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.
На взлетной полосе
Аэродромные железобетонные плиты все чаще применяются при строительстве сверхпрочных дорог и площадок для тяжелой спецтехники.
С середины XX века советские заводы ЖБИ начали активно заниматься производством плит для аэродромов. Их номенклатурное название – плиты аэродромные гладкие (ПАГ) – сохранилось до наших времен. Массовый выпуск был обусловлен политической ситуацией. Государство нуждалось в большом количестве полевых военных аэродромов, которые должны иметь быстровозводимые взлетные полосы для приема тяжелой авиатехники. После распада СССР объемы производства ПАГ в России свелись к минимуму.
Однако сейчас выпуск этой продукции вновь начал расти, но в основном по вполне мирным причинам. Аэродромные плиты используют при строительстве и реконструкции взлетных полос гражданских аэропортов. Кроме того, их по достоинству оценили компании, возводящие сверхпрочные временные и постоянные автомобильные дороги, а также площадки для использования тяжелой строительной техники. К тому же такие плиты активнее стали использовать при строительстве морских портов, терминалов, крупных логистических комплексов.
Принять все
ПАГ должны соответствовать ГОСТ 25912.0-91 и ГОСТ 25912-2015. Они регулируют качество бетона и свойства плиты в целом. Сейчас выделяют три вида плит: ПАГ-14, ПАГ-18 и ПАГ-20. Отличаются они между собой показателем толщины (140, 180 и 200 мм). Все они рекомендованы для устройства постоянных и временных покрытий аэродромов, городских дорог и территорий с рабочей нагрузкой до 75 тонн на кв. м. При производстве этих изделий используется бетон марки B30 М400 с коэффициентом класса морозостойкости F200.
Как рассказали «Строительному Еженедельнику» в ООО «ЖБИ №1 Рыбацкое», главные преимущества ПАГ – прочность и долговечность. Принять они могут очень высокую нагрузку, в том числе моментальную. Кроме того, ПАГ имеют четкие пропорции по ширине и длине, а шероховатое покрытие создает хорошее сцепление колес с их поверхностью. Устанавливать, эксплуатировать и заменять конструкции можно в любое время года. За счет габаритов они удобны для транспортировки железнодорожным и автомобильным транспортом.
По характеристикам, рассказывают в АО «ПО «Баррикада», ПАГ идеально подходят для суровых, жестких и агрессивных условий эксплуатации. Для получения прочностных показателей и устойчивости к воздействию низких температур и воды при изготовлении этих изделий предусматривается предварительное натяжение рабочей продольной арматуры, а также использование бетонной смеси и собственно бетона особого состава. Укладка плит происходит в короткий промежуток времени, что является еще одним их преимуществом. Они соединяются в единую плиту за счет сварки, а также путем замоноличивания соединительных швов цементно-песчаным составом и битумной мастикой. Иногда новое покрытие укладывается на старое, тем самым повышая несущую способность взлетно-посадочных полос. При этом использование ПАГ может быть неоднократным, так как они, даже бывшие в употреблении, не теряют своих характеристик.
Новые возможности
Игроки рынка отмечают, что некоторые заводы ЖБИ имеют полувековую традицию выпуска ПАГ и по праву заслуживают высокую оценку качества производства. При этом некоторые предприятия сейчас совершенствуют выпуск аэродромных плит.
Так как ПАГ имеют свою специфику, их выпускают далеко не все производители ЖБИ. Тем не менее количество организаций, занимающихся данным направлением деятельности, растет. Коммерческий директор АО «ПО «Баррикада» Алексей Мицул помимо своего предприятия среди производителей в СЗФО выделяет ООО «СИБ Центр», ООО «ПТК-ДорСтрой», ООО «Перспектива», ООО «СТК-Модуль». Среди компаний из других регионов – ООО «ХК «Башбетон», ООО «ТПК «Очаковский комбинат ЖБИ», ООО «Моревский завод железобетонных изделий». Также присутствуют игроки рынка из Беларуси: комбинат ЖБИК (ОАО Оршанский Строительный трест №18), ОАО «Барановичский комбинат ЖБК».
По мнению специалистов, производителей ПАГ могло быть еще больше, но пока не сформировался рынок сбыта. Генеральный директор ООО «СТД» ЖБИ Сергей Нестеров полагает, что основная проблема – это отсутствие специалистов среди проектировщиков, которые умело могли бы задействовать новинки ЖБИ, если бы изучали процессы производства и технологии монтажа. «На сегодняшний день очень редко можно встретить хороших конструкторов, которые могут сделать сложные расчеты для применения ЖБИ в строительстве. До сих пор в производстве и сборке применяются технологии советских времен. Это хорошо и надежно. Но есть уже усовершенствованные технологии производства, обеспечивающие более высокое качество продукции. Однако проектировщики не задействуют такие изделия, и поэтому все приходится делать по старинке. Таким образом, страдают и заказчик, и производитель», – считает он.
На новом уровне
За счет внедрения «цифры» новые геодезические приборы стали более технологичными. Однако значительная часть такого оборудования производится в зарубежных странах и не всегда доступна по цене геодезистам.
За последние 10–15 лет рынок геодезических приборов значительно изменился. Уже использующееся специалистами оборудование получило электронную начинку. Также появились приборы, о которых ранее геодезисты даже мечтать не могли.
Быстрее и точнее
По словам генерального директора ООО «Геодезические приборы» Михаила Алексеева, в настоящее время при выполнении геодезических работ наблюдается тенденция повышения эффективности производства за счет внедрения цифровых технологий. Решению этой задачи и способствуют современные геодезические средства измерений, такие как электронные тахеометры, спутниковая аппаратура, лазерные сканеры. Они дают возможность проводить исследования более точно и в сжатые сроки.
Так, отмечает Михаил Алексеев, выпускаемые сейчас модели электронных тахеометров имеют безотражательный режим работы дальномерного канала. Причем у большинства моделей дальность измерений при использовании этого режима составляет не менее 500 м, а у некоторых – может достигать 2 км. Также у этих приборов существенно увеличился объем памяти, появилась возможность подключения внешних накопителей информации и отказа от кабельных соединений. Заметно расширилось применение роботизированных моделей, позволяющих дистанционно управлять процессом измерений и повышать производительность работ.
«Пользовательский сегмент спутниковой геодезической аппаратуры опирается сегодня на многочастотные и многосистемные спутниковые приемники интегральной конструкции, включающей и антенну GPS (GNSS), и элементы питания, и модемы, и модуль Bluetooth. Активно развиваются сети базовых станций, и открывается возможность работы с одним спутниковым приемником. Такие сети, в частности, созданы в Петербурге и Ленобласти», – отмечает Михаил Алексеев.
По словам экспертов, также в геодезическом сопровождении строительства начали активно использоваться комплексные системы, реализующие BIM-технологии. В качестве источников измерительной информации в этих системах используются лазерные 3D-сканеры, а также беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с установленными на них различными датчиками, в том числе фотокамерами, сканерами и т. д.
Руководитель конструкторского бюро Optiplane Кирилл Яковченко рассказывает, что геодезисты уже сейчас применяют в качестве БПЛА с использованием методов фотограмметрии квадрокоптеры (для небольших площадей) и самолеты-планеры (для протяженных крупных объектов). «Для использования планера требуется квалификация пилота самолета, которой большинство геодезистов не обладает, и быстро получить ее невозможно. Поэтому геодезисты раньше вынуждены были для больших площадей либо нанимать пилотов, либо делать все по старинке наземным способом. Сейчас наиболее удобным и универсальным промышленным БПЛА является винтокрыл, который позволяет использовать все плюсы квадрокоптера и в то же время имеет большую дальность полетов для съемки больших площадей. На сложных участках гибридный дрон в 5–10 раз выгоднее квадрокоптера», – добавляет он.
Цена вопроса
Значительная часть современного высокотехнологичного геодезического оборудования производится в зарубежных странах. Как отмечают игроки рынка, процесс импортозамещения в данном сегменте развивается весьма слабо.
Сама стоимость ряда видов оборудования за последние 3-4 года несколько снизилась. Это связано с более глубоким и масштабным проникновением «цифры» во многие отрасли и, как следствие, удешевлением этого процесса. Тем не менее, новые приборы не всегда доступны по цене российским геодезическим организациям. Для небольших компаний приобретение такой техники – большие финансовые затраты, хотя потом они чаще всего окупаются.
Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов» Сергей Лазарев отмечает, что сейчас наиболее активно в геодезии применяются электронные тахеометры и приемники GPS, GNSS. По его мнению, за последние 10 лет и те, и другие действительно немного преобразились, хотя и без добавления инновационных функций, которые сильно ускорили бы работу. «Очень сильно подешевело GPS-оборудование. Так, 10 лет назад комплект стоил от 1 млн рублей, а теперь можно купить его за 150–300 тыс. И это при том, что стоимость отечественной валюты гораздо ниже, чем раньше. Электронные тахеометры также изменились в лучшую сторону, но без такого резкого снижения цены. Это связано с тем, что это – оптические приборы, которые требуют очень серьезного оптико-механического производства. Другое дело GPS, где почти весь прибор состоит из одной микросхемы. К сожалению, инновационные роботизированные оптические приборы плохо приживаются в России, ввиду кризисного состояния строительного рынка, а следовательно, и рынка инженерных изысканий. Так, на стройплощадках в Европе почти все тахеометры – новые и роботизированные, а у нас 5–15-летние модели. Другие приборы компании просто не могут себе позволить», – полагает он.
Сергей Лазарев также вспоминает, что недавно на выставке он видел простой квадрокоптер, но с установленной мобильной GPS-антенной. Таким образом, из-за дешевизны GPS-микросхем появились новые дешевые летательные аппараты для точной аэрофотосъемки небольших территорий (8–10 га). «Правда, вряд ли они смогут изменить ситуацию на рынке. Не так давно в Петербурге введен запрет на полеты БПЛА в городском пространстве, а получение разрешения – крайне утомительный и долгий процесс», – отмечает специалист.
Напомним, в 2016 году на федеральном уровне уже были ограничены возможности использования БПЛА. Согласно принятому закону, аппараты, взлетная масса которых более 250 г, должны быть зарегистрированы и сертифицированы. В госорган необходимо предоставить план полета и получить отметку о его согласовании. Однако в настоящее время эти правила использования БПЛА как гражданами, так и многими организациями не исполняются. Тем не менее, представители геодезических компаний опасаются, что их беспилотники стоимостью в несколько сотен тысяч рублей могут быть без предупреждения сбиты сотрудниками правоохранительных органов.
Мнение
Сергей Лазарев, заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов»:
– Серьезного процесса импортозамещения в производстве приборов для геодезии не существует. На заводе УОМЗ в Екатеринбурге выпускают тахеометры. Также в России осуществляется производство приборов фирмы Leica, но это скорее очень крупная «узловая сборка». Ряд российских компаний производит GNSS-оборудование, заказывая комплектующие в Китае и США. В общем и целом, производства полного цикла приборов для гражданских геодезических работ у нас нет. Возможно, существует такое военное производство для ГЛОНАСС-приемников, но это не массовый сегмент. Выбор геодезиста очевиден – это использование импортной техники.