СТРОИТЕЛЬСТВО ПОДЗЕМНОГО ПАРКИНГА В СЛОЖНЫХ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЗАСТРОЙКИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

В современных мегаполисах, таких как Санкт-Петербург, найти место для парковки в центре города – это большая проблема. Количество устраиваемых мест для парковки не отвечает темпам роста количества автомобилей. Нехватка парковочных мест влечет за собой множество транспортных, ландшафтных и архитектурных проблем: сужение проезжей части улиц за счет рядов припаркованных автомобилей, снижение безопасности дорожного движения, порча газонов, ухудшение экологической ситуации и другие.

В условиях исторической застройки центра Санкт-Петербурга многоуровневые подземные паркинги оказались хорошей альтернативой наземным автостоянкам, что применительно как к строящимся, так и реконструируемым зданиям, например, жилым домам, разнообразным деловым и торгово-развлекательным центрам.

Современный подземный паркинг позволяет решить целый ряд актуальных проблем. Среди них первое место занимает экономия и рациональное использование территории, так как подобные автостоянки не требуют для себя отдельного наземного пространства. Кроме того, они более экологичны, а также не привносят искажений ландшафта и архитектурного облика города. [1]

В данный момент в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга особое значение приобрел такой специальный способ строительства, как шпунтовое ограждение в связи с тем, что он позволяет вести застройку в плотных городских условиях, не вредя окружающим зданиям и сооружениям.

Перед началом строительства подземного паркинга необходимо выполнить:

- анализ инженерно-геологических условий строительства подземного паркинга в центре Санкт-Петербурга;

- анализ специальных способов сооружения котлованов при строительстве подземных паркингов в Санкт-Петербурге;

- подбор и расчёт необходимого оборудования, задействованного на всех этапах сооружения котлована;

- выполнить расчёт котлована с применением металлического шпунтового ограждения.

В статье рассмотрен жилой комплекс (рисунок 1), состоящий из трех жилых домов, высотой до 27,0 м, количество этажей – 7 надземных и 1-2 подземных (автостоянка), размеры в плане – у двух домов 16x60 м, у третьего – сложной конфигурации, тип фундамента – свайный, с нагрузкой на сваю 120-150 т, с нагрузкой на куст свай – более 300 т, глубина погружения свай – 25-30 м от поверхности земли.

Подземная автостоянка (рисунок 2), расположенная на участке под всем жилым комплексом, количество этажей – 2 подземных, глубиной – 8,0 м, тип фундамента – свайный, с нагрузкой на сваю 120-150 т, с нагрузкой на куст свай – более 300 т, глубина погружения свай – 25-30 м от поверхности земли.

Рисунок 1. Жилой комплекс в плане

Рисунок 2. Подземная автостоянка в плане

С учетом глубины заложения ростверка и устройства подготовки проектная глубина котлована составит от 5.2 до 8.0 м (в случае одноуровневого и двухуровневого подземного сооружения, соответственно).

Возможны две основные схемы экскавации котлована для случая устройства двухуровневого подземного сооружения – экскавация грунта в открытом котловане и экскавация со сплошными распорными уровнями.

Сооружение котлована методом «TOP-DOWN».

Этот вариант предполагает создание единого жесткого диска перекрытия, создающего раскрепление ограждения котлована. В данном случае предполагается устройство двух распорных дисков на отметках перекрытий первого и второго этажа (или ростверка в одноэтажных частях паркинга). Экскавация котлована производится только после создания соответствующего распорного уровня (диска перекрытия).

Конфигурация распорного уровня учитывает геометрию сооружения, наличие надземных объемов, технологических проемов для выемки грунта и технологических проемов, предусмотренных проектом под лестнично-лифтовые узлы, коммуникации и инженерные сети и т.д.

В зоне верхнего распорного перекрытия возможно создание комбинированного распорного диска из элементов железобетонного перекрытия и металлических распорных частей. Такая комбинированная конструкция перекрытия позволит создать единый распорный диск перекрытия, а также снизит сложность устройства вертикальных элементов стен, сосредоточенных, в основном, в пределах жилых объемов комплекса.

В этом случае последовательность работ представляется следующей:

1. устраивается глубокое шпунтовое ограждение котлована (до глубин порядка 25 м);
2. параллельно с устройством ограждения устраивается свайное поле и необходимое количество анкерных свай, а также временные сваи, поддерживающие диски перекрытий на период действия монтажных нагрузок;
3. до выполнения работ в зоне двухуровневого подземного сооружения целесообразно выполнить экскавацию грунта в зонах с одноуровневым подземным пространством. В пределах одноуровневого подземного пространства ширина котлована составляет от 17 до 50 м. После экскавации завершается выполнение работ нулевого цикла на данных участках;
4. в зоне двухуровневого подземного сооружения выполняется пионерный котлован: с уровня пионерного котлована изготавливается в необходимой конфигурации диск комбинированного перекрытия (на абс. отм. +5.110 БСВ);
5. через технологические проемы производится выемка грунта и экскавация котлована до абс. отм. +1,410 (глубина котлована ~4,5 м в зоне двухуровневого подземного сооружения, в зоне одноуровневой подземной части 5,3 м);
6. выполняется диск перекрытия на отметке плюс 1,81 м, и ростверки на одноэтажных подземных участках (рисунок 3);
7. продолжается выемка грунта и экскавация котлована до абс. отм. минус 2,3 м (глубина ~8,5 м) в двухэтажных подземных частях;
8. выполняются ростверки на двухэтажных подземных участках;
9. последовательно устраиваются оставшиеся элементы железобетонных колонн, стен и балок перекрытий в подземном сооружении.

К преимуществам рассмотренного метода устройства двухуровневого подземного сооружения (TOP-DOWN) можно отнести:

• Надежность устройства распорных систем;
• Отсутствие необходимости монтажа большого количества временных металлических конструкций и промежуточных участков временного шпунтового ограждения;
• Возможность одновременно с разработкой котлована осуществлять строительство надземных конструкций отдельных корпусов комплекса.

К основным недостаткам данного варианта можно отнести:

• Сложность проектирования.
• Значительное увеличение стоимости экскавации грунта.
• Сложность производства работ по экскавации слабых грунтов под элементами железобетонных перекрытий и, как следствие, увеличение периода экскавации.
• Необходимость устройства деформационных швов в готовых конструкциях перекрытий.
• Необходимость устройства временных свай для восприятия монтажных нагрузок от перекрытий.

Рисунок 3. Устройство двухуровневых подземных объемов – устройство монолитного железобетонного перекрытия в зоне двухуровневого подземного сооружения на отм. +1,81 и экскавация второго уровня до проектной глубины котлована

Котлован с металлическими распорными системами – открытый котлован (устройство двухуровневого подземного сооружения), т.е. работы производятся в открытом котловане по отдельным участкам.

В этом случае возможная последовательность экскавации двухуровневого подземного сооружения выглядит следующим образом: на первом этапе выполняется устройство двухуровневого подземного сооружения под защитой двух уровней металлических распорных систем в первой траншее (рисунок 4); на втором этапе выполняется устройство двухуровневого подземного сооружения в параллельной траншее. Выполненные элементы железобетонных конструкций подземного сооружения на двух параллельных траншеях объединяются в единое подземное сооружение в следующей последовательности (рисунок 5):

1. Распорные вставки между элементами двух подземных сооружений в захватках вырезаются на длине 3-4 м.
2. На рабочем участке/захватке производится извлечение элементов шпунтового ограждения.
3. Свободный участок между двумя захватками бетонируется.
4. Осуществляется переход к следующей захватке, где данная последовательность выполнения работ повторяется.

К преимуществам варианта устройства подземного сооружения по отдельным захваткам можно отнести:

• Возможность разработки котлована в необходимой последовательности и очередности;
• Снижение затрат на экскавацию грунта;
• Возможность устройства деформационных и температурных швов;
• Отсутствие необходимости разработки грунта на больших участках котлована.
• Возможность быстрой консервации котлована в рамках отдельного пускового участка, например, при возникновении внештатной ситуации или задержки финансирования объекта.

К основным недостаткам данного варианта можно отнести:

• Необходимость погружения и вибрационного извлечения большого количества шпунтового ограждения;
• Необходимость монтажа большого количества распорных систем. 

Рисунок 4. Устройство двухуровневых подземных объемов по отдельным участкам с использованием металлических распорок и временного шпунта

Рисунок 5. Устройство двухуровневых подземных объемов по отдельным пусковым участкам с использованием металлических распорок и временного шпунта

В настоящее время для устройства шпунтовых стен используются металлические прокатные профили, различающиеся формой поперечного сечения, устройством замка и его расположением относительно самого профиля. Металлические прокатные профили имеют небольшую толщину и относительно высокий момент сопротивления по отношению к площади поперечного сечения. Конструкции замка, который выполняется в виде крючка или кулачка, обеспечивают легкость установки шпунта в замок, необходимую прочность, плотное соединение шпунтовых элементов между собой.

Зарубежный и отечественный опыт применения металлических шпунтовых свай позволил выявить области их эффективного использования в качестве постоянных элементов подземных (заглубленных и полузаглубленных) зданий и сооружений. Области использования профилированных стальных шпунтовых свай в качестве постоянных конструктивных элементов распространяются на все сферы строительства. Традиционно шпунтовые сваи используются для возведения гидротехнических сооружений при строительстве причалов, портов и т. д. [2]

В последние десять лет стальные шпунтовые сваи стали широко применяться в дорожном строительстве (автомобильном и железнодорожном) в качестве ограждений тоннелей, эстакад, подземных переходов, насыпей и т. д.

В последнее время накопился опыт применения шпунтовых свай в гражданском и промышленном строительстве в качестве подпорных стен, ограждений котлованов, траншей, шахт и в качестве противофильтрационных завес (рисунки 20-22) при строительстве заглубленных паркингов, технических, торговых, развлекательных и спортивных помещений.

Расчёт котлована с применением металлического шпунтового ограждения был выполнен с использованием программы Plaxis 2D. Это программный комплекс, предназначенный для расчета напряжений и деформаций в массиве методом конечных элементов.

Рисунок 6. Полные перемещения

Рисунок 7. Эпюра перемещений по оси х

Рисунок 8. Эпюра перемещений по оси у

Для обеспечения минимального воздействия строительства на существующие здания и сооружения были приняты следующие конструктивно-технологические решения:

- до начала работ по устройству котлована выполняется усиление оснований, фундаментов и надземных конструкций домов №11, 13 и 15, расположенных вблизи проектируемого объекта;

- для ограждения котлованов используется шпунтовая стена. Длина шпунтовых свай – 24 м. Шпунт является не извлекаемым (за исключением некоторых внутренних шпунтовых стен);

- разработка котлована ведется с устройством 1 или 2-х ярусов распорной металлической системы из труб;

- до начала строительства на опытных площадках произведены испытания свай для усиления фундаментов и основных свай, а также погружен шпунт и отрыт пионерный котлован. В итоге получена подробная информация воздействии погружения на прилегающую территорию;

- в процессе строительства производится мониторинг осадок окружающей территории и зданий, мониторинг уровня вибрации и горизонтальных отклонений шпунтового ограждения.

Для данных задач были использованы плоские расчетные схемы. Выполнена серия расчетов, из которых были приведены 3 варианта: котлован с отметкой дна +0,560 м, котлован с отметкой дна -2,500 м, котлован с отметкой дна -2,500 м и прилегающим к нему вплотную зданием (на расстоянии 2,5 м).

В расчетной схеме была применена нелинейная модель Кулона-Мора.

В результате выполненного расчёта были определены горизонтальные перемещения стенки, перемещение грунта на дне котлована, максимальная дополнительная осадка здания, расположенного на расстоянии 2 м от котлована.

Полученные результаты носят практический характер и могут быть использованы организациями, занимающимися строительством подземных сооружений (паркингов), проектированием нулевого цикла фундаментов, погружением шпунтовых ограждений и земляными работами на территории Санкт-Петербурга, а также в учебном процессе для подготовки студентов строительных специальностей.

Список литературы:

1. Трушко О.В., Кутявин Д.В. Устройство котлована в условиях сильно деформируемых грунтов при строительстве многоэтажного бизнес-центра с учётом обеспечения устойчивости близстоящих зданий и сооружений // Вестник Евразийской науки. – 2018. - №1. – С. 1-16
2. Конюхов Д.С. Строительство городских подземных сооружений мелкого заложения. Специальные работы. – М.: Архитектура-С, 2005. – 304 с.