wykonane terminowo i zgodnie z życzeniami klienta. Z ogromną satysfakcją obserwowaliśmy proces głębienia wykopu, instalowanie rozpór, skuwanie przerostów technologicznych, wylewanie płyty fundamentowej nowego obiektu, jego rosnące w górę ściany i zasłaniane powoli innymi elementami budynku bryły cementogruntu. Sukces tego projektu potwierdza postawioną na początku tego artykułu tezę, iż podchwycenia fundamentów w technologii Soilcrete są jednym z efektywniejszych sposobów zabezpieczania ścian głębokich wykopów, zwłaszcza w centrach dużych miast. Wykres 1. Przemieszczenia repera nr 1 Wykres 2. Przemieszczenia repera nr 2 Wykres 3. Przemieszczenia repera nr 5 autor mgr inż. Tomasz Michalski Keller Polska Sp. z o.o. Wykres 4. Przemieszczenia repera nr 8 18 Geoinżynieria i Tunelowanie 02/2004 (02)

6