О возможностях устройства подземных паркингов в историческом центре Санкт-Петербурга

Введение

Архитектурная красота и выразительность Санкт-Петербурга создавалась выдающимися архитекторами России и Европы. Многие из зданий исторической части города являются архитектурными шедеврами, не имеющими аналогов в Европе и в мире, что требует обеспечения их сохранности и деликатного и безопасного приспособления к современным условиям использования. Большое количество домов старой застройки, просуществовав более 100 лет, находятся на такой стадии эксплуатации, когда активно проявляются накопившиеся за длительный срок службы здания отказы. Так, например, может происходить разрушение несущих конструкций домов (стен, кровли, фундаментов), декоративных элементов фасадной и интерьерной отделки, проявляются деформации конструкций и здания в целом с образованием трещин.

Кроме того, за длительный период эксплуатации жилых зданий изменились и требования к условиям проживания, что привело к моральному износу жилых зданий старой застройки. Устранение факторов физического и морального износа жилых зданий старой застройки происходит при их капитальном ремонте и реконструкции. В случае объектов культурного наследия – это приспособление под современное использование.

Освоение подземного пространства жилых домов и дворовых территорий на рубеже XIX–XX веков осуществлялось путем создания подвальных помещений, имеющих складское и техническое назначение. Толчком к этому послужило появление так называемых «подвесных дворов», функциональным назначение которых было складирование угля и дров для отапливания домов.

Подвесные дворы представляют собой подземное пространство различной высоты (от 2,0 м до 2,4 м), находящееся под дворовой поверхностью. Как правило, стены и колонны подвесного двора сложены из бутового камня или кирпича, а перекрытия выполнены в виде металлических балок, по которым устроены кирпичные или бетонные своды. Как показывают результаты технического обследования ряда подвесных дворов, все несущие конструкции перекрытий в них находятся в аварийном состоянии и требуют противоаварийного и капитального ремонта.

Востребованным и оправданным действием по повышению инвестиционной привлекательности и качества жизни горожан, проживающих в центральных районах города, являются подземные парковки, строительство которых, по сути, должно заменить имеющиеся подвесные дворы с созданием зон комфортного пребывания за счет исключения парковок автомобилей во дворах.

Анализ инженерно-геологических, строительных условий

В геологическом строении рассматриваемых участков реконструкции с устройством подземной парковки принимают участие характерные для центральной части города напластования. По данным бурения и статического зондирования до глубины 45,00 м принимают участие: современные техногенные образования (tIV), представленные насыпными грунтами (ИГЭ–1); биогенные отложения (bIV), представленные заторфованными грунтами (ИГЭ–2); озерно-морские отложения (lmIV), представленные песками пылеватыми, плотными, с прослоями супесей (ИГЭ–3), супесями пластичными, с прослоями суглинков текучепластичных (ИГЭ–4); верхнечетвертичные отложения (QIII) озерно-ледникового (lgIII) генезиса, представленные суглинками текучими, с прослоями текучепластичных, ленточными и слоистыми (ИГЭ-5), супесями пластичными (ИГЭ-6); верхнечетвертичные отложения (QIII) ледникового (gIII) генезиса, представленные супесями пластичными (ИГЭ-7, 8), суглинками полутвердыми с прослоями тугопластичных (ИГЭ–9); среднечетвертичные отложения (QII) озерно-ледникового (lgII) генезиса, представленные супесями пластичными (ИГЭ-10); вендские отложения котлинского горизонта (V2kt), представленные глинами твердыми (ИГЭ-11).

По составу и физико-механическим свойствам на исследуемом участке выделяется 11 инженерно-геологических элементов (ИГЭ) в соответствии с ГОСТ 25100–95 и ГОСТ 20522–96.

С поверхности залегают слежавшиеся насыпные грунты (ИГЭ-1) (tIV): пески разной крупности, перемешанные со строительным мусором, с обломками древесины, бута и кирпичей, влажные и насыщенные водой. Срок отсыпки более 15 лет. Насыпные грунты повсеместно распространены и имеют мощность от 1,80 до 3,80 м.

Под насыпными грунтами залегают биогенные отложения (bIV), которые представлены заторфованными грунтами (ИГЭ-2), серовато-черными, насыщенными водой, с мощностью слоя 0,40-1,40 м.

Ниже по глубине залегают озерно-морские отложения (lmIV), представленные песками пылеватыми, плотными и супесями пластичными, с прослоями суглинков текучепластичных по консистенции. К озерно-морским отложениям относятся: пески пылеватые, неоднородные, плотные, серые, с прослоями супесей, насыщенные водой, с примесью органических веществ (ИГЭ-3), которые залегают на глубине 1,80–4,80 м и имеют распространение по мощности слоя от 1,60 до 3,70 м; супеси пластичные, пылеватые, с прослоями суглинков текучепластичных, легких пылеватых, тиксотропные, серые, с прослоями песков пылеватых, насыщенных водой (ИГЭ-4), залегающие на глубине 5,70–8,00 м и имеющие мощность от 3,10 до 3,80 м.

Верхнечетвертичные отложения (QIII) представлены озерно-ледниковыми отложениями (lgIII)в виде суглинков текучих и текучепластичных, ленточных и слоистых, супесей пластичных. Залегают повсеместно на участке изысканий под озерно-морскими отложениями (lmIV). Суглинки текучие и текучепластичные, ленточные и слоистые, тиксотропные, коричневато-серые, с прослоями песков пылеватых, насыщенных водой, (ИГЭ-5) залегают на глубине 9,20–11,20 м и имеют мощность от 2,00 до 5,90 м.

Ниже по разрезу залегают супеси пластичные, пылеватые, тиксотропные, серые, с прослоями песков пылеватых, насыщенных водой, с единичными включениями гравия и гальки (ИГЭ-6). Они вскрыты на глубине 11,50–17,10м, толщина слоя указанных грунтов составляет 1,90–3,90 м.

Верхнечетвертичные ледниковые отложения (QIII) распространены на исследуемой территории под верхнечетвертичными озерно-ледниковыми отложениями (lgIII), представлены супесями пластичными и суглинками полутвердыми, с прослоями тугопластичных.

По гранулометрическому составу, физико-механическим свойствам и результатам статического зондирования супеси пластичные разделены на ИГЭ-7 и ИГЭ-8. ИГЭ-7 представляет собой супеси пластичные, песчанистые, серые, с прослоями песков разной крупности, насыщенных водой, с гравием и редкой галькой до 10–15%. Они залегают на глубине от15,30 до 19,00 м и имеют мощность слоя от 3,00 до 5,20 м; ИГЭ-8 представлен супесями пластичными, пылеватыми, серыми, с прослоями песков разной крупности, насыщенных водой, с редким гравием и редкой галькой. Залегает на глубине от 18,50 до 22,00 м и, соответственно, имеет мощность от 2,20 до 2,50 м.

Ниже по глубине залегания расположены суглинки полутвердые, с прослоями тугопластичных, легкие пылеватые, серые, с прослоями супесей пластичных, пылеватых, с прослоями песков пылеватых, насыщенных водой, с гравием и галькой до 5–10% (ИГЭ-9). Кровля указанных суглинков вскрыта на глубинах 21,00–24,30 м. Указанный слой имеет мощность от 5,70 до 12,70 м.

Среднечетвертичные отложения (QII) в виде озерно-ледниковых отложений (lg II) представлены супесями пластичными и развиты под верхнечетвертичными ледниковыми (gIII) отложениями, представлены супесями пластичными, серыми, с прослоями песков пылеватых, насыщенных водой, с единичными включениями гравия и гальки (ИГЭ-10), вскрыты на глубинах 32,50–34,00 м, вскрытая мощность 0,70–2,50 м.

Верхнепротерозойские отложения Вендская система (V) Котлинского горизонт, а (Vkt) представлены глинами твердыми. И вскрыты по данным инженерно-геологических изысканий под среднечетвертичными озерно-ледниковыми отложениями. Они представлены глиной твердой, тяжелой пылеватой, зеленовато-серой, с прослоями песков пылеватых, влажных (ИГЭ-11). Вскрыты на глубине 35,10 м, вскрытая мощность составила 9,90 м.

Типичный инженерно-геологический разрез центральной части города, нормативные и расчетные характеристики грунтов основания приведены на рисунке 1 и в таблице 1.

 

 

 

Гидрогеологические условия характеризуются наличием подземных вод, приуроченных к комплексу четвертичных отложений – к современным насыпным (tIV) грунтам, к заторфованным грунтам (bIV), к современным озерно-морским (lmIV) пескам и к прослоям песков в супесях и суглинках озерно-ледникового (lgIII) и ледникового (gIII) генезиса.

Безнапорные подземные воды на участке вскрыты на глубинах 1,80–3,80 м, что можно соотнести со среднегодовым уровнем расположения подземных вод. Питание грунтовых вод осуществляется за счет инфильтрации осадков и подпора воды со стороны рек и каналов, расположенных вблизи исследуемой территории в периоды нагонных явлений. Максимальная многолетняя амплитуда колебания уровня подземных вод составляет 1,50–1,80 м (данные «Материалы отчетов о режиме подземных вод Ленинградского артезианского бассейна за 1987, 1990 г.» изд.1991 г). В неблагоприятные периоды года (периоды дождей и снеготаяния, а также подпорных явлений) максимальные уровни подземных вод можно ожидать на глубине около 1,0 м.

 

Особенности устройства фундаментов старых зданий в центральной части Санкт-Петербурга

При строительстве зданий в Санкт-Петербурге в XVIII–XIX веках и в начале XX века основными нормативными документами были Строительное уложение Петра Великого (1710 г.), Новое строительное уложение (1820 г.) и Урочное положение Рошефора (1889 г.).

Строительство города в XVIII веке осуществлялось на территориях современных Центрального, Петроградского, Василеостровского и Адмиралтейского районов, инженерно-геологические условия которых характеризуются значительными напластованиями слабых водонасыщенных пылевато-глинистых грунтов, перекрытых с поверхности дельтовыми наносами р. Невы, представленными песчаными разностями с прослоями органических включений – торфов и илов.

До конца XIX века наиболее распространенной конструкцией фундаментов зданий являлась конструкция из бута (известнякового камня), который укладывали по деревянным бревнам (лежням) из хвойных пород.

Глубина заложения подошвы обследованных фундаментов составляла от 1,5 м до 5,0 м в зависимости от грунтовых условий, местоположения здания, наличия подвального помещения и его функционального назначения. Следует отметить ряд закономерностей устройства фундаментов, характерных для построек в период XVIII – начала XX веков. Они получены на основе результатов технического обследования 64 зданий, характерных для указанного периода в центральной части Санкт-Петербурга. Так, для фундаментов на естественном основании для каменных зданий с этажностью 2–6 этажей опорном слоем являлись пески разной крупности (56%) и пылевато-глинистые грунты (44%). Фундаменты 82% зданий выполнены из бута, гранитных и известняковых камней, а 18% – из обожжённого кирпича. Под фундаментами 22 зданий (34%) обнаружены деревянные лежни, а под 9 домами – деревянные сваи (14%). Ширина подошвы обследуемых зданий изменяется от 0,5 до 2,8 м для фундаментов на песчаном основании и от 0,8 до 2,3 м для пылевато-глинистых грунтов и зависит от этажности здания. Наиболее распространенной является глубина заложения фундаментов от 1,5 до 2,0 м (44% фундаментов на песчаных основаниях; 53% – на пылевато-глинистых грунтах).

Сопоставление реального усредненного давления P, действующего по подошве фундаментов обследованных зданий, с величинами допускаемых давлений на грунт основания, регламентируемых современными нормами, в частности значением R, позволило выявить следующие особенности для фундаментов зданий, построенных в центральной части Санкт-Петербурга: в 62% случаев при наличии в основании фундаментов песчаных грунтов давление по подошве фундаментов превышает допускаемое нормативное давление R, а при наличии пылевато-глинистых оснований превышение давлений по подошве фундаментов составляет 34%.

Таким образом, для старых зданий Санкт-Петербурга соотношение фактического давления к расчетному сопротивления грунта, полученному по формуле СП 22.13330.2016 (СНиП 2.02.01-83) имеет запас несущей способности грунтов основания лишь в 24% случаев для песчаных оснований и в 33% для пылевато-глинистых грунтов, что указывает на наличие перегруженного основания в соответствии с современными нормами (рис.2).

 

 

Анализ геотехнологий устройства подземных сооружений в условиях плотной исторической застройки

При выполнении работ в стесненных условиях, при высоком уровне подземных вод, а также при необходимости крепления стен котлована по расчету, возможно использование крепления стен распорной, закладной крепью, шпунтовыми стенами, конструкцией «стена в грунте», секущимися и касательными буровыми сваями, стен ами из закрепленного грунта.

Следует отметить, что технические решения по строительству подземных сооружений открытым способом полезно рассматривать как комплексные, с включением в их состав технологии крепления котлована, разработки грунта с последующим возведением собственно конструкций сооружения, а также с инженерными мероприятиями по защите котлована и подземного сооружения от подземных вод, превентивными мероприятиями по обеспечению сохранности близлежащей существующей застройки, а также обеспечивать выполнением экологических требований по охране окружающей среды.

Обоснование всех технических решений обеспечивается математическим моделированием геотехнической ситуации с использованием программных комплексов PLAXIS, ING+, Sofistik, проектными расчетами напряженно-деформированного состояния ограждающих конструкций и вмещающего массива грунтов вместе с примыкающими к котловану зданиями и сооружениями, с учетом гидрогеологической ситуации и оценкой возможного технологического влияния ведения геотехнических работ на существующую застройку.

На выбор технологии возводимого открытым способом подземного сооружения решающее значение оказывают следующие факторы:

• габариты подземного сооружения в плане и по глубине;
• месторасположение подземного сооружения (строительство на свободной территории или в условиях тесной существующей застройки);
• инженерно-геологические и гидрогеологические условия участка строительства;
• необходимость соблюдения экологических требований по охране окружающей среды;
• экономические соображения;
• возможности строительной подрядной организации.

При проектировании подземных сооружений в районах существующей застройки следует выполнять геотехнический прогноз (геотехническое обоснование) влияния строительства на изменение напряженно-деформированного состояния грунтового массива и деформации существующих зданий и сооружений.

Конструкция и технология устройства ограждения при строительстве подземного сооружения открытым способом должны удовлетворять следующим основным требованиям:

• обеспечивать устойчивость стен котлована в процессе и после полной разработки грунта;
• воспринимать нагрузку от сооружения, если ограждение входит в состав конструкции подземного сооружения;
• обеспечивать водонепроницаемость, если невозможно или экономически нецелесообразно водопонижение;
• должна быть предусмотрена многократная оборачиваемость элементов крепи, если ограждение является временным;
• крепление не должно загромождать котлован, мешать выемке и обратной засыпке грунта и монтажу основных конструкций;
• обеспечивать сокращение материалоемкости, трудоемкости и сроков строительства;
• обеспечивать сохранность эксплуатируемых наземных и подземных объектов, попадающих в зону влияния строящегося подземного сооружения;
• обеспечивать соблюдение экологических требований (соблюдение допустимых норм по шуму, вибрации, защите окружающей среды).

При проектировании ограждений в водонасыщенных грунтах глубину заложения конструкций ограждения котлована следует назначать с учетом возможности их заделки в водоупорный слой (с целью обеспечения производства работ по экскавации грунта без водопонижения).

При проектировании ограждений котлованов в грунтах, подверженных морозному пучению, следует предусматривать мероприятия по предотвращению проявления или по снижению сил морозного пучения. К таким мероприятиям относятся:

• теплоизоляция подпорной стены;
• понижение влагосодержания в пределах сезонно промерзающего слоя;
• обработка пучинистого грунта растворами, понижающими температуру его замерзания;
• повышение податливости конструкций подпорной стены для снижения сил морозного пучения.

Конструкции ограждения котлованов, а также основания подземных сооружений рассчитываются по двум группам предельных состояний.

Первая группа предусматривает выполнение следующих расчетов:

• устойчивости положения стены против сдвига, опрокидывания и поворота;
• устойчивости, несущей способности и местной прочности основания;
• прочности элементов конструкций и узлов соединения;
• несущей способности и прочности анкерных элементов;
• устойчивости и прочности распорных элементов;
• фильтрационной устойчивости основания.

Вторая группа предельных состояний предусматривает выполнение таких расчетов, как:

• основания, подпорных стен и их конструктивных элементов по деформациям, в том числе с определением горизонтальных смещений;
• железобетонных элементов конструкций стен по раскрытию трещин.

При конструкции ограждения котлованов, устраиваемой по технологии «стена в грунте», устраиваемой с использованием плоского гидравлического грейфера, следует выполнять расчет устойчивости стенок траншеи, заполненной бентонитовым раствором.

При определении контактных напряжений и бокового давления грунта на конструкции ограждений котлованов необходимо учитывать:

• внешние нагрузки и воздействия на грунтовый массив, такие как пригрузка от складируемых материалов, нагрузка от строительных механизмов, транспортная нагрузка на проезжей части, нагрузка, передаваемая через фундаменты близрасположенных зданий и сооружений, и пр.;
• инженерно-геологические и гидрогеологические условия площадки;
• наклон поверхности грунта, неровности рельефа и отклонение границ инженерно-геологических элементов от горизонтали;
• возможность устройства берм и откосов в котловане в процессе производства работ;
• прочностные характеристики на контакте «стена – грунтовый массив»;
• деформационные характеристики подпорной стены, анкерных и распорных элементов;
• порядок и технологию производства работ;
• возможность перебора грунта в процессе экскавации;
• дополнительные давления на подпорные стены, вызванные пучением, набуханием грунтов, а также проведением работ по нагнетанию в грунт растворов, тампонажу и пр.;
• температурные и динамические (вибрационные) воздействия.

Ограждения котлованов могут быть закреплены одним или несколькими ярусами распорок или анкеров. Число ярусов распорных конструкций и технические параметры грунтовых анкеров определяются расчетом в зависимости от высоты конструкции закрепляемой ограждающей стенки и грунтовых условий. Тип анкера должен назначаться исходя из расчетной выдергивающей нагрузки, вида грунтов и условий производства работ.

С 90-х годов прошлого столетия в инженерной практике стали применяться ограждения котлованов из бурокасательных и буросекущихся свай.

Ограждение котлованов из бурокасательных или отдельно стоящих свай выполняют при условии, когда уровень подземных вод находится ниже дна котлована.

Для устройства самих свай применяются различные технологии (рис. 3). Наиболее распространенным способом изготовления свай являются буровые, выполняемые под защитой инвентарной обсадной трубы, с армированием пространственным арматурным каркасом.

 

 

В зависимости от особенностей грунтового массива применяют следующие способы бурения скважин для устройства буронабивных свай в слабых грунтах:

• вращательное бурение с использованием трехшарошечных долот или ковшебура с формированием скважины под защитой бентонитового (глинистого) раствора;
• вращательное (роторное) бурение с обеспечением устойчивости стенок скважины под защитой обсадных труб – в глинистых грунтах от мягкопластичной до твердой консистенции, песках средней крупности и крупных;
• иногда, при наличии напорных горизонтов подземных вод, используют сочетание в виде крепления стенок скважины обсадными трубами, но при этом скважина заполняется бентонитовым раствором для создания противодавления и исключения выноса водонасыщенных грунтов в скважину.

Для исключения деформаций при производстве работ вблизи расположенных эксплуатируемых зданий во избежание возможного излишнего отбора и, соответственно, разуплотнения грунта в затрубном пространстве вследствие текучего состояния и выдавливания его внутрь обсадных труб при проходке скважин, следует обеспечивать опережающую обсадку трубами забоя скважины (сохранение пробок грунта, величина которой принимается по расчету, но не менее 3,0–4,0 м), а при необходимости дополнительно осуществлять пригрузку забоя глинистым раствором или водой.

Буронабивные сваи при создании ограждения котлована изготавливаются в следующей последовательности: вначале изготавливают скважину, в которой, как правило, отсутствует металлический каркас – это так называемые первичные сваи. Такие сваи изготавливаются чередованием через одну, по периметру котлована, после чего изготавливаются секущиеся сваи, которые врезаются в бетонные сваи и создают, таким образом, замкнутую конструкцию ограждения котлована, при этом в скважины вторичных, секущихся свай, выполненных под защитой обсадных труб, устанавливается арматурный каркас, после чего скважину заполняют бетонной смесью через установленные на забой вертикально-перемещаемые бетонолитные трубы (метод ВПТ). Затем происходит извлечение инвентарных обсадных труб. Более совершенной и рациональной технологией является технология использования бурового оборудования по технологии двойного вращения – Double Rotary, когда одновременно используется обсадная труба и непрерывный полый шнек, через отверстия в котором скважина заполняется бетоном в процессе бурения, а каркас погружается в литой бетон при помощи виброзадавливания (рис. 4).

Для устройства ограждений котлованов, как правило, применяют секущиеся сваи диаметром от 0,30 до 1,2 м.

 

 

Для обеспечения качественного изготовления конструкции ограждения котлована при устройстве буросекущихся и бурокасательных свай существенным условием является изготовление монолитной форшахты (направляющего шаблона), включающее в себя работы по откопке траншеи на глубину слоя насыпного грунта, установку опалубки, армирование конструкции и ее бетонирование.

Устройство ограждения котлована из буросекущихся и бурокасательных свай имеет ряд преимуществ:

• возможность использования в качестве основания прочных грунтов, залегающих на большой глубине;
• возможность устройства свай разной длины, опирающихся на необходимой отметке при резко пересеченном рельефе кровли прочных грунтов, принятых за основание свай;
• возможность устройства ограждений стен котлованов, когда уровень подземных вод залегает выше уровня дна котлована;
• большая жесткость и прочность, возможность воспринимать вертикальные нагрузки с передачей на одну сваю большого диапазона нагрузок (1000–10000 кН);
• возможность устройства свай большого диаметра (по сравнению с забивными сваями), что значительно улучшает работу свай на горизонтальную нагрузку;
• повышение надежности сооружений за счет уменьшения общих и неравномерных осадок;
• исключение подвижки и деформации грунтового массива и расположенных поблизости зданий за счет повышенной жесткости свай;
• возможность устройства свай без армирования в нижней ее части, где отсутствует передача моментов и горизонтальных сил;
• низкое технологическое влияние на окружающие здания при наличии специального алмазного инструмента при устройстве секущихся свай;
• отсутствие существенных вибраций и сотрясений в процессе производства работ;
• высокая технологичность.

В последние десятилетия для крепления стен котлованов используется технология Джет-граутинг (Jet-grouting) или струйная технология. Суть данного способа крепления стенок котлована заключается в перемешивании грунта с закрепляющим раствором при частичном или полном замещении грунта раствором с помощью высоконапорной инъекции.

При последовательном формировании соседних грунтоцементных элементов Jet-технология применяется для устройства вертикальных экранов из грунтоцементных свай, которые, работая в составе ограждений котлованов, могут иметь армирование металлическими элементами из труб или двутавровых балок. Конструкция ограждения котлована может выполняться из одного ряда секущихся грунтоцементных свай (например, диаметром 800 мм с шагом 650 мм) или с расположением свай меньшего диаметра в два ряда в шахматном порядке. Для крепления такого ограждения также могут быть применены грунтоцементные сваи, наклоненные под углом 30–45° к вертикали. Сваи ограждения и крепления объединяются поверху монолитной железобетонной обвязочной балкой. Для повышения устойчивости стен, выполненных методом струйной цементации, применяют их армирование стальными трубами диаметром 500–600 мм или прокатными балками (h = 50–60 мм), располагаемыми с шагом 1,5–2 м вдоль стены (рис. 5).

 

 

Шпунтовые ограждения котлованов в условиях плотной городской застройки могут устраиваться из металлических, железобетонных, пластиковых и деревянных элементов, как плоских, так и сложной формы, и различного профиля, которые погружаются в грунт вибропогружением или вдавливанием, в том числе и в лидерные скважины (рис.6).

 

 

Для глубоких и больших в плане котлованов в инженерной практике широко используется стальной шпунт различного профиля. Наибольшее распространение получили стальные профили U-, Z-, H- образного поперечного сечения. В некоторых случаях используются шпунтовые сваи сложной формы, трубошпунт, в виде полутрубы, а также плоские шпунтовые элементы.

Стальные профили снабжены замковыми захватами по краям, что позволяет фиксировать один элемент относительно другого в вертикальном положении. Основными марками шпунта, представленными на рынке, являются «Ларсен», «Арселор», «Тиссон Крупп». Важным достоинством стального шпунта является способность воспринимать не только давление грунта, но и при устройстве гидрозамков – гидростатическое давление, являясь одновременно противофильтрационной завесой.

При глубинах котлованов до 6 м устойчивость шпунта может быть обеспечена только за счёт заделки в слои грунта ниже дна котлована (консольная стена). При большей глубине котлованов или при установленной расчётом необходимости погружения шпунта до глубины более двух глубин котлованов применяется дополнительное распорное или анкерное крепление шпунтовых стен.

В практике строительства подземных сооружений в европейских странах и Санкт-Петербурге имеется опыт использования металлического шпунта с последующей специальной обработкой в качестве ограждающей конструкции подземного паркинга. Следует, однако, принимать во внимание, что шпунтовая стена относится к гибким видам крепления, поэтому ее целесообразно использовать при отсутствии вблизи бровки котлована значительных нагрузок.

В последнее время нами активно используется для ограждения котлованов способ «стена в грунте», который является одним из наиболее прогрессивных и универсальных для устройства подземных сооружений, возводимых в открытых котлованах.

В общем случае технология устройства монолитного ограждения по способу «стена в грунте» состоит из следующих технологических этапов:

• разработка траншеи под защитой глинистого раствора;
• установка арматурного каркаса;
• заполнение траншеи бетонным раствором;
• разработка грунта в ядре сооружения с замоноличиванием стыков и устройством распорных конструкций;
• устройство днища внутренних конструкций.

Технология изготовления конструкций ограждения котлованов «стена в грунте» позволяет осуществлять строительство:

• в непосредственной близости от существующих зданий и сооружений;
• при значительной глубине сооружения (до 50 м);
• при больших размерах в плане и сложной форме сооружения;
• при высоком уровне подземных вод.

По грунтовым условиям «стена в грунте» может применяться в любых дисперсных грунтах за исключением:

• текучих глинистых грунтов, илов и плывунов;
• при наличии подземных вод с большими скоростями фильтрации.

При производстве работ захватки отделяются друг от друга инвентарными ограничителями, которые представляют собой железобетонные элементы с смонтированными в них гидрошпонками. После того как экскавация захватки доводится до проектной отметки, в нее погружается пространственный арматурный каркас. Далее в траншею погружается бетонолитная труба, через которую в траншею подается бетонная смесь, вытесняющая на поверхность находящийся в захватке бентонитовый раствор.

 

 

Таким образом, бетонирование осуществляется снизу-вверх в процессе подъема бетонолитной трубы. После набора необходимой прочности бетона начинается устройство соседней захватки.

По нашему мнению, «стена в грунте» в современных условиях является наиболее универсальной конструкцией, используемой в подземном строительстве для устройства ограждения котлованов и защиты от подземных вод. Оборудование, используемое в Санкт-Петербурге, способно устраивать траншейные стены глубиной до 70 м и шириной от 400 до 1200 мм.

Для обеспечения устойчивости ограждения котлована используются различные удерживающие системы, основными из которых являются подкосы, распорные конструкции, грунтовые анкера, технология откопки котлована «Top-Down».

Подкосы применяются для крепления ограждений широких котлованов. Способ применяется при невозможности устройства грунтовых анкеров, а также для снижения стоимости строительства. По высоте подкосы могут устанавливаться в один или два ряда. Главным недостатком является сложность производства земляных работ вблизи подкосных раскреплений.

Наиболее распространенным в настоящее время способом крепления ограждений котлованов при строительстве открытым способом является устройство временной распорной системы из металлических элементов. В качестве распорных элементов обычно используют стальные трубы или прокатные профили (рис.8).

 

 

 

В глубоких котлованах распорные системы устанавливаются в несколько ярусов. Отметки установки ярусов распорок выбираются из статического расчета конструкции с учетом удобства их последующего демонтажа. Для этого распорки располагают несколько выше постоянных перекрытий в подземной части проектируемого сооружения. Шаг установки распорных элементов в плане, как правило, находится в диапазоне от 4 до 8 м. Так как распорки передают на ограждение значительные сосредоточенные нагрузки, устройство металлических или железобетонных распределительных поясов в уровне установки распорок является обязательным.

Строительство подземных и заглубленных сооружений в стесненных городских условиях часто ведется с помощью закрытого или полузакрытого способа устройства котлована по технологии «Top-Down» (сверху-вниз), позволяющего минимизировать влияние строительства на природное напряженно-деформированное состояние грунтового массива.

Данный способ предполагает устройство с поверхности земли или с промежуточных отметок в котловане временных или постоянных опор внутри контура сооружения, поддерживающих перекрытия подземной части здания, бетонируемых по грунту и воспринимающих распор от ограждения котлована. Экскавация грунта в котловане производится из-под перекрытий через технологические проемы. Нижележащие перекрытия бетонируются последовательно по мере удаления грунта. В случае применения временных опор, поддерживающих перекрытия, они демонтируются после возведения фундаментной плиты и постоянных колонн или несущих стен, бетонируемых снизу-вверх.

 

 

В качестве ограждения котлована при строительстве по технологии «Top-Down» обычно используют «стену в грунте», способную воспринять вертикальные нагрузки от веса подземных перекрытий.

Возможны две схемы выполнения работ комбинированным методом. Для первой схемы характерно, что устройство участков дисков перекрытий по периметру осуществляется в процессе поэтапной экскавации котлована.

Вторая схема предполагает сохранение грунтовой призмы по контуру котлована, строительство центральной части сооружения снизу-вверх, поэтапную экскавацию грунта в контурной зоне котлована с одновременным объединением центральных фрагментов перекрытий с периметральными, устраиваемыми поэтапно на поверхности грунтовой призмы.

Эти методы строительства являются наиболее щадящими по отношению к близлежащей существующей застройке, обеспечивая минимальные, по сравнению с другими способами крепления котлованов, осадки существующих зданий и сооружений.

При способе строительства подземных сооружений «сверху-вниз» (полузакрытый способ) могут быть использованы три основных технологических приема, определяющих порядок возведения монолитных железобетонных перекрытий и поярусной разработки грунта под их защитой. Так, первый прием базируется на опережающем возведении перекрытий по отношению к поярусной разработке грунта в котловане, при этом бетонирование перекрытий осуществляется безопалубочным методом непосредственно на подготовленном грунтовом основании. Второй прием предполагает опережающую поярусную разработку грунта и последующее возведение перекрытий с помощью инвентарной опалубки, опирающейся на подг отовленное грунтовое основание.

 

Основные системы паркингов для плотной городской застройки центра города

Исходя из анализа мирового опыта, для Санкт-Петербурга целесообразно выделить следующие факторы, определяющие востребованность паркингов:

1. социально-экономический – он характеризуется расслоением населения по уровню материального достатка, использованием транспортного средства в качестве источника семейного дохода, большим рынком транспортных средств. Проблема размещения и хранения автотранспорта остро назрела и остается острой с начала 90-х годов;
2. градостроительный – характеризуется высокой компактностью застройки в городах, малой пропускной способностью улично-дорожной сети, особенно в центральных районах в условиях резко возрастающих потоков движения автотранспорта, острым дефицитом свободных для застройки селитебных территорий, слабо развитой инфраструктурой обслуживания, недостатком мест автостоянок для временного и постоянного хранения в радиусе нормативной доступности;
3. природно-климатический – характеризуется рядом аспектов:

• климатическим, что характеризуется продолжительным холодным периодом года и снегоотложениями, снижающими пропускную способность улиц и затрудняющую эксплуатацию открытых стоянок;
• инженерно-геологическим, определяющимся активным рельефом, грунтовой неоднородностью, наличием значительных по площади заторфованности территорий, высоким уровнем грунтовых вод;

1. научно-технический, который обуславливается развитием научно-технического процесса в автомобильной промышленности и строительстве. Повышающиеся требования к топливу для легковых автомобилей и их качественное совершенствование, интенсивность использования снижают негативные влияния от транспортных средств;
2. техногенный, что обуславливается быстрыми темпами загрязнения городской среды многочисленными и разнообразными источниками. Загрязнение воздуха (его доля больше 70% в крупных городах), уровень шума, загрязнение почвы и воды – следствие интенсивного использования автомобилей.

Эти факторы делятся на две группы: изменяемые и относительно стабильные. К первой группе относятся социально-экономические, техногенные, научно-технологические, ко второй группе – природно-климатические и градостроительные.

Возведение многоэтажных подземных паркингов оправдано в тех случаях, когда исчерпаны возможности создания наземных автостоянок, при этом освобождающиеся площадки могут быть использованы для улучшения среды пребывания горожан с созданием скверов, парков или рекреаций для отдыха.

Способ перемещения по вертикали в подземных многоярусных паркингах является определяющей характеристикой, позволяющей провести систематизацию различных типов сооружений. Так, по способу перемещения автомобиля возможна следующая классификация паркингов:

• подземные паркинги с рампами (автомобиль перемещается по вертикали собственным ходом);
• механизированный и полуавтоматизированный паркинг (автомобиль перемещается как собственным ходом, так и с помощью специальных механических или гидравлических приспособлений;
• автоматизированный паркинг (автомобиль перемещается с помощью лифта и подающих автоматизированных платформ).

В качестве аналогов применения автомобильных парковок рассмотрим опыт европейских стран. Так, распространение в Европе имеют системы многоуровневых автоматизированных парковок TREVIPARK.

 

 

Несомненный интерес и достаточно активное внедрение в России получили автоматизированные системы парковочные системы NUSSBAUM SQUAREPARKER, которые являются оптимальным решением для полностью автоматической парковки транспортных средств на 1–4 уровнях.

 

 

Обеспечение безопасности геотехнического строительства в условиях плотной городской застройки

Выявить развитие неблагоприятных тенденций в период производства работ нулевого цикла, возведения сооружения и в первый период его эксплуатации позволяет регулярное инструментальное наблюдение и оперативное управление ходом работ – геотехнический мониторинг (геомониторинг). Цели и задачи геомониторинга определяются программой и оценкой геотехнической сложности условий строительства и объекта. Задачами геомониторинга является регулярное отслеживание поведения строящегося сооружения и окружающих его зданий, а также принятие мер по обеспечению дальнейшего безопасного строительства, вплоть до его остановки. В зависимости от грунтовых и гидрогеологических условий площадки, капитальности и сложности возводимого сооружения, состояния конструкций окружающих зданий, применяемой технологии производства работ нулевого цикла определяется зона действия геомониторинга и намечается программа его проведения.

Основными методами геомониторинга являются:

• наблюдение за раскрытием трещин в существующих зданиях;
• наблюдение за вертикальными и горизонтальными деформациями конструкций строящихся и существующих зданий и сооружений;
• определение изменения напряженного состояния в массиве грунтов и конструкциях наблюдаемых зданий и сооружений;
• фиксация параметров колебаний конструкций наблюдаемых объектов и возникающих динамических колебаний в грунте;
• контроль за изменением уровня подземных вод;
• контроль за качеством выполнения сваебойных работ при устройстве забивных свай и соблюдением технологического регламента при изготовлении свай в грунте (буронабивных и буроинъекционных);
• контроль за качеством выполнения монолитных бетонных и железобетонных конструкций;
• контроль за качеством выполнения земляных работ (технологии откопки котлована и крепления его стенок, водопонижения, устройства искусственного основания, обратной засыпки и т.п.);
• технический контроль за состоянием возводимых конструкций.

Проведение геомониторинга может быть разделено на три основных этапа:

1. Подготовительный период – включающий в себя планирование зоны мониторинга (здания, сооружения и отдельные конструкции, предполагаемые к регулярному наблюдению) и установку оборудования для регулярных инструментальных наблюдений.

2. Рабочий строительный период – период регулярного наблюдения за выделенными объектами мониторинга и корректировка технологических строительных мероприятий.

3. Послестроительный период – продолжение наблюдений за объектами, получившими наиболее опасные деформации строительных конструкций (продолжительность этого периода зависит от состояния конструкций объектов мониторинга и его целей).

 

Геотехническое обоснование устройства подземных парковок, прилегающих к зданиям старой застройки и объектам культурного наследия

С целью обоснования устройства подземных паркингов в центральной части Санкт-Петербурга были рассмотрены реальные площадки возможного строительства, расположенные в исторической застройке: дом №46 на Литейном проспекте и дом №24 на Кирочной улице.

История дома №46 по Литейному проспекту неразрывно связана с градостроительной историей города – в первой половине XVIII века на территории дома находилась слобода Преображенского полка, здесь стояли казармы и квартировались солдаты и офицеры полка. В начале XX века дом был основательно реконструирован. К дому по проекту А.С. Хренова были пристроены монументальные жилые корпуса, между которых был разбит сад овальной формы.

Для размещения и устройства во дворе подземного паркинга потребуется откопать котлован с габаритными размерами в плане 36Ч42 м. Здание паркинга проектируется 1 подземным этажом с высотой этажа в свету – 4,4 м. Толщина нижней плиты пола – 1000 мм; толщина пирога инверсионной кровли с учётом плиты покрытия – 2000 мм. Паркинг оборудован двумя эксплуатируемыми лестничными выходами. Въезд и выезд в паркинг и из него осуществляется с помощью пандусов.

 

 

На данной площадке, при оборудовании полуавтоматизированной парковкой Nussbaum возможно разместить 56 автомобилей на двух уровнях.

 

 

Конструктивная схема сооружения – смешанная. В помещении паркинга устраиваются колонны, лестничные клетки и шахты лифтов имеют стены, которые опираются на плитно-свайный фундамент. Диаметр буронабивных свай – 800 мм, длина свай-колонн – 25 м. Ограждение котлована предусматривается в варианте из слабосекущихся буронабивных свай. Диаметр свай принят 880 мм, длина свай – 25 м.

Сваи опираются на слой суглинков твёрдых (ИГЭ-9): модуль деформации

; угол внутреннего трения сцепление .

 

 

 

 

В расчетах учтено наличие рядом с устраиваемым котлованом зданий существующей застройки. Фундаменты примыкающих зданий превентивно закреплены инъекцией с созданием однородного закрепленного массива грунта до глубины 5,0 м от уровня подошвы фундамента.

Расчетом моделировалось устройство ограждения котлована в виде устройства СВГ из буросекущихся свай диаметром 880 мм по периметру котлована, имеющего размеры в плане 42Ч36 м

на глубину 25 м. Работы выполняются из пионерного котлована глубиной 1,0 м.

Глубина откопки котлована принята 7,2 м из условия восстановления зеленых насаждений в садовой части здания с созданием слоя грунта на поверхности паркинга 2,0 м.

Работы предполагается выполнять по технологии «Top-Down». В конечной фазе расчетов выполнена оценка деформаций от полной построечной нагрузки устраиваемого паркинга. Учитывая глубину откопки котлована, в результате расчетов получены максимальные значения изгибающего момента в конструкции ограждения котлована из секущихся буронабивных свай, который составил MI =264,8 кНм. В составе выполненных расчетов проведена проверка на условие отсутствия всплытия конструкций в построечный период и без учета полезной нагрузки.

Следующим примером рассмотрения возможности строительства подземного паркинга во внутридворовом пространстве является дом №24 по Кирочной улице. Здание имеет дворовую территорию сложной формы с имеющимся по всей его площади подвесным двором. Дом построен в 1844 г. и известен как доходный дом Ю.Б. Бака.

Рассматривалась возможность устройства в дальнем дворе (№1) двухуровневого подземного паркинга с габаритами 6Ч36 м (глубина котлована – 7,50 м), рассчитанного на 20 автомашин.

 

 

 

Как и в первом случае, предполагается ограждение котлована из буронабивных слабосекущихся свай диаметром 800 мм и длиной 25 м, заведенных в плотные протерозойские глины.

Геотехническое обоснование, выполненное с применением ПК PLAXIS, показало, что дополнительная осадка соседних зданий в случае разработки котлована с применением метода «Top-Down» и привентивного усиления фундаментов соседних зданий с использованием буроинъекционных свай или метода струйной цементизации, не будет превышать 10 мм, т.е. не превысит допустимые значения в соответствии с существующими нормами, как по величине допустимой осадки, так и по ее относительной неравномерности.

Затраты на устройство паркинга во дворе №1 составят порядка 115 миллионов рублей в нынешних ценах. В затраты включены все работы по проектированию, строительству, приобретению и монтажу систем автоматизированного паркинга, работы по переносу сетей, благоустройству, усилению фундаментов зданий, попадающих в зону влияния при строительстве.

Срок строительства с использованием технологии «Top-Down» составит до 12 месяцев, при этом двор уже через 3 месяца может эксплуатироваться с ограничением только в зоне монтажного отверстия для лифта.

 

 

Заключение

Проведенный анализ инженерно-грунтовых условий территории в исторической части Санкт-Петербурга, технологических методов строительства подземных паркингов вблизи существующих зданий, позволяют сделать вывод о возможности такого строительства с комплексным подходом по выбору конструкции паркинга, технологических решений, позволяющих обеспечить минимальные возможные деформации существующей застройки. Расчеты с использованием программного комплекса PLAXIS показали возможность устройства и эффективность конструкции «стена в грунте» для ограждения котлована совместно с применением технологии «Top-Down» для откопки котлована. Обязательным условием безопасности такого строительства является выполнение мероприятий превентивного усиления фундаментов, а при необходимости и усиление конструкций жилых зданий, исключающих возникновение ограниченно-работоспособного состояния.

Кроме того, залогом успешного строительства подземных паркингов является продуманная и полная программа геотехнического мониторинга и научно-технического сопровождения в течение всего цикла строительства, позволяющие своевременно корректировать строительные процессы, исключая возникновение недопустимых неравномерных деформаций окружающих зданий.

---

Список литературы

1. Федеральный закон «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов Российской Федерации от 25.06.2002 N 73
2. СП 22.13330.2016. «Основания зданий и сооружений»
3. СП 24.13330.2016. «Свайные фундаменты»
4. СП 113.13330.2016. «Стоянки автомобилей»
5. ГОСТ 31937-2011 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»
6. Голубев Г.Е. Автомобильные стоянки и гаражи в застройке городов. - М.: Стройиздат, 1983.
7. Конюхов Д.С. Использование подземного пространства. Учебн.пособие для вузов.- М.: Архитектура –С, 2004.- 296с
8. Мангушев Р.А. Анализ устройства фундаментов старых зданий в центре Санкт-Петербурга. Журнал «Основания, фундаменты и механика грунтов», № 5, М., 2004. с.13-16.
9. Мангушев Р.А. и др. Проектирование и устройство подземных сооружений в открытых котлованах: Учебн.пособие / Р.А. Мангушев, Н.С. Никифорова, В.В. Конюшков, А.И.Осокин, Д.А.Сапин. – М., СПб.: Изд-во АСВ, 2013 – 256 с.
10. Мангушев Р.А., Никифорова Н.С. Технологические осадки зданий и сооружений в зоне влияния подземного строительства. – М.: АСВ, 2017 -168с.
11. Мангушев Р.А., Осокин А.И. Геотехника Санкт-Петербурга. Опыт строительства на слабых грунтах. - М.: Изд-во АСВ, 20108. – 264 с.
12. Мангушев Р.А., Осокин А.И., Усманов Р.А. Устройство и реконструкция оснований и фундаментов на слабых и структурно-неустойчивых грунтах/ Под ред. Чл.-корр. РААСН Р.А.Мангушева: Монография.- СПб.: Изд-во «Лань», 2018 – 460 с
13. Улицкий В.М., А.Г. Шашкин, К.Г.Шашкин. Геотехническое обоснование реконструкции зданий на слабых грунтах. Стройиздат Северо-Запад, Санкт-Петербург, 2010. – 551 с.