Zastosowanie ścianek szczelnych do zabezpieczania głębokich wykopów

2013-11-04

Ścianki szczelne umożliwiają zabezpieczenie wykopu o skomplikowanym kształcie.


Realizacja inwestycji w zwartej zabudowie miejskiej wymaga uwzględnienia warunków posadowienia (głębokości, rodzajów fundamentów) oraz ogólnego stanu technicznego otaczających obiektów. W miarę potrzeb fundamenty otaczających budynków mogą być wzmacniane przez wykonanie podbicia, mikropali, kolumn jet grouting. Niezależnie od tych działań sposób zabezpieczenia głębokiego wykopu powinien być dobrany w sposób minimalizujący oddziaływanie wykopu na otoczenie.

Im krawędź wykopu jest w mniejszej odległości od istniejącego obiektu, tym sztywniejsza powinna być jego obudowa i stosujemy większe wartości współczynnika parcia od gruntu(od wartości Ka do wartości Ko). Na rys. 1 przedstawiono technologie, które powinny być stosowane w zależności od odległości wykopu od otaczającej zabudowy. Kryterium bliskiej lub dalekiej zabudowy określono w Instrukcji ITB nr 376. Dodatkową zaletą sztywnej obudowy ścian wykopu jest możliwość wykorzystania jej jako ścian nośnych podziemnej konstrukcji budynku. Ścianki stalowe szczelne uważa się za rodzaj obudowy odkształcalnej. Ich sztywność można zwiększyć poprzez zwiększenie wskaźnika zginania grodzic lub przez zastosowanie kilku poziomów kotwienia. Stosuje się wówczas kotwy czynne, czyli naprężane przed rozpoczęciem prac ziemnych w wykopie.

 

Rys. 1 Zależność rodzaju obudowy głębokiego wykopu od odległości do istniejących obiektów

 

Trzykondygnacyjny podziemny parking

We Wrocławiu powstał trzykondygnacyjny podziemny parking dla ponad 330 pojazdów. Gmina Wrocław przeznaczyła na inwestycję działkę przy placu Nowy Targ, a koszty budowy poniosło konsorcjum pięciu firm, na czele których stoi Mota-Engil. Budowa trwała od października 2010 do lipca 2013 r.

Teren inwestycji zlokalizowany jest we Wrocławiu pomiędzy ulicami Jodłową, Piaskową i pl. Nowy Targ, w otoczeniu gęstej zabudowy miejskiej (rys. 2).

Prace prowadzono w bezpośrednim sąsiedztwie budynku urzędu miejskiego, budynku biurowego oraz podziemnego poniemieckiego schronu w obrębie działki nr 22/7, zaplecze budowy znajdowało się na działce nr 22/4 obrębu Stare Miasto.

Parking zaplanowano na części niezabudowanej placu (działka nr 22/7), ponieważ na działce nr 22/4 (rys. 2) istnieje podziemny żelbetowy schron przeciwlotniczy. Został on posadowiony na głębokości ok. 5,0 m poniżej powierzchni terenu i dlatego stanowił znaczne utrudnienie w realizacji wykopu, którego jedna ze ścian niemal przylegała do ściany schronu, a dwie masywne żelbetowe czerpnie powietrza na działce nr 22/7 kolidujące z projektowanym obiektem wymagały wyburzenia.

Powierzchnia działki jest prawie płaska, średnia rzędna terenu wynosi 119,30 m n.p.m.

 

Fot. 1 Plac Nowy Targ po zrealizowaniu parkingupodziemnego

 

Charakterystyka inwestycji

Zaprojektowano wykop w kształcie prostokąta o obwodzie ok. 256,00 m.b. i powierzchni ok. 3745 m2. Poziom dna wykopu ma rzędną 108,22 m n.p.m, czyli na głębokości 11,03 m poniżej planowanej rzędnej terenu 119,30 m n.p.m. Poziom stropu nieprzepuszczalnych warstw gruntu wynosi 104,50 m, co determinuje głębokość wbicia ścianki szczelnej. Wewnątrz wykopu wykonano trzypoziomowy parking dla 330 samochodów osobowych. Fundament zaprojektowano w postaci płyty żelbetowej o grubości 80 cm, pozostałe elementy konstrukcyjne garażu również jako żelbetowe monolityczne. Ścianka stalowa jako konstrukcja tymczasowa została odzyskana po zakończeniu budowy. Dla umożliwienia wyciągnięcia profili stalowych ścianki przyjęto odsunięcie jej lica od krawędzi zewnętrznych pionowych ścian garażu oraz wykonanie zagęszczonej zasypki pomiędzy ścianami a obudową wykopu.

 

Rys. 2 Lokalizacja inwestycji

 

Fot. 2 Północna krawędź wykopu

 

Warunki gruntowe i hydrologiczne

Budowa podłoża została rozpoznana wierceniami badawczymi do głębokości 18 m p.p.t. oraz uzupełniającymi sondowaniami CPT. Pod konstrukcją nawierzchni nawiercono nasypy niebudowlane w postaci piasków gliniastych ze znaczną domieszką części organicznych. Badania archeologiczne wykazały występowanie warstw kulturowych. Miąższość nasypów wynosi od 4,0 do 5,3 m. Poniżej występują zagęszczone piaski średnie ID = 0,75. Spąg tej warstwy jest zmienny i występuje na głębokości 6,5–8,0 m p.p.t. Kolejną warstwę stanowią zagęszczone pospółki o ID = 0,75, przewarstwione lokalnie pospółkami o ID = 0,45. Cienka warstwa kamienisto-żwirowa zalega do głębokości 13,5–15,1 m p.p.t. Poniżej stwierdzono gliny twardoplastyczne lodowcowe, których spąg występuje na głębokości 50 m p.p.t. Warstwy gruntów niespoistych są nawodnione. Zwierciadło wody gruntowej ma charakter swobodny lub lekko napięty i stabilizuje się na głębokości 4,3–5,0 m p.p.t., czyli na wysokości ok. 6,0–6,7 m ponad dnem wykopu. Planowane maksymalne zabudowanie działki gruntu oraz warunki geotechniczne w podłożu stanowiły przesłankę do wyboru ścianki szczelnej jako zabezpieczenia wykopu. Przekrój geotechniczny wzdłuż ściany północnej wykopu przedstawiono na rys. 3.

 

Rys. 3 Przekrój geotechniczny wzdłuż ściany północnej

 

Projekt obudowy

Ze względu na zabudowę wokół wykopu oraz warunki geotechniczne w podłożu wydzielono w projekcie kilkanaście sekcji ścianki szczelnej.

W uproszczeniu można wydzielić cztery zasadnicze schematy ścianki szczelnej:

- schemat wspornikowy dla wszystkich krawędzi w fazie głębienia wykopu, do rzędnej pierwszego poziomu kotwienia;

- ścianka szczelna utwierdzona w gruncie, dwukrotnie kotwiona – krawędź południowa oraz zachodnia;

- ścianka utwierdzona w gruncie, jednokrotnie kotwiona – krawędź północna;

- ścianka utwierdzona w gruncie, jednokrotnie kotwiona, wraz ze skarpowaniem naziomu – krawędź wschodnia.

Wzdłuż zachodniej krawędzi granica działki była odsunięta od krawędzi wykopu, co pozwoliło na wykonanie skarpy o wysokości do 3,0 m w celu zmniejszenia parcia gruntu na ściankę szczelną.

Obciążenia przyjęte w obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych ścianki szczelnej uwzględniają oddziaływanie geotechniczne: parcie czynne oraz bierne gruntu, parcie hydrostatyczne wody. Uwzględniono parcia gruntu od obciążenia naziomu: równomiernie rozłożonego o wartości 10 kPa oraz obciążenia pasmowe od istniejących budynków wzdłuż krawędzi południowej i wschodniej o wartości 180 kPa.

 

Fot. 3 Rozparcia stosowane w narożach wykopu

 

Wzdłuż krawędzi północnej przyjęto obciążenia pasmowe od istniejącej budowli schronu o wartości 150 kPa na szerokości 3,0 m w odległości 1,1 m od osi ścianki szczelnej przyłożone na rzędnej 112,45 m n.p.m. oraz obciążenie pasmowe o wartości 100 kPa na szerokości 20,0 m w odległości od 4,1 m od osi ścianki szczelnej przyłożone na rzędnej 112,45 m n.p.m.

Poziom wody gruntowej od strony wykopu obniżono na poziom 0,5 m poniżej dna wykopu, natomiast za ścianką szczelną (od strony naziomu) – na poziomie stabilizacji zwierciadła wody gruntowej.

Ze względu na niejednoznaczny stan prawny oraz status norm w chwili wykonywania projektu zastosowano zalecenia normy E DIN 4085:2002-12 Baugrund – Berechnung des Erddrucks (Grunty budowlane – obliczenia parć). Od strony wykopu przyjęto odpór gruntu zredukowany współczynnikiem hp = 1,4 dla ścianki szczelnej wspornikowej. Dla ścianki podpartej i utwierdzonej w gruncie przyjęto odpór gruntu równy parciu biernemu.

Obecnie wartości częściowych współczynników bezpieczeństwa należałoby przyjąć zgodnie z Eurokodem 7.

Poziom wody gruntowej za ścianą w każdej fazie przyjęto na rzędnej równej poziomowi stabilizacji wody wg [1], [2] oraz [3], a od strony wykopu 0,5 m poniżej jego dna. Obliczenia statyczne w celu sprawdzenia stateczności ścianki wykonano dla charakterystycznych wartości parametrów geotechnicznych. Do sprawdzenia nośności profili ścianki szczelnej i nośności kotew gruntowych wykorzystano momenty zginające i siły poprzeczne obliczeniowe z uwzględnieniem współczynnika obciążenia gf = 1,25. Kąty tarcia gruntu o ścianę przyjęto po stronie aktywnej o wartości zero, po stronie pasywnej o wartości od –1/2 f do –2/3 g.

 

Fot. 4 Odcinek wciskany statycznie, krawędź południowa, ścianka dwukrotnie kotwiona. Na dnie wykopu widoczne głowice zakotwień, których zadaniem było przeniesienie sił pochodzących od parcia hydrostatycznego 5-metrowego słupa wody gruntowej

 

Przyjęto zróżnicowane profile stalowe ścianki:

- dla krawędzi północnej: profil AZ 18-700, o wskaźniku min. Wx = 1800 cm3, ze stali S355GP o długości 12 m;

- dla krawędzi wschodniej: profil typu VL604, o wskaźniku Wx = 1600 cm3, ze stali S355GP o długości od 13,0 do 15 m;

- dla krawędzi południowej oraz zachodniej: profil typu VL604, o wskaźniku min. Wx = 1600 cm3, ze stali S270GP o długości od 12,0 do 15 m.

Podparcie ścianki zrealizowano za pomocą tymczasowych kotew gruntowych. Przyjęto dopuszczalne obciążenie obliczeniowe kotwy o wartościach od 540 do 630 kN. Zaprojektowano kotwy o nachyleniu od 20 do 25°. Długość wolną cięgna przyjęto jako bardziej niekorzystną z dwóch warunków, tj. aby buława rozpoczynała się w odległości nie mniejszej niż 0,15 H (H – głębokość wykopu) poza klinem odłamu oraz aby był spełniony warunek stateczności masywu gruntowego sprawdzony metodą Kranza. Przyjęto, że siły ze ścianki szczelnej na kotwy przekazywane są pośrednio za pomocą dodatkowych kleszczy stalowych (fot. 2).

Zmierzone przemieszczenie ścianki szczelnej w poziomie nie powinno przekraczać obliczonych wartości:

- dla ściany południowej oraz zachodniej – 1,3 cm,

- dla ściany północnej – 2,0 cm,

- dla ściany wschodniej – 2,5 cm.

 

Fot. 5 Widok głowicy wodoszczelnej kotwienia poniżej zwierciadła wody gruntowej

 

Zabezpieczenie wykopu

Prace budowlane zostały poprzedzone długotrwałymi badaniami archeologicznymi ratunkowymi, w trakciektórych wykonano wykop otwarty do poziomu wód gruntowych, ograniczającego głębokość dawnej zabudowy. Zagłębianie profili ścianki szczelnej wzdłuż krawędzi południowej realizowano metodą wciskania statycznego (fot. 4). Na pozostałych odcinkach zastosowano metodę wibracyjną, bezrezonansową przy zachowaniu dopuszczalnych wartości oddziaływań zgodnych z normami i oceną ich wpływu na występujące w ich zasięgu obiekty budowlane. Ze względu na warunki terenowe lokalnie zastosowano technologie wspomagające zabudowę ścianki szczelnej (w przypadku wpędu ścianki szczelnej mniejszego niż 30 cm/minutę) przez wiercenia rozluźniające, które wykonano świdrem w osłonie rurowej (D = 500 mm), co minimalizowało wydobywanie urobku na powierzchnię terenu.

Dopuszczalne przemieszczenia (osiadanie), jakim mogą ulec budynki w bezpośrednim sąsiedztwie wykonywanych prac, nie mogły przekroczyć 5 mm. Ograniczenie to dotyczyło przede wszystkim budynku urzędu miejskiego ze względu na jego nieprzejrzysty schemat konstrukcji, zróżnicowany poziom posadowienia oraz liczne przebudowy, które nie były udokumentowane.

W kilku punktach wystąpiło rozejście się zamków profili ścianki szczelnej poniżej dna wykopu w trakcie przechodzenia przez warstwę bruku morenowego, wymagało to wykonania iniekcji uszczelniającej typu jet grouting.

Drugi poziom kotwienia znajdował się poniżej zwierciadła wody gruntowej, co wymagało zastosowania głowic wodoszczelnych dla drugiego poziomu kotwienia na krawędzi południowej i zachodniej wykopu (fot. 5).

Z punktu widzenia obserwowanych zarysowań budynku urzędu miejskiego newralgicznym momentem było osiągnięcie poziomu drugiego zakotwienia na obwodzie krawędzi południowej wykopu. W momencie tym obserwowano największy przyrost przemieszczeń w czasie.

 

Fot. 6 Lokalizacja reperów do pomiarów przemieszczeń pionowych na budynku urzędu miejskiego

 

Fot. 7 Wykop pod halę turbin trzykrotnie rozparty

 

Metody i zakres kontroli

Zasięg strefy pośredniego oddziaływania wykopu wynosił S = 22 m. Ze względu na duże wymiary wykopu zdecydowano się zwiększyć zasięg oddziaływania wykopu o 20%, a zatem zasięg strefy oddziaływania można przyjąć równy S = 27 m.

Zakres monitoringu prowadzonego w trakcie wykonywania obudowy wynikał z zapisów normy PN-EN 12063 i obejmował czynności:

- przed przystąpieniem do robót na sąsiadujących obiektach budowlanych zamontowano repery kontrolne i wykonano pomiar zerowy,

- przed rozpoczęciem, w trakcie rea­lizacji oraz po zakończeniu robót ziemnych wykonano pomiary geodezyjne przemieszczeń na sąsiadujących obiektach budowlanych,

- wykonawca robót dokumentował, że poziom drgań przy sąsiadujących budynkach mieści się w granicach normowych.

Monitorowanie zachowania budynków w trakcie głębienia wykopu obejmowało prowadzenie odpowiednich pomiarów kontrolnych oraz bezpośrednie obserwacje stanu budynków. Pomiary kontrolne prowadzono do zakończenia budowy. Pomiarami kontrolnymi były objęte wszystkie budynki usytuowane w zasięgu strefy oddziaływania wykopu. Największe wartości przemieszczeń końcowych zmierzono dla punktów na budynku urzędu miejskiego. Położenie wybranych reperów dla tego budynku przedstawiono na fot. 6. Wartości przemieszczeń końcowych zestawiono w tabeli.

Zaobserwowano osiadania oraz wypiętrzenia dla reperów (pkt 1 i pkt 6) oddalonych od wykopu, co spowodowało niewielkie uszkodzenia ścian w kondygnacji piwnicznej budynku urzędu miasta.

 

Fot. 8 Ścianka szczelna hali turbin, betonowanie płyty dennej

 

Tab. Wartości przemieszczeń

Punkt

 

1

 

2

 

3

 

4

 

5

 

6

 

Przemieszczenie

s [mm]

3,4

 

2,8

 

-4,3

 

-5,4

 

-3,3

 

3,9

 

 

Ścianki szczelne w budownictwie hydrotechnicznym

Interesujący przykład zastosowania ścianki szczelnej stanowi zabezpieczenie wykopu dla budowy elektrowni wodnej oraz dostosowanie jazu Oława na potrzeby energetyczne.

Zadanie wiąże się z przebudową istniejącego jazu stałego na Odrze w celu podwyższenia piętrzenia wody dla uniezależnienia poziomu wody w rzece od naturalnych i retencyjnych przepływów, poprawy warunków żeglugowych i pracy istniejących elektrowni wodnych oraz budowy elektrowni wodnej projektowanej na prawym brzegu Odry.

Wykop dla wykonania nowej elektrowni wodnej ma zmienną głębokość i składa z trzech zasadniczych części: strefy wlotu wody, hali turbin, strefy wylotowej wody. Najgłębsza oraz najciekawsza technicznie jest strefa hali turbin. Wykop w tej części ma głębokość 15,0 m.

Wykorzystano metody obliczeniowe i zalecenia projektowe jak dla zabezpieczenia wykopu Nowy Targ.

Ściankę szczelną zaprojektowano z grodzic AZ 18-700 oraz GU18N o długości od 12,0 do 16,0 m ze stali gatunku S355 [9]. Ścianka szczelna jest w tym przypadku pozostawiana w gruncie.

Lokalizacja budowy w terenie niezurbanizowanym pozwoliła na głębienie ścianki metodą wibracyjną oraz większe dopuszczalne przemieszczenia ścianki o wartości do 4,5 cm.

Ze względów ekonomicznych oraz dla przyspieszenia robót ziemnych w strefie hali turbin zastosowano rozparcia wewnętrzne w trzech poziomach za pomocą rur ř 711/12,5 (fot. 7 i 8).

Obciążenia ze ścianki szczelnej na rozpory przenoszone są za pomocą oczepu z profili stalowych HEB450 oraz 2HEB400 z gatunku stali S235.

 

Fot. 9 Hala turbin po z demontowaniu dwóch dolnych rzędów rozparć

 

Żelbetowa płyta denna była wykonywana przed demontażem najniższego poziomu rozparcia.

Zastosowano również podparcie za pomocą tymczasowych kotew gruntowych. Przyjęto dopuszczalne obciążenie obliczeniowe kotwy o wartości od 550 do 650 kN. Zaprojektowano kotwy o nachyleniu od 15 do 45° w rozstawie od 0,70 do 2,40 m. Duży kąt odchylenia kotew wynikał z konieczności uniknięcia kolizji z istniejącą konstrukcją jazu. Ściany żelbetowe będą przejmować obciążenie od ścianki szczelnej po demontażu rozparć (fot. 9) oraz po zakończeniu pracy przez kotwy tymczasowe.

Skomplikowany układ zamocowania ścianki szczelnej widoczny jest w strefie wlotowej, gdzie występują rozparcia narożników w dwóch rzędach, a strefie głębszego wykopu – trzy poziomy kotew gruntowych (fot. 10).

 

Fot. 10 Narożnik obudowy wykopu w strefie wlotowej

 

Podsumowanie

Wybrane przykłady zabezpieczenia wykopu prezentują uniwersalny charakter zabezpieczenia wykopu przez ścianki szczelne. Konstrukcja ta w powiązaniu z odpowiednim systemem kotwienia zapewnia zmniejszenie przemieszczeń ścianki oraz otaczających budowli.

Różnorodne metody głębienia: wciskanie statyczne, wibrowanie, wibrowanie ze wspomaganiem przez wiercenia rozluźniające pozwalają na wykonywanie jej w różnorodnych gruntach. Ścianki szczelne umożliwiają zabezpieczenie wykopu o skomplikowanym kształcie. Profile stalowe mogą być odzyskiwane i ponownie używane.

 

dr hab. inż. Wojciech Puła

prof. Politechniki Wrocławskiej

dr inż. Olgierd Puła

dr inż. MarekWyjadłowski

Instytut Geotechniki i Hydrotechniki Politechniki Wrocławskiej

 

Literatura

1. M. Wyjadłowski, B. Jabłoński, Monitoring przemieszczeń pionowych, Geoalfa s.c., Wrocław 2012.

2. Norma PN-EN 12063 Wykonawstwo specjalistycznych robót geotechnicznych. Ścianki szczelne.

3. Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów, ITB nr 376/2002.