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.
Строить, не разрушая
Одной из причин частичного или полного разрушения конструкций возводимых объектов и окружающих строений являются деструктивные изменения грунтовых оснований. Контроль за их состоянием осуществляется при помощи геотехнического мониторинга (ГТМ).
Опыт последних десятилетий доказал, что слабые грунты и наличие окружающей застройки, пусть даже старой, не являются блокирующими ограничителями для строительства самых современных объектов. Высотные здания и подземные этажи перестают быть экзотикой, и их возведение вполне может производиться без ущерба для соседних строений. Это принципиально отличает сегодняшнюю ситуацию в России от начала 1990-х.
Начало пути
«В конце 1900-х и начале 2000-х годов в центре Санкт-Петербурга были зафиксированы случаи негативного воздействия нового строительства и реконструкции на здания окружающей застройки», – отмечает старший инспектор КГИОП Ростислав Петров. Причинами, по его словам, следует считать несовершенство методов геотехнических расчетов (в отдельных случаях пренебрежение ими) и отсутствие эффективных технологий, точнее – самое начало их освоения на российском строительном рынке.
У многих отложился в памяти первый этап строительства ТЦ «Галерея» у Московского вокзала, повлекший ущерб окружающей застройке. По словам профессора СПбГАСУ, д. т. н. Рашида Мангушева, французский подрядчик тогда применил неподходящую технологию устройства свайных оснований. «Производилось выбуривание из трубы большого диаметра без учета того, что грунты в Петербурге – тиксотропные, имеющие свойство обретать плывунное состояние», – отмечает он. Стало происходить затекание грунта из-под соседних оснований, которые в итоге разуплотнились, и когда в этом грунте начали отрывать котлован и производить вибрационное погружение шпунта, по соседним домам пошли трещины.
Развитие технологий
С тех пор определенный опыт приобрели и строители, и контролирующие органы. В практику вошли технологии, позволяющие предотвращать подобные негативные явления; в частности, стали заниматься ГТМ. Проведение этих работ позволяет в динамике отследить состояние грунтового основания возводимого объекта и соседствующих с ним строений. Данные геотехнического прогноза дают возможность выработать рекомендации по устранению порой неожиданно возникающих проблем.
Технологии геомониторинга развиваются достаточно активно, позволяя решать все более сложные задачи. Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов» Сергей Лазарев обращает внимание на недавнее появление интерферометрических радаров и оптоволоконных датчиков. «Первые могут обнаруживать щели с точностью до долей миллиметра, а вторые нужны больше в качестве «сигнализации», они реагируют на растяжение и оповещают о необходимости обратить внимание на определенный узел», – отмечает он.
Начальник отдела мониторинга и геодезического контроля ООО «Строй-Эксперт» Дмитрий Егоров отмечает появившуюся в последнее время тенденцию к использованию в целях получения информации о напряженно-деформированном состоянии объекта оборудования, ранее не имевшего отношения к задачам геотехнического мониторинга. «Примером является применение эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама – Бриллюэна в волоконно-оптических линиях, измерения деформаций, показателей температуры и давления на протяженных объектах», – говорит он, замечая, что положительный опыт применения данной технологии в России уже есть.
«В последнее время набирают обороты специальные спутниковые ГНСС-приемники, тензометры, электронные тахеометры с автоматическим наведением и дистанционным управлением, датчики температуры и давления, которые стационарно монтируются на объекте мониторинга и через сеть обмена данными подключаются к серверу управления, а также гидростатические нивелиры и инклинометры», – рассказывает генеральный директор ООО «Строй-Проверка» Вячеслав Гиндин. Эксперт отмечает возможность применения этого оборудования как отдельно, так и в качестве составных элементов полной автоматизированной системы геоинформационного мониторинга на площадке нового строительства.
«Автоматизированные системы, выводящие данные с большого количества датчиков на единый монитор, пока применяются редко по причине их высокой стоимости», – констатирует Рашид Мангушев. По его словам, несмотря на наличие возможности ведения наблюдений за объектом строительства даже со спутников, в большинстве случаев они сегодня ведутся с помощью более простых и экономичных методов. С ним соглашается генеральный директор ООО «БЭСКИТ», к. т. н. Сергей Пичугин, отметивший, что в практике возглавляемой им компании требование о применении таких инновационных технологий геомониторинга встретилось за 25 лет работы только дважды.
Трудности выбора
Рынок услуг геотехнического мониторинга в Петербурге нельзя назвать перенасыщенным, но при этом участников достаточно много.
Сергей Лазарев рекомендует основывать выбор подрядчика в первую очередь на сфере компетенций организаций: «Существует несколько направлений, и какие-то компании могут специализироваться на создании пьезометрических скважин и вибрационном контроле, а кто-то занимается геодезическими вопросами (контролем за раскрытием щелей, за осадками, кренами зданий)».
Сергей Пичугин сетует, что сегодня ни кадровый состав, ни наличие современных приборов не являются критерием отбора подрядчика. «Главный фактор – это наименьшая стоимость. Застройщики мечтают, чтобы эти работы вообще выполнялись за еду», – иронизирует он. Хотя для работы в этой сфере в Петербурге требуется высочайшая квалификация. «Наш город находится в дельте реки Невы, и грунты характеризуются инженерно-геологическим напластованием», – отмечает Рашид Мангушев. К факторам, осложняющим ведение геотехнических работ в Петербурге в целом, он также относит необходимость устройства свай большой длины, обусловленную геологическими особенностями территории: «Мы применяем сваи длиной 20–30 м, а при строительстве «Лахта Центра» их длина доходила до 65 м».
Востребованность
Говоря об уровне спроса на услуги по проведению геотехнического мониторинга, участники рынка высказывают разные позиции. Вячеслав Гиндин отмечает его безусловный рост. «Пришло понимание того, что пренебрежение элементарными нормами строительной безопасности при возведении новых и реконструкции имеющихся сооружений может привести к невозможности нормальной эксплуатации объектов и техногенным катастрофам», – считает он. Эксперт отмечает, что прогрессирующие осадочные и силовые трещины в конструкциях, а также деформации оснований зданий и сооружений, попадающих в зону строительства нового объекта, встречаются в Петербурге довольно часто.
С ним соглашается Сергей Лазарев: «Особенно большой всплеск мы почувствовали два года назад, когда усилился контроль за исполнением требования о необходимости геомониторинга при ведении работ в 30-метровой зоне вокруг существующей застройки».
Менее оптимистично высказывается Дмитрий Егоров: «Спрос на услуги ГТМ растет и количественно, и качественно, но в основном на технически сложных и уникальных объектах строительства или эксплуатации». При этом по более простым, гражданским зданиям спрос, по его мнению, падает, и это связано с общей неопределенностью на рынке жилищного строительства. «За последние годы спрос на мониторинг не изменился. Город строится, и вести его необходимо», – считает Сергей Пичугин.
И все же – не панацея
Ведущие организации при проведении ГТМ в качестве основной задачи видят не измерения как таковые, а формирование на их основе рекомендаций для решения возникающих проблем. «Геомониторинг обязательно должен быть связан с геотехническим сопровождением, ведь значение имеет не столько фиксация осадки, сколько расчет ее неравномерности, своевременное выявление превышений предельно допустимого уровня», – уверен Рашид Мангушев.
По его словам, выводы после проведения такого анализа могут последовать самые разные. В некоторых случаях достаточно вовремя остановить отрывку котлована, тем самым дав возможность осадке стабилизироваться. Но порой возникает необходимость в более существенных мерах – усилении фундаментов окружающих стройку зданий, замене используемой техники, замене технологий и плана производства работ.
Мнение
Сергей Пичугин, генеральный директор ООО «БЭСКИТ»:
– Наша визитная карточка в области геомониторинга – это строительство второй сцены Мариинского театра. Мы вели наблюдения в течение пяти лет и в ходе работы получали удивительные результаты. Бригаду возглавлял замечательный наш главный геодезист, к. т. н. И. М. Репалов, бывший заведующий кафедрой геодезии СПбГАСУ.
Вячеслав Гиндин, генеральный директор ООО «Строй-Проверка»:
– Измерения деформаций оснований фундаментов и несущих конструкций должны проводиться не только в период строительства, но и в период эксплуатации, до достижения условной стабилизации 3 мм в год, что соответствует требованиям ТСН 50-302-2004 «Проектирование фундаментов зданий и сооружений в Петербурге». Мы осуществляли комплекс работ по ГТМ во время эксплуатации как жилых многоквартирных домов (к примеру, по адресу ул. Беринга, 1), так и общественных зданий (например, на Выборгском шоссе, 22). Сейчас мы ведем мониторинг эксплуатации ЖК Master на Серебристом бульваре, а также окружающей застройки.
Дмитрий Егоров, начальник отдела мониторинга и геодезического контроля ООО «Строй-Эксперт»:
– Вовремя зафиксированное изменение состояния объекта всегда является отправной точкой для принятия оперативных решений об изменении технологии строительства или эксплуатации, для осуществления мероприятий, направленных на компенсацию таких явлений и остановку их развития в будущем. Нам приходилось принимать самые разные меры – от усиления конструкций фундаментов до глобальных пересмотров проектов.
Сергей Лазарев, заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов»:
– Был у нас один серьезный гидротехнический объект, где мы проводили ГТМ. Там своевременное обнаружение деформаций причальной стенки в сторону акватории остановило необратимые последствия для стройки в целом. Проектировщики оперативно пересмотрели проектные решения, и ситуация стабилизировалась. Считаю, что заказчик не понес больших убытков только благодаря геомониторингу.
Экологический аспект
Эксперты рекомендуют застройщикам не экономить на экологических изысканиях и проводить их в наиболее комплексном объеме.
Инженерно-экологические изыскания являются обязательным этапом подготовительных строительных работ. Специалисты оценивают состояние окружающей среды и дают прогноз потенциальных перемен, связанных с появлением в данной местности того или иного объекта.
Оценить обстановку
По словам генерального директора компании «КБК Проект» Василия Костина, согласно действующему законодательству, заключение экологов нужно при строительстве любого объекта кроме малоэтажных (до 3 этажей) домов, для проживания одной семьи, и сопутствующих построек. «Застройщику важно понимать все нюансы местности, для того, чтобы избежать форс-мажорных ситуаций во время проведения работ. Особенно это актуально, когда стройка идет на сложной пересеченной местности. Комплексная инженерно-экологическая экспертиза состоит из 15 основных пунктов и может занять несколько недель, а то и месяцев. Но полные экспертизы, учитывающие абсолютно все факторы влияния окружающей среды, проводятся достаточно редко – обычно в том случае, когда речь идет о крупных промышленных объектах или массовой жилой застройке», – добавляет он.
Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов», эксперт негосударственной экспертизы результатов инженерных изысканий Сергей Лазарев также отмечает, что экологические изыскания включают в себя большой комплекс полевых работ и лабораторных исследований. Но наиболее стандартные работы состоят из радиационного обследования, измерения уровня шума, инфразвука, вибрации и электромагнитных полей. Кроме того, почти всегда проводится отбор проб грунтов, грунтовых вод, иногда донных отложений, которые должны исследоваться в лаборатории.
Востребованность тех или иных работ зависит от специфики территории исследований и особенностей объекта. Например, как рассказывает заместитель генерального директора АО «ПНИИИС» Сергей Сергеев, если на участке местности присутствуют насыпные или биогенные грунты, то в таком случае необходимо выполнять газогеохимические исследования грунтового воздуха. Мощность насыпных и биогенных грунтов будет определять объемы данных исследований.
«На этапе выполнения полевых работ используется оборудование для фиксации экологического состояния объектов окружающей среды, в том числе подручный инвентарь и буровая техника для опробования объектов окружающей среды, дозиметры и радиометры для радиационно-экологических полевых исследований. Лабораторные исследования компонентов окружающей среды выполняются с использованием специального оборудования: атомно-эмиссионные спектрометры, жидкостные и газовые хроматографы, системы капиллярного электрофореза. На этапе камеральной обработки данных и написания отчета используются пакеты программ для статистической обработки информации и графические редакторы для построения», – говорит Сергей Сергеев.
Комплексный подход
По мнению специалистов, наиболее полноценную картину состояния окружающей среды и местности дает комплексное исследование. При этом важно, чтобы его проводили настоящие профессионалы.
По словам Сергея Лазарева, конкуренция среди изыскателей сейчас очень высока. «Особенно это чувствуется в периоды экономического спада в строительном секторе. Экологические изыскания, как правило, отдают в одни руки в составе всего комплекса изыскательских работ, и в данном случае у нас есть преимущество, так как мы выполняем все инженерные изыскания для проектирования, а не только инженерно-экологические», – подчеркивает он.
По словам Василия Костина, в настоя-щее время, к сожалению, далеко не каждый застройщик заинтересован в комплексных изысканиях. Большинству важна правильная документация, чтобы поскорее получить разрешение на строительство. Неудивительно, что наиболее частые запросы в фирмы, занимающиеся инженерно-экологическими изысканиями, сво-
дятся именно к анализу и подготовке строительной документации и ее согласованию с государственными структурами. На рынке инженерно-экологических изысканий существует огромное количество фирм, предлагающих исключительно «бумажные» работы, без качественно проведенных полевых и лабораторных исследований, что впоследствии приводит к серьезным проблемам.
«Известны многочисленные случаи, когда в неучтенные пустоты провалились люди и строительная техника. Суды завалены исками от эксплуататоров зданий, которые опять же из-за неучтенных движений почв и грунтов «поплыли» и дали трещины. Кроме того, сейчас, когда государство серьезно озаботилось вопросами экологии, нередки случаи, когда та или иная стройка просто замораживается из-за несоблюдения экологических норм. А это серьезные расходы как для строителя, так и для заказчика. Поэтому нет смысла экономить на такого рода изысканиях. Тем более, что стоят они относительно недорого на фоне общей стоимости строительства», – резюмирует Василий Костин.
Мнение
Заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов», Сергей Лазарев:
– Если сравнивать Петербург с крупными промышленными городами России, то думаю, что экологическая ситуация у нас относительно неплохая. По большому счету, основные проблемы Северной столицы, прилегающих районов Ленобласти связаны с незаконными свалками мусора и отсутствием инфраструктуры переработки отходов.