Technical and economic comparison of methods of creating a ground water cutoff during the pit excavation

Abstract


In difficult ground conditions, example of which is a water-saturated sandy soil, where it is impossible to arrange an excavation pit with natural slopes, create ground water cutoff. Ground water cutoff prevents the penetration of groundwater and strengthens the walls of the ground and the bottom of the excavation pit before its excavation. The aim of this article is technical and economic comparison of methods for creating waterproof curtain to select the most viable option create ground water cutoff of the excavation pit in a sand saturated soils. As objects of study are considered three special ways to creating ground water cutoff to prevent the inflow of groundwater into the excavation pit: metal sheet piling, jet grouting and artificial freezing of soil. For each of this method the estimated cost of construction and mounting was calculated according to the depth of the excavating excavation pit. The data obtained are analyzed the main reasons for a general increase in the estimated cost of construction and installation work on increasing the depth of the excavation pit. A feasibility comparison of these technologies has allowed to identify the most efficient method of stabilization of water-saturated sandy soil in order to create a waterproof curtain.

Full Text

Для защиты строительных котлованов от обрушения при их разработке и защиты от проникновения в них грунтовых вод во время производства работ производят устройство противофильтрационных завес (ПФЗ). Существует несколько характерных методов для их устройства: шпунтовое ограждение, струйная цементация грунта и искусственное замораживание. Вследствие высокой стоимости создания ПФЗ их выбор должен обосновываться технико-экономическим расчетом [1]. В связи с этим авторами был произведен расчет сметной стоимости на устройство 1 пог. м шпунтового ограждения, струйной цементации и искусственного замораживания в зависимости от глубины откопки котлована. Целью работы является технико-экономическое обоснование указанных методов устройства водонепроницаемой завесы для выбора наиболее эффективного варианта ограждения котлована в условиях водонасыщенных песчаных грунтов. Поскольку обычно задача выбора технологии строительства решается путем избрания приоритетного показателя [2-4], в данном случае таким показателем будет являться стоимость работ. Сметные расчеты выполнялись в программном комплексе «ГРАНД-Смета» базисно-индексным методом по сборникам ФЕР-2001 (в ред. 2014 г.) в базисных ценах по состоянию на 1 января 2000 г. Перевод цен осуществлялся с помощью индексов перехода с базисного в текущий уровень цен по статьям затрат сметной стоимости СМР по состоянию на I квартал 2016 г. Расчет стоимости устройства ограждения путем искусственного замораживания как специального способа производства работ выполнялся отдельно, по методике расчета, приведенной в работе [5], с переводом базисных цен в текущий уровень цен по состоянию на I квартал 2016 г. 1. Шпунтовое ограждение Наиболее простым по исполнению является традиционное ограждение с помощью вертикальных стальных элементов - шпунтин, погружаемых в грунт по контуру выемки до ее экскавации [6]. Шпунтовое ограждение применяют в водонасыщенных грунтах с высоким уровнем грунтовых вод, когда использовать водопонижение нецелесообразно. Заглубление завесы в водоупорный слой обеспечивает наибольшую эффективность защиты котлована от проникновения подземных вод [7]. Для сметного расчета шпунтового ограждения были приняты следующие условия: - металлический шпунтовый ряд защемлен в водоупорный слой; - тип используемого шпунта - Ларсен IV; - оборачиваемость шпунтов принята равной 1; - погружение шпунтин в грунт ведется способом вибропогружения. С целью сравнения глубина ограждаемого котлована варьировалась от 2 до 6 м. Отношение глубины котлована к длине шпунта принято 1:2. Затраты на разработку грунта учитывались в расчетах. Результаты определения сметной стоимости на устройство 1 пог. м шпунтового ограждения представлены в табл. 1. Таблица 1 Результаты сметного расчета по устройству ПФЗ методом шпунтового ограждения Table 1 Results of estimated cost calculation on creation of the groundwater cutoff by sheet piling Глубина котлована, м Трудозатраты, чел.-ч Сметная стоимость строительных работ, руб. Стоимость, руб. материалов машин и механизмов 2,0 59,28 28 120 14 024 1580 2,5 74,15 35 151 16 977 1974 3,0 89,01 42 183 21 039 2370 3,5 103,79 49 211 24 548 2764 4,0 118,66 56 243 28 054 3160 4,5 133,43 63 274 31 560 3554 5,0 148,30 70 303 35 066 3948 5,5 163,07 77 298 38 572 4334 6,0 177,94 84 363 42 081 4739 Зависимость изменения сметной стоимости устройства шпунтового ограждения от глубины разрабатываемого котлована представлена на рис. 1. С увеличением глубины выемки цена на строительные работы линейно возрастает. Рис. 1. Зависимость сметной стоимости устройства шпунтового ограждения от глубины котлована Fig. 1. The dependence of estimated cost of create sheet piling on depth of the excavation pit При расчетах рассматривался случай извлечения погруженных шпунтин без их последующего применения. Дальнейшее использование шпунта учитывается в расходе металла с помощью понижающих коэффициентов из расчета, что оборачиваемость шпунтов превысит пять раз. В таком случае стоимость работ по устройству шпунтового ограждения снизится на 64 %. 2. Струйная цементация Технологический процесс струйной цементации грунтов осуществляется путем их размыва и одновременного перемешивания с цементным раствором посредством струи высокого давления, в результате чего образуется грунтобетон, обладающий надежными противофильтрационными свойствами. Струйная цементация позволяет укреплять как связные, так и несвязные грунты при любом значении коэффициента фильтрации [8]. Для обеспечения водонепроницаемости в зависимости от характеристик грунтов и напора подземных вод ограждение устраивают из взаимно секущихся грунтобетонных колонн при их однорядном, двухрядном или большем количестве рядов расположении. Производство работ ведется в два хода: прямом и обратном. На первом этапе бурится лидерная скважина необходимой глубины диаметром до 150 мм. В процессе обратного хода производят подъем буровой колонны с одновременным ее вращением и подачей высоконапорной струи цементного раствора [9]. Диаметр формируемой колонны для однокомпонентного (когда используется только цементный раствор) способа принимается от 0,5 до 0,1 м. Для повышения прочности и однородности грунтоцементного ограждения, его коррозионной стойкости и увеличения общей эффективности технологии струйной цементации используют комплексную добавку для струйной цементации (КДСЦ) в количестве 2,5 % от массы сухого цемента. При расчете стоимости технологии струйной цементации аналогично примеру шпунтового ограждения изменялась глубина закрепления. Расположение принято однорядным из секущихся грунтоцементных колонн радиусом 0,3 м и с расстоянием между скважинами 0,4 м. Результаты сметного расчета на 1 пог. м водонепроницаемой завесы представлены в табл. 2. Зависимость изменения сметной стоимости создания ПФЗ методом струйной цементации от глубины ограждаемого котлована представлена на рис. 2. Таблица 2 Результаты сметного расчета по устройству ПФЗ методом струйной цементации Table 2 Глубина котлована, м Трудозатраты, чел.-ч Сметная стоимость строительных работ, руб. Стоимость, руб. материалов машин и механизмов 2,0 124,08 660 558 190 710 446 912 2,5 155,10 825 683 230 282 558 630 3,0 186,12 990 824 276 339 670 361 3,5 217,04 1 155 952 322 395 782 079 4,0 248,16 1 321 115 381 419 893 825 4,5 279,17 1 486 204 414 508 1 005 517 5,0 310,20 1 651 366 460 563 1 117 187 5,5 341,22 1 816 441 506 620 1 228 942 6,0 372,23 1 981 650 552 677 1 340 721 Рис. 2. Зависимость сметной стоимости создания ПФЗ методом струйной цементации от глубины котлована Fig. 2. The dependence of estimated cost of create groundwater cutoff by jet grouting on depth of the excavation pit В отличие от шпунтового ограждения, стоимость применения способа струйной цементации значительно выше. В первую очередь это объясняется большими затратами на используемые при струйной цементации материалы. В частности, добавка КДСЦ, включенная в сметные нормы, имеет достаточно высокую цену, которая в настоящее время составляет порядка 700 тыс. руб. за тонну. В результате этого затраты на использование данной добавки превышают затраты на приобретение цемента, который является основным материалом для создания грунтоцементной сваи [10]. По сметным расчетам, затраты на добавку в концентрации 2,5 % от массы сухого цемента в 10 раз больше его расходов. Ощутимо возросли также затраты на машины и механизмы. Если погружение шпунта требует недорогого оборудования, то при устройстве ограждения струйной технологией необходимо применение буровых установок для предварительного бурения скважин, смесительных установок, а также насосов высокого давления для перекачивания раствора. Затраты на перечисленные машины и механизмы совместно с материалами при расчете сметы принимают наиболее высокие значения, обусловливая более высокую стоимость метода струйной цементации по сравнению со шпунтовым ограждением. 3. Искусственное замораживание Замораживание грунтов искусственным путем осуществляют с помощью группы специальных охлаждающих устройств - замораживающих труб, располагаемых по периметру разрабатываемой выемки [11]. По мере промерзания грунта нарастаемые вокруг труб (колонок) ледогрунтовые цилиндры смыкаются между собой, создавая сплошную противофильтрационную завесу в виде ледогрунтового ограждения. В зависимости от вида хладоносителя замораживание может быть рассольным и безрассольным. Рассолы достаточно дешевы и легко могут быть приготовлены в условиях строительной площадки. На практике наибольшее распространение получило применение раствора хлористого кальция при средней температуре охлаждения -20 °С. Производство работ начинается с бурения скважин по контуру котлована и погружения в них замораживающих колонок. Охлаждаемый на замораживающей станции рассол насосом нагнетается в трубу распределителя, откуда подается по питающим трубам. Хладоноситель под давлением циркулирует в колонке, омывая ее внутренние стенки. Непосредственный процесс замораживания грунта осуществляется путем теплообмена между колонкой и окружающим ее грунтом. Минимальная толщина ледогрунтового ограждения, при которой она становится водонепроницаемой, составляет 0,15 м. Непосредственная защита котлована от притока грунтовых вод достигается путем заглубления мерзлогрунтового ограждения в водоупорные слои на 2-3 м. Стоимость создания ледогрунтового ограждения складывалась из следующих затрат: , где - затраты на бурение скважин и монтаж замораживающих колонок; - затраты на образование мерзлогрунтового ограждения. При этом включает в себя стоимость эксплуатации замораживающих колонок (с учетом стоимости производства холода) и стоимости содержания ледогрунтовой завесы за время ее образования. Для расчетов были приняты следующие исходные данные: - теплопроводность грунта λ = 2 ккал/(м·ч·°С); - температура рассола - минус 20 °С. Результаты определения стоимости работ на образование 1 пог. м ледогрунтовой противофильтрационной завесы представлены в табл. 3. В данном случае под общей стоимостью понимается стоимость с учетом аренды холодильного оборудования на время работ по замораживанию. Таблица 3 Определение основных параметров метода искусственного замораживания при различной глубине устраиваемого ограждения Table 3 Evaluation of the main parameters of the method of artificial freezing at different depth of waterproof curtain Глубина котлована, м Наивыгоднейшее расстояние между колонками, м Общее время работ, сут Общая стоимость работ, руб. 2,0 1,1 16 930 484 2,5 1,2 17 1 029 661 3,0 1,2 19 1 108 800 3,5 1,2 20 1 173 913 4,0 1,3 21 1 228 811 4,5 1,3 21 1 276 029 5,0 1,3 22 1 317 311 5,5 1,3 23 1 353 909 6,0 1,3 23 1 386 735 Общее время работ включает в себя время на бурение скважин и монтаж колонок и непосредственное замораживание грунта. Поскольку расстояние между скважинами при искусственном замораживании грунта является определяющим фактором, то определить его нужно таким образом, чтобы соотношение затрат времени и стоимости работ было наилучшим. Для этого на первом этапе определяют расстояние, наиболее выгодное для стоимости, и расстояние, наиболее выгодное для времени. Усредняя полученные значения, вычисляют расстояние, которое при данной глубине будет наивыгоднейшим как для стоимости работ, так и для времени, после чего с учетом данного расстояния определяют время и стоимость производства работ по замораживанию. Как и предполагалось, с увеличением глубины котлована стоимость работ будет возрастать. В отличие от сметной стоимости устройства шпунтового ограждения, метод замораживания грунта, как и технология струйной цементации, имеет наиболее высокие затраты. Иная ситуация при сравнении технологии искусственного замораживания грунта со струйной технологией, так как по расчетам стоимость работ последней получилась дороже, причем отклонение от стоимости повышалось с увеличением глубины котлована. Так, для глубины 2 м замораживание грунтов вышло дороже на 30 %, тогда как для 6 м отклонение составило также 30 %, но уже в сторону струйной цементации. При глубине котлована 3,5 м стоимости работ по замораживанию и струйной цементации примерно сравнялись. Зависимость изменения стоимости работ по замораживанию грунтов представлена на рис. 3. Рис. 3. Зависимость стоимости создания ПФЗ методом искусственного замораживания от глубины котлована Fig. 3. The dependence of estimated cost of create groundwater cutoff of the method of artificial freezing on depth of the excavation pit Сравнительно редкое использование метода замораживания грунтов объясняется высокой стоимостью применяемого оборудования - замораживающих станций. Для замораживания грунта не в масштабных целях покупка холодильных станций крайне невыгодна, так как в разы превысит все затраты, связанные с замораживанием. Возможна аренда замораживающего оборудования, но и в таком случае расходы на аренду будут больше, чем на сам процесс создания ПФЗ. К тому же парка аренды замораживающих станций в наши дни не сформировалось, и достать такое оборудование крайне сложно. На рис. 4 показано, что стоимость производства работ по замораживанию без учета аренды на 97 % ниже. Таким образом, при малых объемах ограждаемого котлована сама технология замораживания имеет сравнительно невысокую стоимость. Наибольший процент затрат идет на аренду или приобретение замораживающего оборудования. Эффективность использования данного метода проявляется при строительстве протяженных объектов с глубиной разработки более 100 м при выполнении срочных работ в обводненных грунтах или ликвидации внезапных прорывов плывунных грунтов. Таким образом, в настоящее время технология искусственного замораживания получила основное применение в промышленном строительстве, на территориях Крайнего Севера, где требуется термостабилизация грунта [12-15]. Рис. 4. Превышение стоимости работ по замораживанию с учетом и без учета аренды замораживающей станции Fig. 4. The excess of estimated cost of freezing work with and without rent freeze stations Наиболее перспективной является комбинированная технология, которая сочетает традиционное искусственное замораживание с современной технологией струйной цементации грунта. В таком случае строительство проходит в две стадии. На первом этапе с помощью струйной цементации из грунтоцементных свай создают контурное ограждение выемки [14]. После полного отвердевания и выравнивания температуры грунтоцементного массива на второй стадии осуществляют замораживание грунта, которое служит перекрытием возможных «окон» в цементном камне. Исследования ученых показали, что, в отличие от традиционного одиночного метода замораживания грунтов, комбинированная технология с применением струйной цементации позволяет снизить осадки поверхности в пять раз [15]. Сравнительный график стоимости образования ПФЗ котлована при его различной глубине приведен ниже (рис. 5). Рис. 5. Сравнительный график стоимости СМР в зависимости от выбранного способа устройства ПФЗ Fig. 5. Comparative graph of estimated cost of construction and installation work, depending on chosen method of create groundwater cutoff Выводы Проведенное технико-экономическое сравнение трех специальных методов создания ПФЗ при устройстве котлована показало, что с точки зрения стоимости работ наименее экономически выгодной оказалась технология струйной цементации. Однако, несмотря на это, в настоящее время она является одной из самых распространенных. Это обусловлено тем, что применение грунтоцементных свай позволяет не только защитить разработку от поступления грунтовых вод, но и укрепить грунт, повысить несущую способность оснований. Кроме того, технология струйной цементации может применяться вблизи существующих зданий и сооружений, при любых грунтовых условиях. Самым наименее затратным способом оказался метод шпунтового ограждения, даже при условии применения шпунта единожды. Если предполагается использовать шпунтовое ограждение с оборачиваемостью до пяти раз, то сметная стоимость на его устройство уменьшится на 64 %. Погружение шпунтового ограждения в стесненных условиях может привести к развитию деформаций соседних зданий и близлежащих сооружений. Применение шпунтового ограждения эффективно при строительстве на воде или в обводненных грунтах с условием защемления шпунтин в водоупорные слои. Относительно дешевым оказался способ искусственного замораживания грунтов, который имеет немало достоинств. Как и струйная цементация, он пригоден для любых грунтов, особенно водонасыщенных. Метод искусственного замораживания наиболее эффективен в промышленном строительстве, на территориях вечной мерзлоты для термостабилизации мерзлого грунта. В городских условиях он может быть использован для быстрого локального устранения прорыва грунтовых вод или плывунов. Основными недостатками искусственного замораживания, ограничивающими его применение, являются возникновение пучения глинистых грунтов при промерзании, проявление осадок при оттаивании мерзлого грунта, а также очень высокая стоимость замораживающего оборудования. Как показали расчеты, стоимость замораживания с учетом аренды холодильной станции на 97 % превышает стоимость работ без учета аренды.

About the authors

S. S Lashova

Perm National Research Polytechnic University

K. S Iadovina

Perm National Research Polytechnic University

O. V Petreneva

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Винников Ю.Л., Пономарев А.Б. Подземное строительство. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2014. - 262 с.
  2. Кашапова К.Р., Моисеева О.В., Клевеко В.И. Экономическое обоснование технологии устройства котлована для сооружения подземного пешеходного перехода // Вестник Пермского национального политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2014. - № 4. - С. 59-70.
  3. Логинова Ю.С., Петренева О.В. Два метода решения многокритериальной задачи в строительстве // Вестник Пермского национального политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 1. - С. 106-123.
  4. Петренева О.В., Колечкина А.Ю. Технико-экономическое сравнение различных типов несъемной опалубки из пенополистирола с крупнощитовой опалубкой // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. - 2015. - № 1.
  5. Трупак Н.Г. Замораживание грунтов в подземном строительстве. - М.: Недра, 1974. - 280 с.
  6. Экономическое обоснование способов устройства котлована и глубины заложения подземного пешеходного перехода / К.Р. Кашапова, В.И. Клевеко, О.В. Моисеева, О.В. Петренева // Материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 55-летию кафедры строительного производства и геотехники Перм. нац. исслед. политехн. ун-та и 60-летию кафедры гидротехнических и земляных сооружений Волгоград. гос. арх.-строит. ун-та. - Волгоград, 2015. - С. 237-247.
  7. Бочкарева Т.М. Технология строительных процессов. Ч. 1. Общие положения. Земляные работы. Работы нулевого цикла возведения зданий и сооружений [Электронное учебное пособие]. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2011.
  8. Маковецкий О.А., Миллер К.А. Устройство ограждений котлованов из грунтоцементных элементов // Инновационные конструкции и технологии в фундаментостроении и геотехнике: материалы науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Пермь, 2013. - С. 120-123.
  9. Маковецкий О.А., Серебренникова Д.К. Оценка перспектив развития подземного пространства мегаполисов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. - 2013. - № 3. - С. 78-90.
  10. Леонов В.В. Мосгосэкспертиза: к справедливым ценам в строительстве // Вестник Российского Союза строителей. - 2014. - № 3. - С. 34-36.
  11. Шагиев А.А., Пономарев А.Б. Стабилизация грунта методом искусственного замораживания // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. - 2012. - № 1.
  12. Долгих Г.М., Окунев С.Н., Стрижков С.Н. Ледяной экран для полигона на Крайнем Севере // Твердые бытовые отходы. - 2011. - № 11. - С. 17-19.
  13. Чжан Р.В. Геокриологические принципы работы грунтовых плотин в криолитозоне в условиях меняющегося климата // Фундаментальные исследования (технические науки). - 2014. - № 9. - С. 288-296.
  14. Практика внедрения безосадочных технологий при строительстве Санкт-Петербургского метрополитена / К.П. Безродный, А.И. Салан, В.А. Маслак, В.А. Марков, М.О. Лебедев // Записки Горного института. - 2012. - № 199. - С. 190-195.
  15. Безродный К.П., Лебедев М.О., Егоров Г.Д. Строительство эскалаторных тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена // Метро и тоннели. - 2015. - № 1. - С. 14-17.

Statistics

Views

Abstract - 16

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2016 Lashova S.S., Iadovina K.S., Petreneva O.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies