Струйная цементация грунтов. Современные геотехнологии в решении сложных задач освоения подземного пространства
По оценке экспертов, в инженерно-геологическом отношении территория Петербурга весьма непростая и потребность в закреплении грунтов при новом строительстве и реконструкции зданий достаточно высока. Многое, конечно, зависит от особенностей конкретной площадки и поставленных текущих задач, но специалисты рекомендуют при работе с грунтами и фундаментами обращаться к технологии струйной цементации (jet grouting). В частности, она уже была задействована на таких городских объектах, как Западный скоростной диаметр, (ЗСД), станция метро «Адмиралтейская», новое здание Мариинского театра и т.д.
Впрочем, струйная цементация грунтов сейчас при реализации сложных проектов активно используется не только в Петербурге, но и в Москве и в других городах. Кроме того, технологию начинают применять и в массовом строительстве, так как она, в ряде случаев, более целесообразна, чем создание свайного фундамента из забивных или буронабивных свай.
Выбирая эффективность
Сущность технологии jet grouting, рассказывает Дмитрий Малинин, технический директор ООО «СК «ИнжПроектСтрой» (входит в группу компаний Malinin group), заключается в использовании энергии высоконапорной струи цементного раствора для разрушения и одновременного перемешивания раствора с грунтом. Струйная цементация позволяет укреплять практически весь диапазон грунтов: от гравийных отложений до мелкодисперсных глин и илов, практический во всех климатических условиях. При этом достигается высокая скорость сооружения грунтоцементных свай; сохраняется возможность работы в стесненных условиях; отсутствует динамическое воздействие на фундаменты близко расположенных зданий.
«Для закрепления грунтов на большой площади и при отсутствии окружающей застройки эффективнее применять двухкомпонентную технологию Jet2 (цементная смесь + воздух), это снизит стоимость работ и ускорит сроки их выполнения. Однако, в случаях, когда деформация оснований существующих конструкций недопустима, следует использовать технологию Jet1 (цементная смесь), т.к. однокомпонентная технология не приводит к значительному подъему поверхности окружающего грунта»,- подчеркнул он.
По словам руководителя проектов АО «Нью граунд» Светланы Рубцовой, струйная цементации грунта позволяет значительно упростить процесс строительства на нестабильных, обводненных и нарушенных породах и может использоваться практически в любых грунтах, от мелкодисперсных до глинистых. «Данная технология позволяет, - добавляет эксперт, - открыть новые перспективы в строительстве на участках со сложными геологическими условиями, решая ряд серьезных проблем, связанных с безопасностью существующего или будущего сооружения. Струйная цементация грунта используется для улучшения прочностных, противофильтрационных и деформационных характеристик в пределах пятна застройки новых зданий, используется при создании противофильтрационных завес, при укреплении откосов и склонов, при строительстве дорог и при реконструкции зданий. При этом работы могут выполняться в стесненных условиях плотной городской застройки».
Без технологии струйной цементации невозможно осваивать подземное пространство исторического мегаполиса, считает генеральный директор института «Геореконструкция» Алексей Шашкин. «Именно поэтому мы приняли активное участие в создании норм, посвященных этой тематике (СП 291.1325800.2017). Уникальность технологии заключается в том, что она позволяет сформировать конструкцию в грунте до откопки. Эта конструкция по своим механическим свойствам на два порядка лучше грунта, но на порядок хуже бетона. Поэтому при проектировании следует руководствоваться простыми правилами: бетон не работает на растяжение и изгиб – закрепленный грунт тем более. Там, где не сработает бетон, бесполезен и грунтоцемент», - уверен он.
Важный фактор
Качество проведения струйной цементации во многом зависит от используемого оборудования. Одно из преимуществ технологии – возможность выполнения работ малогабаритными буровыми машинами, в том числе в условиях ограниченного пространства.
«Jet grouting относится к специальным работам, когда невозможно применение традиционных технологий или при выполнении аварийных и контраварийных работ в строительстве. В последние годы новых компаний в данной отрасли практически не встречается, как правило, это уже опытные игроки, освоившие технологию еще в начале 2000-х годов. Выбор одно- или двух компонентной технологии струйной цементации определяется проектировщиком исходя из физико-механических свойств грунта и типа сооружения (противофильтрационная завеса, укрепление основания и т.д.) Трехкомпонентная система в России не встречается. При выборе данного оборудования одним из основных критериев является длина мачты, т.к. при формировании грунтоцементой сваи желателен непрерывный подъем бурового става», - отмечает специалист по буровым установкам XCMG ООО «СюйГун Ру» Игорь Мурашов.
В прошлом году, добавляет представитель компании-производителя спецоборудования, XCMG выпустила модель буровой XMZ120A для выполнения работ по струйной цементации с глубиной бурения в один проход 15,4 м. А в этом году модельный ряд пополнился компактной буровой установкой XMZ90. Габаритные размеры этой машины позволяют работать внутри тоннелей и зданий. А опорно-поворотное устройство мачты позволяет позиционировать машину в любых труднодоступных местах.
Пермская школа
Эксперты подчеркивают, что кроме высокотехнологичного оборудования, конечно же, важен опыт и знания специалистов, которые будут проводить работы по укреплению грунтов и фундаментов по данной технологии. В настоящее время на рынке представлены ряд крупных компаний из Перми, которые реализовывают проекты по всей стране. К таковым, в том числе, относятся «ИнжПроектСтрой» и «Нью граунд».
По словам Алексея Шашкина, при реализации проектов «Геореконструкция» привлекала профессионалов, которым не надо рассказывать, какими должны быть кадровое обеспечение, парк спецтехники и как с нею работать. Таких подрядчиков удалось найти далеко за границами Петербурга – в Перми, где существует сильная геотехническая школа. Сегодня они «прописались» и на петербургских, и на московских объектах.
«По нашим проектам с их помощью созданы, например, подземные объемы под зданием бывшей кузни и корпусом 12 ансамбля «Новая Голландия» в Петербурге, под павильоном «Поволжье» ВДНХ в Москве. Под защитой распорного диска, образованного с помощью jet grouting ниже дна котлована по разработанному нами методу «жесткого контура», выполнены подземные сооружения в непосредственном примыкании к историческим зданиям, в том числе, на Загородном проспекте и Воскресенской набережной. При этом – что уникально для нашего города – осадки соседних зданий остались в рамках допустимых нормами значений», - подчеркнул глава института «Геореконструкция».
Подрядчик, выполняющий работы в области подземного строительства, должен обеспечивать комплексный подход к решению геотехнической задачи, считает Дмитрий Малинин. Он отметил, что в группе компаний Malinin group успешно реализован данный принцип. Мы обладаем необходимым опытом и знаниями для выполнения проектных работ, практического применения технологии струйной цементации, производства бурового оборудования и инструмента. Особенно интересен опыт компании совмещения технологий jet grouting c технологией deep-soil-n-mixing (DSM) и технологией устройства анкеров Атлант. А результате совмещения с последней получена новая технология АtlantJET для устройства грунтовых анкеров и свай повышенной несущей способности.
«Наша компания выполняла работы на таких значимых объектах как подземный межтерминальный переход в аэропорту Шереметьево, центр строительства крупнотоннажных морских сооружений в г. Мурманск, трасса гонок «Формула 1» и горная дорога к олимпийским объектам в Сочи, метрополитены в Москве, Екатеринбурге, Казани и Челябинске, усиление оснований под ёмкостями для хранения нефтепродуктов в Тель-Авиве (Израиль) и т.д», - сообщил Дмитрий Малинин.
Светлана Рубцова также рассказала о некоторых достижениях компании «Нью Граун». Она отметила, что с помощью метода струйной цементации за годы своего существования организация реализовала более 2 тыс. объектов, от реконструкции зданий культурного наследия до усиления причалов и плотин гидротехнических сооружений и создания новых территорий в акватории реки.
«Одним из последних крупных объектов, реализованных в 2020 году, стала подземная часть комплекса ТРК «Эспланада» в городе Перми. В самом центре города было организовано подземное пространство размерами и глубиной с пятиэтажный жилой дом. Вокруг него находятся высотные здания, дороги и трамвайные пути, инженерные сети целого района. Перед специалистами компании стояла задача придумать и воплотить такую конструкцию, которая бы позволила сохранить все это без изменений. Было получено и проанализировано большое количество геологических данных площадки; выполнено компьютерное моделирование всех этапов строительства и эксплуатации здания, для строительства использованы специальные технологии: «стена в грунте» и струйная цементация грунта, постоянно велся мониторинг технического состояния окружающей застройки, контроль работ выполнялся независимой специализированной организацией. В конечном итоге сложная инженерная задача была решена пермскими специалистами в короткие сроки и с высоким качеством», - подчеркнула Светлана Рубцова.
ROSSTRO-VELOX: экономия и энергоэффективность
Технология ROSSTRO-VELOX обеспечивает высокое качество и скорость строительства при значительном снижении затрат, а также повышает энергоэффективность возведенных объектов.
ROSSTRO-VELOX – это технология монолитного строительства с утепленной несъемной опалубкой из щепоцементной плиты. Может применяться при возведении как высотных, так и малоэтажных жилых домов, офисных, производственных зданий, торговых комплексов и т. д. В соответствии с ней, при строительстве дома в ходе одного производственного процесса проводится монтаж опалубки и утепление здания. Благодаря совмещению существенно сокращаются сроки, трудозатраты и стоимость строительства.
Комплексное производство
Технология была разработана в середине прошлого века австрийской семейной фирмой VELOX WERK GmbH. Затем она распространилась в ряде других европейских стран под брендом VELOX. В 1999 году ФПГ «РОССТРО» получила подряд на строительство коттеджного поселка в Сосновом Бору (Ленобласть), где впервые применила данную технологию. Она оказалась настолько эффективной, что в 2003 году компания открыла в Кингисеппе первый завод по выпуску щепоцементных плит VELOX. Также «РОССТРО» совместно с австрийскими партнерами стала патентообладателем и совладельцем этой строительной системы, которая получила название ROSSTRO-VELOX.
В настоящее время на трех производствах ФПГ «РОССТРО» в Кингисеппе производится полная номенклатура данной продукции. Все плиты имеют стандартный размер 2000х500 мм. Их толщина составляет 25, 35, 50, 75 мм. Они легко комбинируются с металлическими, деревянными, кирпичными и панельными конструкциями. Материал опалубки позволяет воплощать сложные архитектурные формы и декоративные элементы фасада.
Кроме того, с 2016 года «РОССТРО» выпускает щепоцементные блоки. Они предназначены для устройства ограждающих строительных конструкций. Производится четыре вида продукции. Это полнотелый блок с размерами 190х190х390 мм (ширина / длина / высота), пустотный с аналогичными параметрами, а также пустотные с размерами 120х190х390 и 90х190х390 мм.
Щепоцементные плиты и блоки имеют поверхность различной степени шероховатости, открытую пористую структуру, способствующую хорошему сцеплению с кладочным раствором и нанесению штукатурного слоя на поверхность стен.
Стоит отметить, что в домах, построенных по технологии ROSSTRO-VELOX, очень часто делается ребристое монолитное перекрытие. В качестве несъемной опалубки применяются пустотные короба перекрытия, которые также выпускаются «РОССТРО». Их размер определен размером плит и составляет 200х50 см. В зависимости от пролета и нагрузки на перекрытия короба выпускаются стандартной высотой 170, 220, 260 мм для пролетов до 7,7 м. При пролетах до 14 м высота коробов определяется дополнительным расчетом.
Кроме того, для крепления щепоцементных плит «РОССТРО» наладило производство металлических стяжек. Выпускаются пять их видов: односторонние, двухсторонние, для перекрытия, промежуточные, для ростверка. Размеры стяжек зависят от проектных данных конструкций. Таким образом, компания может обеспечить подрядные организации и граждан, занимающихся индивидуальным строительством, полным комплектом материалов, необходимых в работе.
Фактор экономии
Специалисты отмечают, что в настоящее время технология ROSSTRO-VELOX сохраняет свою популярность и востребованность. Это связано с тем, что она обеспечивает высокое качество и скорость строительства, при экономии финансовых и трудовых затрат. Данный фактор очень важен как для массового, так и индивидуального домостроения.
В частности, для Петербурга и Ленобласти себестоимость строительства коробки дома площадью до 200 кв. м с использованием этой технологии у подрядчика составляет около 9145 рублей за 1 кв. м; если работать собственными силами – 6804 рублей. Это существенно дешевле по сравнению с другими вариантами, подчеркивают представители «РОССТРО». Проведенные расчеты показывают, что себестоимость строительства домов по технологиям монолитного строительства в несъемных опалубках других производителей получается дороже на 8–24%, из газобетона – на 43%, из пенополистиролбетона – на 35%, а из кирпича – на 85%.
Работы по технологии ROSSTRO-VELOX позволяют достичь экономии как при проектировании и возведении объектов, так и на стадии их эксплуатации. В частности, отсутствие мощной крупногабаритной подъемной техники, незначительная по размеру стройплощадка – существенно снижают себестоимость строительства. Компактность и низкий вес материала позволяют значительно экономить на транспорте, фундаментах и меньшем армировании конструкций. Стена ROSSTRO-VELOX толщиной 340 мм полноценно заменяет метровую стену из эффективного кирпича, увеличивая полезную площадь здания. На стройплощадке не надо организовывать складирование материала. Все, что поступает на стройку, тут же идет в работу.
Кроме того, при использовании щепоцементных плит можно сэкономить время при внешней отделке дома. При соблюдении аккуратности построенная коробка максимально подготовлена под чистовые работы. Штукатурка крепко схватывается с поверхностью плит, что значительно увеличивает сроки между ремонтами.
Сохранить тепло
Другие немаловажные преимущества технологии ROSSTRO-VELOX – это экологичность и энергоэффективность. Основа щепоцементных плит – еловая щепа. Пористая структура обеспечивает отличный воздухообмен, в помещениях создается микроклимат, как в деревянном доме. В процессе эксплуатации здание не выделяет в окружающую среду никаких вредных, загрязняющих веществ.
Кроме того, высокое сопротивление теплопередаче наружных щепоцементных стен ROSSTRO-VELOX позволяет на 40% снизить расходы на отопление домов. Эта особенность подтверждена исследованиями специалистов. За счет своего состава плита и утеплитель не пропускают внутрь дома холод или жару с улицы. Также монолитная структура без швов и стыков исключает появление «мостиков холода», образующихся при строительстве из блочных материалов. Стоит добавить, что толщина теплоизоляционного слоя легко варьируется в зависимости от нормативных требований по теплотехнике и пожеланий заказчика. Причем при изменении толщины утеплителя можно существенно уменьшить теплопотери, при незначительном удорожании материала.
Таким образом, объекты, построенные по данной технологии, можно считать соответствующими всем требованиям «зеленого» строительства и внедряемым стандартам энергоэффективности. Кстати, в настоящий момент материалы ROSSTRO-VELOX все активнее задействуют и в капитальном ремонте многоквартирных домов. Сформировавшийся тренд свидетельствует о действительно положительном эффекте применения этой технологии.
Мнение
Владимир Мамсуров, президент ООО «Велокс-Лайф»:
– Для ответа на главный вопрос – о соответствии домов VELOX нормативу энергосберегающего здания – несколько лет назад мы провели эксперимент. В построенном нами в Подмосковье одноэтажном жилом доме с мансардой, общей площадью 165 кв. м, до заселения людей в помещениях установили контрольное оборудование и электрические нагреватели с автоматическим режимом. Также мы рассчитали немецкий норматив энергосбережения для такого объекта. Показания снимались бесперебойно в течение месяца (а это был февраль) два раза в день: в 10:00 и в 22:00. В итоге фактическое потребление электроэнергии за месяц превысило немецкий норматив в 8480 кВт всего на 1%, что лежит в зоне погрешности подобных измерений. Учитывая то, что эксперимент и замеры проходили в отсутствие жильцов, данной погрешностью можно пренебречь, поскольку известно, что проживание семьи в доме автоматически приводит к повышению температуры на 3-4 градуса, давая соответствующую экономию отопления.
Игорь Коваль: «Действующие ГОСТы для добавок в бетон серьезно устарели»
Существующая нормативная база по разработке и применению добавок в бетон требует коррекции. Такие выводы делает руководитель научно-технического центра ООО «Полипласт Северо-Запад» Игорь Коваль. По его мнению, устаревшие ГОСТы не только не позволяют оценивать фактическую эффективность современных добавок, но и тормозят развитие рынка.
– Игорь Валерьевич, действительно ли действующая нормативная документация, а именно ГОСТы на химические и минеральные добавки в бетон, не отвечает запросам производителей?
– К сожалению, это так. Поэтому коррекция нормативов, касающихся применения добавок в бетоне, необходима. Один из важных отраслевых ГОСТ 30459-2008 «Добавки для бетонов и строительных растворов. Определение и оценка эффективности» не пересматривается уже 12 лет. Ряд методик уже не соответствует реальности, они устарели по номенклатуре типов добавок, технологиям производства конструкций, применения бетонов в холодный период года.
В частности, ГОСТ 30459-2008 при оценке эффективности добавок для ЖБИ использует режим прогрева +80 °С. При этом сравнение ведут на контрольном бездобавочном бетоне с величиной осадки конуса ОК = 1–4 см (марка смеси П1) и бетонах с суперпластификатором с ОК = 21 см (марка смеси П5). Техническая проблема в том, что в бетонах с абсолютно разными марками смеси П1 и П5 и неизменной величиной водоцементного отношения в 95% случаев результаты не покажут идентичную прочность – в частности, за счет действия расслоения смеси и погрешности испытаний.
Кроме того, температура +80 °С практически не используется в ЖБИ, КПД, ДСК и отрицательно влияет на физико-механические характеристики бетона по прочности и особенно на параметр качества – долговечность. Производственные режимы на современных продуктах и технологических линиях ограничены +50–60 °С. В связи с этим методика с оценкой при +80 °С и марках смеси П1 против П5 (ОК = 21 см и более), которая в реальности также не используется на заводах ЖБИ (за исключением СУБ или «кассет»), не позволяет оценивать эффективность добавок, т. е. нарушены смысл и цели, декларируемые в данном ГОСТ.
– Какие еще есть несоответствия?
– Серьезные проблемы с методикой оценки эффективности противоморозных добавок по «теплому» и «холодному» методам. Если первый метод используется на практике, то по второму, «холодному», оценить противоморозный эффект добавок почти невозможно. Даже обычные добавки-пластификаторы и просто бездобавочный бетон часто оказываются противоморозными. «Секрет Полишинеля» заключается во времени выдерживания бетона при оттаивании в нормальной температуре (+20 °С). Причем разрешенное время оттаивания до испытаний – от 24 до 48 часов – принимается согласно ТУ производителя добавок. На практике при температуре в теле бетона –12-15 °С не существует химических компонентов, обеспечивающих гидратацию цемента при условии использования добавок в разрешенном нормативами количестве не более 5% от массы цемента. Из этого следует, что бетоны, выдерживаемые по «холодному» методу, не твердеют на проверяемой минусовой температуре и прочность набирают из пластичного состояния смеси сразу после оттаивания за 24 или 48 часов. Ряд технических возможностей и адекватная оценка поликарбоксилатных добавок, несмотря на их активное применение, остались «за бортом» нормативов.
– Помогает ли сертификация добавок в бетон качественному развитию рынка стройматериалов?
– Сертификация – это важно и нужно! Вопрос заключается в квалификации и опыте оценивающих продукцию (бетон). Это скорее вопрос доверия к проверяющим и контролирующим органам, чем к самой процедуре, которая введена правильно.