Budownictwo
Drogi
Energetyka
Geoinżynieria
Hydrotechnika
Inż. Bezwykopowa
Kolej
Mosty
Motoryzacja
Tunele
Wod-Kan
Pojęcie głębokiego wykopu jest mimo wszystko dość względne i w dużej mierze zależy od kraju i przyjętych norm. W Polsce za wykop głęboki jest przyjmowany ten, którego dno jest położone minimum 3 m p.p.t i którego ściany są pionowe, odpowiednio zabezpieczone. Zazwyczaj głębokie wykopy zaliczane są do II lub nawet III kategorii geotechnicznej według Eurokodu 7. Z tego względu ich wykonanie musi zostać poprzedzone odpowiednią analizą warunków gruntowych i geologicznych.
Przed przystąpieniem do prac projektowych należy przeprowadzić dokładne rozpoznanie terenu (najlepiej w postaci wizji lokalnych). Niezbędne jest także sprawdzenie, jak teren był użytkowany w przeszłości. Jeśli okaże się, że doszło do kontaktu ze szkodliwymi dla człowieka i środowiska substancjami, może to spowodować konieczność wykonania dodatkowych ekspertyz. Konieczne jest także rozpoznanie obecności i poziomu wód gruntowych, gdyż napierająca i przeciekająca do dna wykopu woda może mieć fatalne konsekwencje dla jego stateczności. To, co również sprawia trudności przy bezpiecznym projektowaniu głębokich wykopów, to obecność starych i niezinwentaryzowanych instalacji podziemnych; ma to miejsce szczególnie na terenach poddawanych rewitalizacji. Realizując głębokie wykopy, trzeba się także liczyć z możliwością odkrycia artefaktów archeologicznych, co z jednej strony przynosi wymierne korzyści dla rozwoju nauki, z drugiej jednak może uniemożliwić lub opóźnić budowę.
W samym projekcie budowlanym głębokiego wykopu muszą znaleźć się nie tylko techniczne rysunki budowlane, lecz także dokumentacja geotechniczna lub geologiczno-inżynierska. Rolą geotechnika jest też opracowanie warunków posadowienia i jego projektu. Jeśli sytuacja tego wymaga, zaleca się dołączenie projektu odwodnienia wykopu, projektu monitoringu oddziaływań wykopu na obiekty sąsiednie i projektu ich wzmocnienia, a także projektu zabezpieczeń instalacji.
Zasady projektowania głębokich wykopów i ich obudowy
W projekcie budowlanym obudowy głębokiego wykopu najważniejszym elementem są obliczenia statyczne najbardziej obciążonych elementów. Wymiarowanie i ich dobór oparte są na najwyższych wartościach momentu zginającego w obudowie. To właśnie wartość tego parametru pozwala określić grubość i rodzaj obudowy, dobór ewentualnego zbrojenia lub wzmocnienia, a także rozstaw elementów wzmacniających, takich jak kotwy albo pale.
Najważniejszą zasadą w projektowaniu obudów głębokich wykopów jest podział budowy na odpowiednie fazy – każda kolejna faza odpowiada stopniowemu pogłębianiu wykopu i montowaniu obudowy lub wzmocnień. Podstawowe obciążenie, na które narażona jest obudowa wykopu, to parcie gruntu, które zależy przede wszystkim od jego rodzaju i stanu, ale także od istniejących obciążeń naziomu, również tych tymczasowych, generowanych przez zaplecze budowy. Istotnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę w pracach projektowych, są obciążenia pionowe przekazywane przez ściany sąsiadujących z wykopem budynków. Znaczące obciążenie może spowodować osiadanie i przemieszczanie się obudowy, co w skrajnym przypadku skutkuje katastrofą. Przyjmując obciążenia dla obudowy, należy pamiętać o obciążeniu wodą gruntową. Przyjęło się, że uwzględnia się je jako parcie hydrostatyczne, które rośnie liniowo wraz z głębokością, przyjmując jako punkt zero poziom zwierciadła wody gruntowej. Jeśli warunki gruntowe są szczególnie skomplikowane, w obliczeniach uwzględnia się także ciśnienie spływowe, które powstaje w wyniku filtracji wody w gruncie. Niezależnie od sposobu obudowy czy lokalizacji wykopu, a także zagrożeń ze strony gruntu i wody, na które jest narażony głęboki wykop, należy go projektować w sposób zapewniający stateczność, wytrzymałość i bezpieczeństwo ludzi pracujących w jego pobliżu, a także minimalizując oddziaływanie wykopu na budynki stojące w sąsiedztwie.
Na stateczność obudowy głębokiego wykopu ma wpływ wiele czynników. Kluczowym zagadnieniem inżynieryjnym było więc opracowanie wskaźnika, który jednoznacznie odpowie na pytanie, czy obudowa została zaprojektowana w sposób poprawny. Lata doświadczeń w projektowaniu obudów głębokich wykopów pokazały, że miarodajnym kryterium, które jest zarazem kryterium podstawowym, są przemieszczenia. Właśnie z tego powodu w praktyce projektowej stosuje się teorię równowagi parcia i odporu gruntu. W modelu zakłada się, że obudowa wykopu przyjmuje schemat statyczny belki, na którą działa obciążenie wywołane parciem i odporem gruntu, a także, o ile występują, inne obciążenia, np. obciążenie naziomu, parcie hydrostatyczne. Z kolei podpory zamodelowane są za pomocą sił skupionych.
Zaleca się, aby w projektowaniu stosować podział na kolejne fazy głębienia wykopu. W praktyce oznacza to, że osobna faza projektowania dotyczy pogłębiania wykopu do określonego poziomu, osobna – montażu podpory itd. Takie podejście spowodowane jest m.in. zależnością rozkładu parcia czynnego gruntu właśnie od fazy głębienia wykopu. Poszczególne fazy przyjmują bowiem różne schematy statyczne: może to być belka pracująca jako wspornik, jednokrotnie lub wielokrotnie podparta. W dodatku wykazano w licznych badaniach, że standardowy, trójkątny rozkład parcia czynnego (który stosowany jest w przypadku konstrukcji pracujących jak wspornik z jednej strony utwierdzony w gruncie) nie ma zbyt wiele wspólnego z rzeczywistym rozkładem parcia w przypadku obudów wielokrotnie podpartych. Z tego względu opracowano wykresy zastępcze, charakterystyczne dla poszczególnych rodzajów gruntu. Z uwagi na specyficzne podejście do rozkładu parcia i właściwości gruntu na rynku istnieje wiele programów do modelowania głębokich wykopów. Obliczenia można także wykonać w standardowych konstrukcyjnych programach komputerowych, jednak w nich często przyjmuje się założenie polegające na równomiernym obciążeniu pionowej ściany uśrednioną wartością czynnego parcia gruntu. Nie jest to rozwiązanie zalecane, ponieważ nie uwzględnia sposobu pracy obudowy z gruntem. Zwłaszcza jeśli obudowa głębokiego wykopu jest podparta wielokrotnie, należy tak zaprojektować model obliczeniowy, aby uwzględnić jednoczesną współpracę gruntu, ściany i podparć. Takie podejście umożliwia precyzyjne określenie przemieszczeń w każdej fazie budowy.
Jak tworzy się bezpieczny głęboki wykop?
Głębokie wykopy najczęściej przybierają formę wykopów szerokoprzestrzennych, a zatem których szerokość i długość znacząco przekracza głębokość. Stateczność najczęściej jest osiągana przez stosowanie rozpór, kotew lub przypór z gruntu rodzimego. Wybór metody budowy głębokiego wykopu zależy od wielu czynników, z czego największe znaczenie ma fakt, czy wykop wykonuje się w gęstej i zwartej zabudowie, czy nie.
Metody stropowa i półstropowa
Metoda ta znajduje zastosowanie na obszarach o gęstej tkance miejskiej, gdyż ogranicza wpływ wykopu na sąsiednie budynki. Pierwszym etapem jest wykonanie obudowy, która zapewni stateczność ścian wykopu, mogą to być np. ściany szczelinowe. Następnie wykonuje się wykop do poziomu spodu górnego stropu, który jest realizowany w następnym etapie (jest to strop żelbetowy). W kolejnym etapie następuje zasypanie górnego stropu poza przygotowanymi otworami
technologicznymi. W momencie, kiedy strop górny jest gotowy, przychodzi czas na podstropowe głębienie wykopu do dolnej krawędzi stropu pośredniego. Ten schemat prac jest powtarzany aż do momentu, gdy osiągnięta zostanie pożądana głębokość wykopu. W przypadku metody półstropowej konstrukcję stropu wykonuje się tylko wzdłuż obudowy, zostawiając większy otwór pośrodku.
Wykop w obudowie kotwionej
Ta metoda jest stosowana najczęściej wtedy, gdy wykop ma duże rozmiary w planie. Aby jednak móc ją zastosować, należy dokładnie rozpoznać teren. Kotwy, które są używane do stabilizacji obudowy, mają znaczne wymiary w zakresie długości (nawet 20 m). Oznacza to, że sięgają poza granice działki, na której realizowany jest wykop. Mogą więc narazić na uszkodzenie sąsiednie budynki oraz towarzyszącą im infrastrukturę podziemną. Utrudnieniem dla stosowania tej metody może być także wysoki poziom wód gruntowych. Jeśli sięgają one powyżej rzędnej głowicy, trzeba je obniżyć poniżej tego poziomu.
Wykop z przyporą z gruntu rodzimego
Jest to metoda korzystna ekonomicznie i wykonawczo, jednak obarczona specjalistycznymi wymaganiami. Przede wszystkim w najbliższym otoczeniu wykopu nie może występować zabudowa i elementy infrastruktury, które znacząco obciążają naziom. W dodatku już istniejące obiekty muszą być posadowione poniżej dna realizowanego wykopu. Nawet jeśli te wymogi są spełnione, to w sytuacji, kiedy grunt rodzimy jest nienośny lub nie posiada specyficznych parametrów wytrzymałościowych, przypora z gruntu rodzimego nie może zostać zbudowana. Jej zastosowanie uwarunkowane jest także układem konstrukcyjnym budynku – odległość słupów od ściany wykopu musi być na tyle duża, aby postawić przyporę o odpowiednich wymiarach. Realizacja takiego wykopu jest stosunkowo prosta: najpierw wykonuje się pełny wykop szerokoprzestrzenny na głębokość ok. 3,5 m, następnie pogłębia się go w części centralnej aż do osiągnięcia docelowej rzędnej dna.
Metoda top & down
Metoda ta zakłada jednoczesne prowadzenie robót w dół i w górę, czyli zarówno części podziemnej, która jest rozpierana kolejnymi stropami, jak i naziemnej. Konstrukcję budynku stanowią podpory tymczasowe w postaci słupów stalowych. W przypadku kondygnacji naziemnych słupy te będą słupami docelowymi. Oprócz oczywistych korzyści w postaci przyspieszenia procesu budowy inżynierowie zwracają uwagę na jeszcze jedną zaletę tej metody – daje ona możliwość dociążenia podłoża za pomocą części naziemnej. Zapobiega to odprężeniu dna głębokiego wykopu. Metoda ta nie jest jednak wolna od wad, do których należy m.in. fakt, że metalowe słupy, które w procesie budowy podtrzymują część naziemną, muszą zostać precyzyjnie umieszczone w osiach docelowych słupów. Wbrew pozorom nie jest to łatwe zadanie, a nawet dopuszczalne marginesy błędów są trudne do utrzymania.
Wykop w obudowie rozpartej rozporami
Wykopy wzmacniane rozporami są jednymi z najczęściej stosowanych. Materiał rozpory zależy od szerokości wykopu, stąd rozpory mogą być drewniane lub stalowe. Wiele czynników wpływa także na kształt rozpór. Spotkać można kształtowniki, kratownice albo stalowe rury. Rozpory stalowe stosuje się wówczas, gdy wykop szeroki jest na ok. 25–30 m. Znajdują one zastosowanie najczęściej przy budowie obiektów liniowych. Sytuacja komplikuje się w momencie, kiedy wykopy realizowane są pod budynki – wówczas ich wymiary sięgają nawet 100 m szerokości. Wtedy należy dodatkowo wzmocnić wykop podparciami pośrednimi, co jest skomplikowane i utrudnia pracę.
Rodzaje obudowy głębokich wykopów
Aby zachować stateczność głębokiego wykopu, niezbędne jest zastosowanie odpowiedniego wzmocnienia jego ścian. Dobór metody zależy od wielu czynników. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele rozwiązań, dzięki czemu doświadczony inżynier może dopasować odpowiednią obudowę do niemal każdego rodzaju wykopu. Poniżej opisujemy najpopularniejsze i najczęściej stosowane rozwiązania.
Ściana szczelinowa
Ściana szczelinowa to jeden z najczęściej spotykanych rodzajów obudowy głębokiego wykopu. Nazwa pochodzi od wąskiej
szczeliny, która wykonana jest w gruncie, a następnie wypełniona zawiesiną bentonitową. Proces budowy ściany szczelinowej rozpoczyna się od wykonania murków prowadzących na powierzchni gruntu. W trakcie pogłębiania ściany, czyli wydobywania gruntu wewnątrz przestrzeni między murkami, równocześnie wlewa się zawiesinę, która stabilizuje pionowe ściany otworu. Co istotne, przed przystąpieniem do budowy ścian szczelinowych trzeba dokładnie rozpoznać teren, zwłaszcza pod kątem występowania wody gruntowej. Głębokość ściany szczelinowej sięga zwykle 30 m, natomiast grubość 60–80 cm.
Obudowa berlińska
Obudowa berlińska jest najczęściej wykorzystywana jako obudowa tymczasowa. W skład obudowy berlińskiej wchodzą pionowe słupy wykonane jako dwuteowniki lub ceowniki, a także poziome elementy zwane opinką. Słupy mogą być montowane za pomocą wbijania, mogą być także umieszczane w przygotowanym otworze wypełnionym betonem. Aby zastosować obudowę berlińską, grunt musi mieć odpowiednią wytrzymałość, tak aby podczas montowania opinek w kolejnych fazach wykopu utrzymał on odpowiednią stateczność. Ponieważ obudowa berlińska nie jest obudową szczelną i możliwe jest przeciekanie przez nią wody gruntowej, stosuje się ją powyżej poziomu wody gruntowej.
Palisady
Do wykonania palisad stosuje się różne rodzaje pali w zależności od charakteru budowli i parametrów gruntowych. Często spotykane są pale CFA, które swoją popularność zawdzięczają szybkości wykonania, a także relatywnie niskiej cenie jednostkowej pala. Stosowanie pali CFA niesie ze sobą także pokaźną liczbę ograniczeń. Nie można ich wykorzystywać w twardym, skalistym gruncie (jak i również w sytuacji, kiedy obrys wykopu koliduje np. ze starymi fundamentami), a ponadto pale nie mogą być dłuższe niż 20 m.
Innym rodzajem pali wykonywanych w obudowach głębokich wykopów są pale wiercone w rurze osłonowej. Mają pewną przewagę nad palami CFA, ponieważ mogą być realizowane w niemal każdych warunkach gruntowych i nawet wtedy, gdy istnieją przeszkody w gruncie. Mogą być także wykonane jako odchylone od pionu. Ich największą wadą jest mała wydajność, a co za tym idzie – wyższa cena. Niezależnie od rodzaju pali kluczowe jest ich precyzyjne umieszczenie w gruncie.
Ściany gwoździowane
Ściana gwoździowana to metoda zabezpieczenia głębokiego wykopu polegająca na biernym wzmocnieniu gruntu. Technologia ta polega na instalacji stalowych prętów – tzw. gwoździ – w istniejącym gruncie, najczęściej poprzez wiercenie i iniekcję zaczynem cementowym. Jej głównym celem jest ograniczenie przemieszczeń oraz poprawa stateczności gruntu wokół wykopu. Zaletą tej metody jest niewielka ingerencja w otoczenie, co sprawia, że znajduje zastosowanie zwłaszcza tam, gdzie wykopy prowadzi się w pobliżu istniejącej zabudowy lub infrastruktury komunikacyjnej. Zbrojenie powierzchni ściany wykopu uzupełniane jest zazwyczaj siatką stalową i cienką warstwą betonu natryskowego. Metoda ta sprawdza się przede wszystkim w gruntach spoistych, które umożliwiają utrzymanie stateczności wykopu w trakcie wykonywania robót.
Podsumowanie
Inżyniera geotechniczna cały czas się rozwija, a wraz z nią doskonalone są metody budowy głębokich wykopów i ich wzmacniania. Najlepszym dowodem na to jest szeroki wybór dostępnych rozwiązań, dopasowanych do niemalże każdych warunków gruntowych i terenowych.
Bezpieczne projektowanie głębokich wykopów sprowadza się przede wszystkim do dokładnego rozpoznania gruntu, w którym będzie realizowany wykop, a także sytuacji pod ziemią. Zaleca się inwentaryzację odkrytych sieci kanalizacyjnych czy innych przeszkód. Bardzo ważne jest też staranne przygotowanie dokumentacji powykonawczej. To, co powinno przyświecać inżynierom przy projektowaniu wykopów, to dbałość o sąsiednie budynki, ponieważ nie każdy sposób realizacji głębokich wykopów jest bezpieczny dla istniejących już obiektów.
Obserwując rozwijający się rynek nieruchomości w dużych miastach, a także intensywnie prowadzoną rozbudowę infrastruktury, można przypuszczać, że branża geotechniczna będzie dynamicznie się rozwijać, a zapotrzebowanie na specjalistów będzie systematycznie rosnąć.
