Projektowanie i realizacja. wielokondygnacyjnych. garaży podziemnych

Transkrypt

1 Budownictwo podziemne podziemne Projektowanie i realizacja wielokondygnacyjnych garaży podziemnych Autor dr hab. inż. Hanna Michalak - Politechnika Warszawska Wybrane przykłady problemów technicznych i technologicznych, występujących w różnych etapach projektowania i wznoszenia części podziemnych w budynkach wielokondygnacyjnych. Wielokondygnacyjne garaże są zazwyczaj projektowane w dużych miastach jako odrębne obiekty podziemne bądź nadziemne lub jako części podziemne budynków. Inwestycje tego rodzaju wynikają z konieczności, wymaganej według aktualnych aktów prawnych, zapewnienia odpowiedniej liczby stanowisk postojowych samochodów użytkowników budynków. Nowe inwestycje są realizowane w coraz trudniejszych warunkach lokalizacyjnych, zazwyczaj w zwartej zabudowie miejskiej. W przypadku tego rodzaju obiektów bardzo istotne jest rozpoznanie warunków gruntowo-wodnych podłoża. To rozpoznanie ma bowiem wpływ na przyjętą do obliczeń statycznych wartość parcia gruntu na obudowę wykopu i w efekcie na parametry wytrzymałościowe bądź geometrię tej obudowy, na niezbędne jej zakotwienie w gruncie poniżej poziomu płyty dennej, a także na przyjętą technologię realizacji wykopu i konstrukcji części podziemnej budynku. Niewystarczające rozpoznanie usytuowania warstw wodonośnych może skutkować wystąpieniem lokalnego stanu awaryjnego podłoża dna wykopu bądź utratą stateczności tego dna i ścian wykopu. Przy wysokim poziomie wody gruntowej (znacznie powyżej projektowanego spodu płyty dennej) istnieje możliwość uniknięcia stosowania odwodnienia wgłębnego ze studni depresyjnych, jeżeli obudowę szczelną (ścianka szczelna bądź ściana szczelinowa) wprowadzi się odpowiednio głęboko w grunt nieprzepuszczalny. Przyjęcie takiego założenia wiąże się z koniecznością precyzyjnego określenia poziomu stropu warstwy gruntu nieprzepuszczalnego. W przypadku wykonania ścian o za małym zagłębieniu może nastąpić napływ wody gruntowej do wnętrza wykopu i utrata stateczności jego dna. W trakcie realizacji ważne jest przestrzeganie reżimów technologicznych i wykonywanie robót zgodnie z projektem. W praktyce zdarzają się przypadki odstępstw od rozwiązań projektowych, a wprowadzane zmiany mają zazwyczaj na celu przyspieszenie tempa robót bądź obniżenie ich kosztów. Zazwyczaj w takich sytuacjach brakuje analizy wpływu dokonywanych zmian na wznoszony obiekt i zabudowę sąsiednią. W dalszej części artykułu przedstawiono wybrane przykłady problemów technicznych i technologicznych, które wystąpiły w różnych etapach projektowania i wznoszenia części podziemnych w budynkach wielokondygnacyjnych. Wpływ cech podłoża gruntowego na rozwiązanie projektowe Przykładem może tu być budynek użyteczności publicznej o trzech kondygnacjach podziemnych garażowych, wznoszony w zwartej zabudowie miejskiej. Część podziemna ma długość około 106 m i szerokości około 59 m. Budynek jest posadowiony na żelbetowej płycie monolitycznej grubości od 1,29 do 1,56 m, zbrojonej krzyżowo. Konstrukcję nośną budynku zaprojektowano jako żelbetową monolityczną. Tworzą ją ściany zewnętrzne grubości 0,30 m, usytuowane w części podziemnej w sąsiedztwie ścian szczelinowych obudowy wykopu, a także słupy o przekroju prostokątnym 0,80 x 0,80 m lub kołowym o średnicy 0,80 m (w podziemiu; wyżej wymiary zmniejszają się), ściany oraz stropy płytowe grubości w części podziemnej 0,30 m i nadziemnej 0,27 m. Rozstaw słupów wynosi na ogół 7,80 m, a poziom posadowienia 15,85 m poniżej poziomu terenu. W projekcie budowlanym omawianego budynku przyjęto, że wykop pod jego część podziemną zostanie zabezpieczony ścianami szczelinowymi żelbetowymi grubości 0,80 m, zagłębionymi do poziomu 21,0 m poniżej powierzchni terenu (około 5,0 m poniżej poziomu dna projektowanego wykopu). Zaprojektowano ściany szczelinowe kotwione i rozpierane w trzech poziomach, przy czym kotwie iniekcyjne i rozpory miały być zakładane sukcesywnie, w miarę głębienia wykopu. W trakcie opracowywania projektu wykonawczego zmieniono rozwiązanie obudowy wykopu, gdyż do analizy statycznej przyjęto korzystniejsze niż w projekcie budowlanym parametry wytrzymałościowe gruntów. W konsekwencji w obliczeniach ścian szczelinowych uzyskano siły parcia gruntu około 2 3-krotnie mniejsze od wynikających z uwzględnienia realnych parametrów charakteryzujących grunty podłoża w tym rejonie, określonych z uwzględnieniem doświadczeń związanych ze zmiennością budowy podłoża gruntowego. Zrezygnowano z podparcia ścian szczelinowych kotwiami gruntowymi, zakładając ich schemat statyczny w postaci wspor- 32 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)

2 Budownictwo podziemne STABILATOR sp. z o. o. STABILATOR Sp. z o.o. zajmuje się kompleksowym wykonawstwem specjalistycznych usług budowlanych na terenie całej Polski. W zakresie robót budowlanych na potrzeby drogownictwa oferujemy: wykonywanie posadowień wszelkich nowobudowanych obiektów infrastruktury drogowej, wzmacnianie fundamentów obiektów istniejących, stabilizowanie, wzmacnianie i uszczelnianie podłoża gruntowego pod nowobudowane i modernizowane drogi, zabezpieczanie głębokich wykopów fundamentowych, budowę ekranów akustycznych Ekran akustyczny w Gdańsku przy ul. Słowackiego. 2. Wykonanie palisady z pali CFA na terenie Parku Handlowego Matarnia w Gdańsku. 3. Wykonanie kotwienia nowej konstrukcji Nabrzeża Pomorskiego w Porcie w Gdyni. STABILATOR sp. z o.o Gdynia ul. Stryjska 24 biuro: Gdańsk ul. Szymanowskiego 2 tel. / fax: / 03 info@stabilator.com.pl BEZPIECZNIE SOLI DNIE KOMPLEKSOWO GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 33

3 Budownictwo podziemne podziemne a b c d Fot. 1. Katastrofa budowlana ściany szczelinowej obudowy wykopu: a, c) zawalona ściana szczelinowa, b) deformacje powierzchni terenu w rejonie katastrofy budowlanej, d) uszkodzenia konstrukcji części podziemnej wznoszonego garażu nika o rozpiętości (wysięgu) około 8 10 m i podparcie przyporą gruntową, a po wykonaniu konstrukcji części środkowej garażu i zlikwidowaniu przypory podparcie rozporami opartymi o stropy części podziemnej. Podczas realizacji wykopu nastąpiło zniszczenie jego obudowy (fot. 1) i uszkodzenia istniejącego budynku sąsiedniego. Podstawową przyczyną było przyjęcie znacznie zawyżonych wartości parametrów charakteryzujących grunty podłoża, w szczególności zaś, bardzo dużej wartości spójności tych gruntów. Wskutek tego otrzymano znacznie (około 3-krotnie) zmniejszone siły parcia gruntu, a więc również siły wewnętrzne w ścianie szczelinowej i w konstrukcji rozpierającej. W konsekwencji wpłynęło to na istotne zmniejszenie współczynników bezpieczeństwa i zaistnienie katastrofy [12]. Po katastrofie opracowano projekt odtworzenia i rozparcia zawalonej ściany szczelinowej oraz zabezpieczenia uszkodzonego budynku. Strefę posadowienia budynku istniejącego wzmocniono metodą iniekcji strumieniowej (jet-grouting). Zastosowano kolumny o średnicy około 1,00 m do głębokości 9,0 m poniżej spodu fundamentów, tj. poniżej domniemanej krzywej poślizgu. Nową ścianę zabezpieczającą wykop przyjęto w postaci palisady z kolumn typu soilcrete, zbrojonych profilami stalowymi. Poza strefą katastrofy wprowadzono dodatkowe podparcie ścian szczelinowych rozporami rurowymi o zrealizowaną w centralnej części wykopu konstrukcję płyty fundamentowej wznoszonego budynku. Wpływ technologii realizacji obudowy wykopu na przemieszczenia podłoża gruntowego Budynek o 28 kondygnacjach nadziemnych i 3 podziemnych zrealizowano w zwartej zabudowie miejskiej [10]. Zabudowa sąsiednia jest posadowiona na głębokości około 4,6 m poniżej poziomu terenu. W celu wykonania wykopu pod garaż podziemny o pierwotnie zakładanym poziomie posadowienia płyty fundamentowej, wynoszącym 16,0 m poniżej poziomu terenu, zaprojektowano na obwodzie budynku ścianę szczelinową grubości 0,60 m, której spód przyjęto 20,0 m poniżej poziomu terenu, tzn. 4,0 m poniżej poziomu podstawy płyty fundamentowej. W rozwiązaniu projektowym przyjęto, że ściany szczelinowe zostaną podparte kotwiami gruntowymi, rozmieszczonymi w czterech poziomach: 3,0; 7,0; 10,0 i 13,0 m poniżej poziomu terenu (fot. 2, rys. 1). Podczas wykonywania odwiertów na kotwie zastosowano wiercenie metodą jednoprzewodową z płuczką wodną, odstępując od ustaleń projektu w tym zakresie (wiercenie z płuczką powietrzną). Było to przyczyną niekontrolowanego wypłukiwania gruntu zza obudowy i jednocześnie jego rozluźnienia w sąsiedztwie odwiertów. Po zrealizowaniu kotwi I i II poziomu (3,0 i 7,0 m poniżej terenu) oraz wykopu do poziomu około 11,0 m wystąpiły dość znaczne nierównomierne osiadania budynków obok jednej ściany szczelinowej, a także znaczne zarysowania i pęknięcia konstrukcji tych budynków. W związku z tą sytuacją wykonano dodatkowe badania podłoża gruntowego w sąsiedztwie wymienionej ściany szczelinowej, a także dokonano oceny stanu technicznego uszkodzonego budynku sąsiedniego i podjęto decyzję o jego wzmocnieniu. Przeprowadzone badania potwierdziły, że podłoże gruntowe za ścianą szczelinową zostało rozluźnione do głębokości około 7,5 m, a poza tym powstały obszerne puste przestrzenie (kawerny) w tym podłożu. Uszkodzony budynek zabezpieczono stosując ściągi stalowe, a kawerny w podłożu gruntowym zainiektowano bezciśnieniowo mieszanką cementowo-bentonitową. Podjęto również decyzję o zwiększeniu nośności kotwi niższych poziomów, a także o skorygowaniu technologii ich wiercenia. Na podstawie analizy realizacji wykopu pod część podziemną oceniono, że istnieje konieczność wzmocnienia i uszczelnienia metodą iniekcji wysokociśnieniowej (jet-grouting) warstwy 34 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)

4 Budownictwo podziemne GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 35

5 Budownictwo podziemne podziemne Fot. 2. Rys. 1. Wykop pod garaż podziemny realizowany w zwartej zabudowie miejskiej: fot.2. widok ogólny, rys. 1. schemat podparcia ścian szczelinowych kotwiami gruntowymi według projektu pierwotnego gruntu grubości 3,5 m pod płytą fundamentową, zwiększonej przy ścianach szczelinowych do 6,3 m, lub wzmocnienie strefy podstawy ścian szczelinowych metodą iniekcji wysokociśnieniowej oraz obniżenie poziomu zwierciadła wody gruntowej. Ostatecznie, głównie ze względu na terminy realizacji i koszty, postanowiono zmienić rzędną posadowienia budynku. Przyjęto poziom 13,55 m poniżej terenu (trzy kondygnacje podziemne garażowe), zamiast ustalonego w projekcie pierwotnym poziomu 16,0 m (4 kondygnacje podziemne garażowe). Budynek usługowo-mieszkalny trzykondygnacyjny zaprojektowano z jednokondygnacyjnym garażem podziemnym. Poziom posadowienia fundamentów przyjęto na głębokości około 3,40 m poniżej poziomu przylegającego terenu. Fundament ma postać ław fundamentowych żelbetowych grubości 0,40 m, połączonych ze sobą monolitycznie płytą żelbetową grubości 0,15 m. Ściana zewnętrzna budynku nowego jest usytuowana w odległości 3,0 m od ściany szczytowej istniejącego budynku sąsiedniego. Różnica poziomów posadowienia fundamentów budynku istniejącego i nowo realizowanego wynosi około 1,10 m (budynek istniejący jest posadowiony wyżej), a odległość między tymi fundamentami (około 2,60 m w świetle krawędzi ław). Istniejący budynek mieszkalny został wzniesiony przed II wojną światową jako dobudowa do istniejącego wówczas budynku, rozebranego dziesięć lat temu. Ma trzy kondygnacje nadziemne i podpiwniczenie. Jego konstrukcję stanowią fundamenty i ściany murowane z cegły pełnej na zaprawie wapiennej, stropy są typu Kleina na belkach stalowych, więźba dachowa drewniana, pokrycie papą na deskowaniu. Fundamenty budynku (ławy murowane) są posadowione bezpośrednio, około 2,30 m poniżej poziomu przylegającego terenu. W kondygnacji podziemnej na obrysie budynku zaprojektowano ściany żelbetowe grubości 240 mm. Stropy międzykondygnacyjne budynku przyjęto w postaci płyt żelbetowych monolitycznych grubości 280 i 300 mm. W strefie posadowienia nowego budynku zalegają piaski drobne w stanie średnio zagęszczonym z przewarstwieniami piasków średnich. Zwierciadło wody gruntowej stabilizuje się na głębokości 2,3 3,4 m poniżej poziomu terenu. Konstrukcję nadziemia stanowi ustrój ścianowo-szkieletowy żelbetowy. W projekcie budowlanym przewidziano, że wykop pod nowy budynek będzie miał obudowę w postaci ścianki szczelnej Larsena, wykonanej metodą wciskania bezwibracyjnego, usytuowaną w odległości 2,00 m od ściany budynku istniejącego, zagłębioną 6,0 m poniżej poziomu terenu. Przed przystąpieniem do robót związanych z realizacją obudowy za zgodą projektanta ustalono, że zostanie ona wykonana w postaci tzw. ścianki berlińskiej (fot. 3, 4, 5). Fot. 3, 4, 5. Realizacja jednokondygnacyjnego garażu podziemnego 36 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)

6 Budownictwo podziemne GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 37

7 Budownictwo podziemne podziemne Pierwsze trzy pale (w postaci dwuteowników stalowych HEB) ścianki berlińskiej pogrążono w grunt stosując metodę udarową (wbijanie), z czym wiąże się inicjowanie drgań i ich przekazywanie na podłoże gruntowe. Te drgania mogły sumować się z oddziaływaniami dynamicznymi powodowanymi intensywnym ruchem samochodowym na sąsiadującej z budynkiem ulicy i w efekcie stanowić przyczynę rozwoju istniejących wcześniej oraz nowych zarysowań (fot. 6), a następnie również pęknięć konstrukcji ścian i stropów Kleina na belkach stalowych w budynku. W związku z zaistniałą sytuacją przyjęto, że kolejne pale stalowe (dwuteowniki) obudowy w postaci ścianki berlińskiej (zgodnie z decyzją projektanta) będą wykonywane przy zastosowaniu wiercenia otworów pod osłoną zawiesiny bentonitowej, a otwór wokół pala stalowego w jego dolnej części będzie zabetonowywany. Fot. 6. W trakcie robót ziemnych, stan podłoża gruntowego na dnie wykopu kontrolował inżynier geotechnik, potwierdzając zaleganie na tym poziomie piasków średnich w stanie średnio zagęszczonym oraz poziomu wody gruntowej około 0,20 m poniżej dna wykopu. W związku ze stwierdzonym na początku realizacji pali ścianki berlińskiej zjawiskiem rozwoju oraz powstawania nowych zarysowań ścian i stropów istniejącego budynku sąsiedniego, rozpoczęto obserwację geodezyjną osiadań ściany szczytowej południowej tego budynku, jak również poziomych przemieszczeń korony obudowy wykopu w postaci ścianki berlińskiej. Roboty budowlane związane z realizacją nowego budynku zostały wstrzymane postanowieniem urzędu nadzoru budowlanego. W związku z tą decyzją została wykonana ekspertyza, której autorzy, stwierdzili potrzebę wykonania niezbędnych robót zabezpieczających na realizowanej budowie oraz robót zabezpieczających istniejący budynek mieszkalny. Stwierdzili też, że przerwanie robót bez wykonania robót zabezpieczających mogłoby niekorzystnie wpływać na roboty dotychczas wykonane na budowie oraz na stan techniczny budynku istniejącego. Zalecono niezwłocznie wykonać w budynku nowo realizowanym ławy fundamentowe wraz z połączoną z nimi monolitycznie płytą żelbetową, a następnie konstrukcję całej części podziemnej budynku. W odniesieniu do budynku istniejącego zalecono zabezpieczenie ściągami stalowymi w poziomie stropu nad parterem i w poziomie stropu nad drugim piętrem. To zabezpieczenie zostało wykonane. Uszkodzenia budynku sąsiadującego z nowo realizowanym jednokondygnacyjnym garażem podziemnym Wpływ usterek wykonawczych na jakość użytkowania i estetykę garaży Projektując garaż podziemny, a w szczególności jego obudowę, należy brać pod uwagę tolerancje wykonania poszczególnych elementów konstrukcyjnych. W projektowaniu powinno się uwzględnić tolerancje wymiarów, w tym: odchylenia od pionu powierzchni ścian szczelinowych, lokalne wybrzuszenia jej powierzchni, przesunięcia w pionie wnęk w miejscu podparcia stropów kondygnacji podziemnych itp. Poza wymienionymi odchyłkami gabarytów, wynikającymi a b Fot. 7. Przykłady usterek wykonawczych ścian szczelinowych: a) przecieki przez ścianę szczelinową, b) przecieki przez strop w styku ze ścianami szczelinowymi 38 GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22)

8 Budownictwo podziemne z prawidłowej technologii wykonania, mogą również powstać odchyłki spowodowane usterkami realizacyjnymi. Te usterki można sklasyfikować jako usuwalne i trwałe (nieusuwalne). Usterki usuwalne zazwyczaj łatwo wyeliminować, stosując różnego rodzaju środki naprawcze, np. przecieki przez szczeliny dylatacyjne bądź robocze mogą być naprawiane odpowiednimi środkami iniekcyjnymi (fot. 7). Usterki nieusuwalne, jak np. większe odchylenie ściany szczelinowej od pionu niż wynikające z zakładanej tolerancji wykonania, mogą być przyczyną zmniejszenia gabarytów stanowisk postojowych, dróg manewrowych bądź pochylni wjazdowo-zjazdowych. W sytuacji nieuwzględnienia możliwości wystąpienia tego rodzaju usterek w rozwiązaniu projektowym, mogą wystąpić ograniczenia w sposobie użytkowania garażu i czasem znaczące utrudnienia w tym zakresie. Znane są przypadki zmniejszenia szerokości pochylni wjazdowych. Niekiedy trzeba wówczas zmienić sposób użytkowania pochylni wjazdowo-zjazdowej dwukierunkowej, z uwagi na zbyt małą ich szerokość, na jednokierunkową, z sygnalizacją świetlną do wyjazdu bądź wjazdu. Wnioski końcowe Projektowanie i realizacja budynków z wielokondygnacyjnymi częściami podziemnymi wiąże się z koniecznością rozwiązywania trudnych problemów inżynierskich [1 12]. Zdarzają się sytuacje, że nawet wszechstronna analiza projektowa często nie uwzględnia wszystkich czynników, które mogą wystąpić podczas realizacji prowadzonej w terenie intensywnie zurbanizowanym, silnie uzbrojonym i o zróżnicowanych warunkach hydrogeologicznych. Tego rodzaju inwestycje, stanowiące przeważnie zabudowę tzw. plombową, wymagają odpowiedniego przygotowania, a następnie prowadzenia robót budowlanych w celu zapewnienia bezpieczeństwa użytkowania istniejącej zabudowy sąsiedniej. Wybór technologii wykonywania części podziemnych i sposobu zabezpieczenia oraz podparcia ścian wykopu głębokiego musi być poprzedzony wieloma analizami mającymi przede wszystkim na celu dokonanie oceny wpływu projektowanej inwestycji na odkształcenia podłoża gruntowego. Projektowanie budynków, a zwłaszcza ich części podziemnej, w zabudowie zwartej należy powierzać wyspecjalizowanym projektantom, a realizację wykonawcom gwarantującym przestrzeganie reżimów technologicznych i wysoką jakość robót. Bardzo istotna jest też rola fachowego nadzoru inwestorskiego, a także nadzoru geotechnicznego i geodezyjnego. [4] Michalak H. Pęski S., Pyrak S., Szulborski K.: O diagnostyce zabudowy usytuowanej w sąsiedztwie wykopów głębokich. Inżynieria i Budownictwo, nr 6, [5] Michalak H.: Kształtowanie konstrukcyjno-przestrzenne garaży podziemnych na terenach silnie zurbanizowanych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Prace naukowe, seria architektura, zeszyt nr 2. Warszawa [6] Michalak H.: Przemieszczenia pionowe powierzchni terenu spowodowane budową garaży podziemnych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 4, [7] Michalak H.: Wybrane problemy projektowania garaży podziemnych na terenach zurbanizowanych. Inżynieria i Budownictwo, nr 11, [8] Michalak H.: Wybrane problemy projektowania i realizacji garaży podziemnych. Budownictwo Górnicze i Tunelowe, nr 2, [9] Szulborski K., Michalak H., Pęski S., Pyrak S.: Awarie i katastrofy ścian szczelinowych. Materiały XVI Ogólnopolskiej Konferencji Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji. PZITB Oddział w Krakowie, Ustroń [10] Szulborski K., Michalak H., Pęski S., Pyrak S.: Doświadczenia z realizacji budynku wysokiego Reform Plaza w Warszawie. Inżynieria i Budownictwo, nr 7 8, [11] Szulborski K., Pyrak S.: O katastrofie obudowy wykopu głębokiego pod budynek przy ul. Puławskiej w Warszawie. Inżynieria i Budownictwo, nr 12, Literatura: [1] Kłosiński B.: Projektowanie obudów głębokich wykopów. Materiały seminarium Głębokie wykopy na terenach wielkomiejskich. IDiM PW oraz IBDiM, Warszawa [2] Kotlicki W., Wysokiński L.: Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów. Instrukcja ITB nr 376/2002, Warszawa [3] Michalak H, Pęski S., Pyrak S., Szulborski K.: O wpływie wykonywania wykopów głębokich na zabudowę sąsiednią. Inżynieria i Budownictwo, nr 1, GEOINŻYNIERIA drogi mosty tunele 03/2009 (22) 39