W jaki sposób, sprawnie i bezpiecznie zrealizować głęboki wykop budowlany, zaprojektowany dla trzech czy pięciu kondygnacji podziemnych, w gruntach piaszczystych, przy wysokim poziomie wody gruntowej? Dla współczesnego architekta, inwestora czy generalnego wykonawcy odpowiedź na to pytanie jest zazwyczaj oczywista i brzmi: „oddajmy sprawę w ręce specjalisty”. Dla inżyniera-geotechnika tak zdefiniowany problem to codzienna praktyka, pozostaje tylko kwestia kosztów, czyli jakie rozwiązanie jest optymalne i z punktu widzenia ekonomiki inwestycji, najbardziej uzasadnione.
Niski poziom wody gruntowej, poniżej dna planowanego wykopu budowlanego, nie stanowi dużego problemu, czyli każdy adept, inżynier budownictwa z książką Profesora Wiłuna - „Zarys Geotechniki” - pod pachą poradzi sobie z tematem. Realnym wyzwaniem jest tak naprawdę wysoki poziom wody gruntowej, jej parcie na ściany obudowy wykopu i wypór dna wykopu. W takich okolicznościach z żywiołem wody już nie negocjujemy tylko musimy go okiełznać.
Problem dotyczy nie tylko głębokich wykopów w zabudowie miejskiej pod wielopoziomowe garaże, budynków biurowych czy mieszkalnych realizowanych z powodzeniem w Polsce – aczkolwiek ze zmiennym szczęściem – od lat 90. ubiegłego wieku, ale także wykopów budowlanych pod:
• obiekty użyteczności publicznej jak muzea, teatry itp.,
• obiekty infrastruktury związanej z gospodarką wodną, czyli obiekty hydrotechniczne, w tym oczyszczalnie ścieków, stopnie i elektrownie wodne,
• obiekty infrastrukturalne jak tunele, szachty, ciągi komunikacyjne (obudowy zagłębień),
• wszelkie obiekty inżynieryjne jak np. szachty startowe dla systemów realizacji tuneli typu TBM itp.,
• budowle energetyczne i o przeznaczeniu militarnym jak np. silosy.
Z drugiej strony, wskazanie, we współczesnej praktyce inżynieryjno-budowalnej, realizacji obiektu biurowego, mieszkalnego, czy też użyteczności publicznej w ścisłej zabudowie miejskiej przy którym prace nie zostałyby zapoczątkowane wykonaniem głębokiego wykopu dla podziemnej części kubaturowej nie jest sprawą prostą.
Zadanie jakim jest wykonanie głębokiego, suchego wykopu, na etapie realizacji prac konstrukcyjnych podziemia, przy wysokim poziomie wód gruntowych i bliskim sąsiedztwie zabudowy czy infrastruktury, często o wątpliwym stanie technicznym, dla której minimalna zmiana stosunków gruntowo-wodnych implikuje poważne konsekwencje równowagi statycznej, jest zadaniem złożonym i trudnym, ale z praktyki inżynierskiej zadaniem wykonalnym. Identyfikacja dostępnej palety środków, jakimi można się posłużyć do urzeczywistnienia postawionego celu, wydaje się być prosta i oczywista. Zabezpieczamy wszystkie przyległe obiekty przed niekontrolowanym osiadaniem instalując jednocześnie zabudowę oporową docelowego wykopu i system odwodnienia, który implikuje do zagospodarowania pokaźne ilości wody pompowanej przez okres realizacji robót, aż do czasu zrównoważenia wyporu.
Alternatywnym rozwiązaniem jest wykonanie wykopu w obudowie zapewniającej odcięcie bezpośredniego dostępu wody gruntowej, zarówno w układzie pionowym (przebicie dna) jak i poziomym (napływ przez obudowę zabezpieczającą skarpy/ściany wykopu). Takie rozwiązanie, które poprzez ograniczenie możliwości zmiany stosunków gruntowo-wodnych poza wykopem minimalizuje jego wpływ na zabudowę sąsiednią (czytaj przemieszczenia sąsiedniej zabudowy związane z osiadaniem), wydaje się być zasadnym zarówno z punktu widzenia ekonomii, jak i bezpieczeństwa. Oczywiście, należy mieć świadomość, że dla każdego zastosowanego rozwiązania wskazana i obowiązkowa jest analiza projektowa wpływu prac na sąsiedztwo i w konsekwencji wykonanie dodatkowych zabezpieczeń, o ile takie okażą się konieczne.
Rys. 1. Szkice ideowe rozwiązania obudowy wykopu budowlanego z odcięciem bezpośredniego napływu wody. Wyróżnione rozwiązanie jest najczęściej stosowane jako najbardziej efektywne
Elementy systemu ekranów przeciw-filtracyjnych, pionowych i poziomych:
• obudowa docelowa wykopu-przesłona pionowa,
• zabezpieczenie dopływu wody gruntowej z dna wykopu – przesłona pozioma,
• kotwienie przesłony poziomej, zabezpieczenie przed wyporem dna wykopu – opcja,
• system odwodnienia do poziomu poniżej dna projektowanego wykopu,
• dodatkowe zabezpieczenia w postaci podchwycenia stóp i ław fundamentowych obiektów zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie wykopu budowlanego.
Należy pamiętać, że bezpieczeństwo, stabilność konstrukcyjna, a tym samym komfort rezydentów, jak i właścicieli zabudowy przylegającej do planowanego głębokiego wykopu, zależy od kilku podstawowych czynników, których zachowanie jest podstawą realizacji każdego przedsięwzięcia budowlanego, a szczególnie etapu wykopu budowlanego.
Podstawowe czynniki decydujące o bezpieczeństwie sąsiedniej zabudowy/infrastruktury do planowanego wykopu:
• stabilność, równowaga statyczna obudowy wykopu,
• szczelność obudowy wykopu,
• podatność obudowy wykopu na zmiany w warunków gruntowo-wodnych,
• stabilność statyczna dna wykopu - zrównoważenie wyporu i odprężenia gruntu,
• szczelność dna wykopu – odporność na przebicie hydrauliczne,
• położenie i stan techniczny obiektu w stosunku do linii wpływu wykopu na przyległą zabudowę,
• metoda zabezpieczenia wykopu i jego dna,
• metoda zabezpieczenia obiektów przyległych przed szkodliwym wpływem wykopu budowlanego.
Co jest bardzo istotne w rozwiązaniu opisanym wyżej, to komplementarność zadania. Zaprojektowanie, wykonanie i gwarancja osiągnięcia zamierzonego celu technicznego, skupiona w jednym ręku, u jednego wykonawcy i dostawcy usługi.
Keller Polska wychodząc naprzeciw powyżej opisanemu problemowi posadowienia budowli oraz mając świadomość oczekiwań inwestorów i generalnych wykonawców oferuje od dziesięciolecia, potwierdzone licznymi efektywnymi realizacjami, kompleksowe rozwiązanie polegające na wykonaniu przegrody przeciw-filtracyjnej w układzie „3D”.
W latach od 2013 do 2018 firma Keller zaprojektowała i zrealizowała 21 zabezpieczeń głębokich wykopów, przy wykorzystaniu żelbetowych ścian szczelinowych jako osłony pionowe wykopu, uzupełnionych poziomą przesłoną przeciw-filtracyjną w technologii Jet Grouting (Soilcrete) rozpiętą pomiędzy ścianami. Poziom posadowienia przesłony pionowej wynikał ze statyki zagłębienia ekranu poziomego, spełnienia warunku na wypór i przebicie hydrauliczne dna wykopu. Takie rozwiązanie jest ekonomicznie uzasadnione dla wielokondygnacyjnych części podziemnych budowli, gdzie ściana szczelinowa stanowi jednocześnie docelową obudowę wykopu oraz oczywiście, gdzie poziom wody gruntowej jest wysoki, a jego obniżenie jest niemożliwe (Wyspa Spichrzów nad Motławą w Gdańsku) lub ryzykowne (wykop w ścisłej zabudowie miejskiej, w gruntach piaszczystych zalegających do 50m p.p.t. – Warszawska Wola).
Opisane rozwiązanie jest sprawdzone w wieloletniej praktyce, ale nie jest jedyną możliwą do zastosowania technologią geotechniczną. Rozwiązanie techniczne i dobór technologii ma charakter indywidualny dla każdego projektu , z uwagi na aspekty konstrukcyjne (ilości docelowych kondygnacji podziemnych), ukształtowania dna płyty fundamentowej (w tym przegłębienia), konstrukcje nośne posadowienia pośredniego ( jak np. pale wielkośrednicowe, czy barety ), oraz aspekty geotechniczne (poziom wody gruntowej, warunki geotechniczne i hydrogeologiczne).
Pionową część układu stanowi szczelna obudowa wykopu, pełniąca najczęściej podwójną funkcję konstrukcyjno-odcinającą. Poziomą częścią układu jest ekran przeciw-filtracyjny, wykonany najczęściej na bazie technik wysokociśnieniowych typu Soilcret popularnie zwanych Jet Groutingiem. Może być to również ekran wykonany w technologii iniekcji niskociśnieniowych ( w tym w technologii DSM – wgłębnego mieszania gruntu).
Rys. 2. Ogólna koncepcja rozwiązania obudowy wykopu przy wysokim poziomie wody gruntowej w opcji ekranu poziomego zabezpieczonego grawitacyjnie
Rys. 3. Szkic-idea rozwiązania obudowy wykopu dla ekranu poziomego zabezpieczonego przed wyporem grawitacyjnie, szkic w 3D
Przykład realizacji obudowy wykopu w opcji ściany szczelinowej i kotwionego ekranu poziomego – budowa Tunelu pod Martwą Wisłą w Gdańsku
Rys. 4. Ściana szczelinowa jako przykład technologii zabezpieczenia pionowego ścian wykopu budowlanego
Rys. 5. Kolumny Jet Grouting (Soilcrete) jako przesłona pozioma wykopu budowlanego. Opcjonalnie zbrojone kolumny mogą stanowić przesłonę pionową obudowy
Rys. 6. Zabezpieczenie wykopu budowlanego w ścisłej zabudowie śródmiejskiej wraz z podbiciem fundamentów obiektów przyległych; metoda stropowa zabezpieczenia ścian wykopu – przykład rozwiązania
Rys. 7. Zabezpieczenie wykopu budowlanego w ścisłej zabudowie śródmiejskiej wraz z podbiciem fundamentów obiektów przyległych; metoda stropowa zabezpieczenia ścian wykopu – przykład rozwiązania
Rys. 8. Zabezpieczenie wykopu budowlanego w ścisłej zabudowie śródmiejskiej; metoda rozporowa zabezpieczenia ścian wykopu – przykład rozwiązania, rysunki wykonawcze rzutu i rozwinięcia przesłon
Uwięziona przez układ przesłon woda gruntowa oraz woda resztkowa pochodząca z migracji przez powierzchnie przesłon musi być odprowadzona/wypompowana przez stosowny system odwodnienia zaprojektowany i wykonany w taki sposób, aby umożliwić wykonanie wykopu budowlanego i prace konstrukcyjne, aż do momentu zrównoważenia wyporu przez konstrukcję obiektu.
Tabela nr 1. Wydatek wody do wypompowania z obszaru ograniczonego systemem ekranów przeciw-filtracyjnych dla wybranych realizacji
Co oferuje Keller celem rozwiązania problematycznego wykopu „pod wodą”:
• sprawdzone rozwiązanie,
• realizację robót konstrukcyjno-budowlanych w założonych terminach kontraktowych,
• zminimalizowanie wpływu wykopu na przyległą infrastrukturę ,
• doświadczenie projektowe i wykonawcze,
• profesjonalny nadzór i wykonanie robót,
• stałą kontrolę jakości prac,
• kompleksową obsługę w zakresie robót i technologii geotechnicznych,
• stałe podnoszenie standardów technologicznych dzięki wymianie know-how w ramach międzynarodowej grupy Keller obecnej na wszystkich rynkach świata.
Zakres merytoryczny naszej oferty:
• koncepcja/rozwiązanie techniczne,
• projekt,
• wykonanie,
• gwarancja.
Podstawowe ryzyka które ograniczamy poprzez zastosowanie układu przesłon pionowej i poziomej (systemu ekranów przeciw-filtracyjnych):
• zmiany geotechniczne wywołane przepływem i zmianą poziomu wody gruntowej poza obrysem wykopu,
• niekontrolowane osiadania infrastruktury otoczenia w zasięgu alternatywnego leja depresji poza wykopem, a w konsekwencji pogorszenie się jej stanu technicznego z utratą stabilności włącznie,
• wydłużenie realizacji robót w wyniku uaktywnienia się niepożądanych zjawisk geotechnicznych – przebicie dna wykopu i jego zalanie, zjawisko upłynnienia gruntu (kurzawka), rozluźnienie gruntu w poziomie posadowienia płyty fundamentowej itp.,
• konieczność wykonania dodatkowych zabiegów/prac geotechnicznych likwidujących szkody powstałe w wyniku niewłaściwego zabezpieczenia wykopu przed dopływem wody.
Niezbędny zakres kontroli i monitoringu podczas realizacji wykopu budowlanego, w tym także przy zastosowaniu systemu ekranów przeciw-filtracyjnych to:
• stały monitoring stanu wód gruntowych wewnątrz i na zewnątrz wykopu,
• monitoring stanu odkształcenia obudowy wykopu i dna,
• monitoring stanu osiadania i przemieszczenia się obiektów w strefie wpływu wykopu budowlanego – strefa pierwsza i druga zgodnie z instrukcja ITB,
• kontroli wolumenu wód wypompowywanych z wykopu – woda odcięta systemem przegród wykopu plus woda resztkowa przenikająca przez przegrody zgodnie z założonymi współczynnikami filtracji/przenikania wody przez powierzchnię zwilżoną wykopu.
Zalety rozwiązania systemu ekranów przeciw-filtracyjnych to m.in.:
• brak konieczności pozyskania pozwolenia wodno-prawnego,
• ograniczenie do niezbędnego minimum wolumenu wody pompowanej, przeznaczonej do zrzutu,
• zminimalizowanie ryzyk związanych z niekontrolowanym osiadaniem przyległej infrastruktury,
• skrócenie czasu realizacji robót budowlanych podczas danego projektu,
• zapewnienie bezpieczeństwa prac prowadzonych w wykopie,
• realizacja całości prac związanych z wykonaniem przesłon w układzie zarówno pionowym jak i poziomym z platformy roboczej na jednym i tym samym poziomie opcjonalnie zgodnym z poziomem istniejącego terenu.
Keller Polska zrealizował ponad 20 budów z zastosowaniem metod ekranów przeciw-filtracyjnych, takich jak m.in.: Tunel pod Martwą Wisłą w Gdańsku, Q22 w Warszawie, Gdynia Yacht Park, czy Przepompownia Ścieków na Poznańskich Garbarach.
Zapisz się do newslettera:
