Jak dobrze zaprojektować zabezpieczenie głębokiego wykopu?

JAK DOBRZE ZAPROJEKTOWAĆ ZABEZPIECZENIE GŁĘBOKIEGO WYKOPU?

Prace ziemne są początkowym etapem każdej nowoprojektowanej inwestycji budowlanej. Bardzo często podziemna część konstrukcji wraz z towarzyszącymi robotami ziemnymi stanowi lwią część kosztów inwestycji. Dobrą praktyką jest prowadzenie robót ziemnych w oparciu o projekt robót ziemnych który określa zasady zapewniające bezpieczeństwo ludzi pracujących na budowie oraz bezpieczeństwo otoczenia. Podstawową i najtańszą metodą zabezpieczenia wykopu jest skarpowanie o bezpiecznym nachyleniu. Jednak nie zawsze takie rozwiązanie jest możliwe, a szczególnie gdy wykop jest głęboki i jest realizowany w bezpośrednim sąsiedztwie istniejących obiektów budowlanych. Wówczas aby wykonać głęboki wykop należy go w odpowiedni sposób zabezpieczyć. Zabezpieczenie głębokiego wykopu (min. II kategoria geotechniczna) powinno być wykonywane w oparciu o projekt zabezpieczenia wykopu.  Dobrze zaprojektowane zabezpieczenie głębokiego wykopu zapewnia odpowiedni poziom bezpieczeństwa oraz uwzględnia aspekt ekonomii  oraz aspekty technologiczne dla wybranego sposobu zabezpieczenia. Trudno sobie dzisiaj wyobrazić realizację głębokich wykopów bez ich zabezpieczania specjalistycznymi obudowami. Niniejszy wpis ma za zadanie przybliżenie Wam podstawowych metod zabezpieczenia wykopów głębokich oraz ujęcie poszczególnych kroków projektowych w spójny algorytm.

Czym jest obudowa wykopu?

Obudowa wykopu – to konstrukcja oporowa wykonywana dla utrzymania stateczności ścian głębokich wykopów oraz ograniczenia wpływu głębokiego wykopu na otoczenie.

Obudowy wykopu są stosowane m.in. w ramach:

• budowy wielopoziomowych kondygnacji podziemnych (np. parkingi i garaże podziemne w budownictwie kubaturowym)
• budowy tuneli podziemnych metodą otwartego wykopu (np. tunele drogowe, kolejowe, metro)
• budowy głęboko posadowionych fundamentów (np. fundamentów mostów, wiaduktów, estakad itp.)
• budowy podziemnych obiektów przemysłowych (np. zbiorników, fundamentów specjalnych)
• budowy trwałych konstrukcji oporowych (np. mury oporowe)

Do najpopularniejszych specjalistycznych konstrukcji wykonywanych w ramach zabezpieczenia głębokich wykopu zaliczamy (patrz Rys. 2):

1. ścianki szczelne z grodzic stalowych
2. obudowy berlińskie z profili stalowych i drewnianej opinki
3. obudowy berlińskie z pali żelbetowych i drewnianej opinki
4. palisady z pali żelbetowych
5. palisady z kolumn DSM
6. palisady i podbicia istniejących fundamentów w technologii jet grouting
7. palisady kombinowane np. pale żelbetowe z wypełnieniem w technologii jet grouting
8. żelbetowe ściany szczelinowe

Obudowy wykopu ze względu na przeznaczenie dzielimy na:

• obudowy tymczasowe odzyskiwane – np. grodzice stalowe pełniące funkcję obudowy na czas realizacji wykopu i wyciągnięte z gruntu po zasypaniu wykopu (Rys. 2 – 1)
• obudowy tymczasowe tracone – np. palisady pełniące funkcję obudowy na czas realizacji wykopu, ale pozostawione w gruncie bez pełnienia dalszej funkcji statycznej (Rys. 2 – 3 do 7)
• obudowy pełniące funkcję nośną w konstrukcji w fazie użytkowania – np. ściany szczelinowe zabezpieczające wykop na czas budowy kondygnacji podziemnych, a docelowo pełniące funkcję ścian kondygnacji podziemnych (Rys. 2 – 8)
• obudowy wykopu trwałe – np. grodzice stalowe pełniące funkcję docelowego muru oporowego – pogrążone i pozostawione w gruncie (Rys. 2 – 1)

Z uwagi na schemat statyczny obudowy wykopu dzielimy na (patrz Rys. 3):

1. wspornikowe
2. wspornikowe z wykorzystaniem przypór ziemnych
3. rozpierane jednokrotnie lub wielokrotnie za pomocą tymczasowych stalowych konstrukcji, płyt fundamentowych, stropów itp.
4. kotwione jednokrotnie lub wielokrotnie
   

   Rys. 3: Schematy statyczne obudów

Z uwagi na funkcję przeciwfiltracyjną obudowy wykopu dzielimy na:

• obudowy „szczelne” tj. przeciwfiltracyjne – np. komory z grodzic stalowych, komory ze ścian szczelinowych, palisady z kolumn DSM i kolumn jet grouting.
• obudowy nie pełniące funkcji przeciwfiltracyjnych – np. obudowy berlińskie, palisady z pali CFA itp.

Zabezpieczenie głębokiego wykopu – algorytm krok po kroku

Procedura projektowania obudowy wykopu to proces iteracyjny. Wybór poprawnego rozwiązania wymaga specjalistycznej wiedzy o sposobie wykonywania oraz o wadach i zaletach poszczególnych technologii. Wybór rodzaju obudowy wykopu finalnie powinien opierać się na analizie ekonomicznej tj. na porównaniu oszacowanych kosztów dla różnych rozwiązań przy zachowaniu oczekiwanych kryteriów projektowych. Proponowany algorytm projektowania zabezpieczenia wykopu:

1. Analiza warunków gruntowo-wodnych.

Właściwe rozpoznanie podłoża gruntowego ma ogromne znaczenie i wpływa zarówno na bezpieczeństwo konstrukcji jak i koszt obudowy wykopu. Zdecydowanie nie warto oszczędzać na rozpoznaniu podłoża gruntowego. Koszt rozpoznania podłoża z reguły stanowi udział w całości kosztu inwestycji wyrażany w promilach, a właściwe rozpoznanie podłoża może zadecydować o sukcesie lub porażce całej inwestycji budowlanej. Rozpoznanie podłoża powinno zawierać szczegółowy opis podłoża z określeniem jego parametrów. Głębokość rozpoznania podłoża powinna być odpowiednia dla wykonywanego zadania. Przykłady zaleceń odnośnie rozstawu i głębokości rozpoznania podaje norma PN-EN 1997-2 – B.3.

Zalecania odnośnie głębokości rozpoznania podłoża dla wykopów:

a) Dla wykopów gdzie poziom piezometryczny i zwierciadło wody gruntowej jest poniżej dna wykopu za głębokość rozpoznania z_a zalecane jest by przyjąć większą z wartości spełniających warunki (patrz Rys. 2):

• z_a ≥ 0,4 h
• z_a ≥ (t + 2,0) m

gdzie:

t – prognozowane zagłębienie obudowy wykopu poniżej dna wykopu

h – głębokość wykopu

b) Dla wykopów gdzie poziom piezometryczny i zwierciadło wody gruntowej jest powyżej dna wykopu za głębokość rozpoznania z_a zalecane jest by przyjąć większą z wartości spełniających warunki (patrz Rys. 6):

• z_a ≥ (1,0H + 2,0) m
• z_a ≥ (t + 2,0) m

gdzie:

H – wysokość zwierciadła wody gruntowej powyżej dna wykopu

Jeżeli dla głębokości rozpoznania według powyższych warunków dla wariantu przy ZWG powyżej dna wykopu (b) nie występuje warstwa gruntu słaboprzepuszczalnego to:

z_a ≥ t + 5 m

W przypadku obudów (przesłon) przeciwfiltracyjncych z_a ≥ 2  m poniżej stropu warstwy słaboprzepuszczalnej (patrz Rys. 7).

Rozpoznanie podłoża powinno powinno być uzgodnione z projektantem konstrukcji i przynajmniej skonsultowane z projektantem geotechnikiem. Z reguły rozpoznanie podłoża jest wykonywane etapowo tj. od bardzo ubogiego rozpoznania podłoża na etapie projektu budowlanego postępująco do rozpoznania właściwego wraz z postępem procesu projektowego  – prowadzi to niejednokrotnie do zmiany sposobu zabezpieczenia wykopu na ten właściwy dopiero w ostatnich fazach procesu projektowego.

Niebagatelne znaczenie ma właściwe rozpoznanie warunków wodnych. Wybudowanie obiektu poniżej zwierciadła wody gruntowej zdecydowanie wpływa na dobór obudowy wykopu, na jej koszt oraz na koszty towarzyszące (pompowanie wody, zrzut wody, fundamenty wykonywane metodą szczelnej wanny itp.)

Typowe zabiegi przy głębieniu wykopu poniżej zwierciadła wód gruntowych (ZWG) to:

• obniżenie i utrzymywanie obniżonego poziomu ZWG poprzez ciągłe pompowanie
• wykonanie przesłony przeciwfiltracyjnej dla wydłużenia drogi filtracji i ciągłę pompowanie
• odcięcie dopływu wody gruntowej do wykopu przez wydłużenie obudowy do gruntów słaboprzepuszczalnych lub poprzez zastosowanie poziomych ekranów przeciwfiltracyjnych

Dobrą praktyką dla rozpoznania podłoża do zaprojektowania zabezpieczenia wykopu jest wykonywanie (co najmniej) otworów wiertniczych, sondowań i badań laboratoryjnych. Niestety oszczędności na etapie rozpoznania podłoża powodują, że rozpoznanie opiera się na wykonaniu otworów z makroskopową oceną rodzaju gruntu i jego oszacowaniem stanu (I­_D/I_L) wraz z określeniem parametrów fizyczno-mechanicznych gruntu na podstawie wycofanej normy PN-81/B-03020:1983.

2. Dobór konstrukcji obiektu i geometrii wykopu

Analiza techniczno-ekonomiczna powinna zadecydować o rzędnej posadowienia obiektu. Nikogo nie trzeba przekonywać, że im głębiej będzie posadowiona konstrukcja (szczególnie przy posadowieniu poniżej ZWG) tym więcej będzie kosztować obudowa wykopu. Często zaniedbywana kwestia na etapie projektu budowlanego to brak przewidzianej odpowiedniej przestrzeni pomiędzy obrysem budynku, a granicą działki na wykonanie obudowy wykopu. Bardzo często obrys kondygnacji podziemnych jest korygowany w późniejszych fazach projektowania co nierzadko stanowi przyczynę bólu głowy Inwestora i Architekta.

3. Plan (projekt) robót ziemnych

Podstawową formą wykonania wykopu jest skarpowanie o bezpiecznym nachyleniu. Tam gdzie skarpowanie nie jest możliwe należy przewidzieć obudowę wykopu. W ramach planu robót ziemnych należy przewidzieć etapowanie wykopu uwzględniając m.in. aspekt palowania lub wzmacniania podłoża. Brak odpowiedniej koordynacji projektu zabezpieczenia wykopu z projektem palowania prowadzi do nieporozumień. Nierzadką sytuacją jest gdy obudowa wykopu jest projektowana jako rozpierana za pomocą poziomych stalowych rozpór, a palowanie jest przewidziane z dna wykopu – poziome rozpory skutecznie uniemożliwiają wprowadzenie palownicy do wykopu i swobodne wykonywanie pali lub kolumn.

4. Analiza wpływu budowy głębokiego wykopu na istniejące obiekty budowlane

Obudowy wykopu z uwagi na działające na nie parcie gruntu i wód gruntowych odkształcają się. Przemieszczenia poziome obudowy wykopu powodują przemieszczenia otaczającego gruntu oraz obiektów budowlanych (budynki, instalacje itp.). Zadaniem projektanta obudowy jest zaprojektowanie obudowy w sposób ekonomiczny, ale tak by jej przemieszczenia nie zagrażały sąsiedniej zabudowie, instalacjom podziemnym itp. W praktyce inżynierskiej do oszacowania przemieszczeń gruntu za obudową stosowana jest procedura z instrukcji ITB nr 376/2002 „Ochrona zabudowy w sąsiedztwie głębokich wykopów” lub komputerowe obliczenia numeryczne. Szczególnie w dużych i gęsto zabudowanych miastach (tj. Warszawa, Kraków, Łódź, Wrocław, Poznań, Gdańsk, Bydgoszcz, Lublin, Katowice, Rzeszów itd.) analiza wpływu wykonania głębokiego wykopu na istniejące obiekty budowlane jest nieodzownym elementem projektu obudowy wykopu i często determinującym wybór metody wykonania obudowy.

5. Wybór konstrukcji obudowy wykopu i wstępne ustalenie schematów statycznych

Oprócz rodzaju obudowy wykopu należy zaplanować fazowanie wykopu, montażu i demontażu podpór pośrednich, oraz wpływ obudowy wykopu na konstrukcję obiektu.

Wybór sposobu zabezpieczenia wykopu jest elementem procesu projektowego i bardzo często podejmowany jest w gronie Inwestor/Architekt/Projektant konstrukcji. Na etapie projektu budowlanego i/lub wykonawczego rozwiązania zabezpieczenia głębokiego wykopu powinny być konsultowane z Projektantem geotechnikiem i/lub potencjalnym wykonawcą robót specjalistycznych. Dobór nieodpowiedniej metody zabezpieczenia wykopu na wstępnej fazie komplikuje proces wyceny zabezpieczenia przez Generalnych Wykonawców i zwiększa koszty Inwestorów.

Przykładowe typy obudowy wykopu przedstawiono na Rys. nr 2.

6. Modelowanie konstrukcji obudowy wykopu

Po analizie i wstępnym doborze obudowy wykopu należy przyjąć dla analizowanych przekrojów modele obliczeniowe i wykonać obliczenia statyczne. Dla typowych zabezpieczeń wykopu wystarczająco dokładne rozwiązania są osiągane dla modelu dwuwymiarowych.

Aktualnie dostępnych jest sporo programów do modelowania i wymiarowania konstrukcji zabezpieczenia z interfejsem przyjaznym dla użytkowników. Programy te bazują na różnych metodach – od metod klasycznych przez metody pośrednie do metod numerycznych.

Model obudowy wykopu jest budowany w oparciu o przyjęte założenia dot.:

• geometrii wykopu i terenu przyległego
• geometrii obudowy wykopu
• warunków gruntowo-wodnych
• rodzaju, czasu trwania i wartości obciążeń naziomu występujących w fazie budowy i w fazie docelowej pracy konstrukcji
• sposobu pośredniego podparcia obudowy
• sposobu etapowania obudowy

Wynikiem obliczeń statycznych są wykresy sił wewnętrznych obudowy wykopu, wykres przemieszczeń, siły w rozparciu, w kotwach itp.

7. Dobór i weryfikacja elementów konstrukcji obudowy wykopu (SGN, SGU)

Po wyznaczeniu sił wewnętrznych i akceptowalnych przemieszczeń obudowy należy dobrać konstrukcję tj. np.:

• zagłębienie obudowy poniżej dna wykopu,
• odpowiedni przekrój np. profil grodzicy, średnicę pala palisady, rodzaj kształtownika obudowy berlińskiej, grubość ściany szczelinowej, przekrój zredukowany o skutki korozji itp.
• materiał np. klasę betonu, klasę stali, wytrzymałość cementogruntu itp.
• zbrojenie np. kosz zbrojeniowy pala, zbrojenie ściany szczelinowej, rodzaj kształtownika, odpowiednie zbrojenie z uwagi na zarysowanie itp.

Po doborze parametrów obudowy należy zmiany uwzględnić w modelu obliczeniowym z uwagi na zmiany sztywności obudowy.

8. Dobór i weryfikacja elementów pomocniczych obudowy wykopu (SGN, SGU)

Przez elementy pomocnicze należy rozumieć np. kotwy gruntowe, mikropale kotwiące, tymczasową stalową konstrukcję rozparcia, ściągi stalowe, rozparcia płytą fundamentową lub stropami, kozły oporowe itp.

Po doborze parametrów od których zależy sztywność obudowy i sztywność elementów pomocniczych (krok 7 i 8) należy zmiany uwzględnić w modelu obliczeniowym (krok 6)

9. Weryfikacja przyjętego rozwiązania

Jak w każdym procesie projektowym konieczna jest globalna analiza i sprawdzenie poprawności przyjętych założeń oraz rozwiązań pod kątem poprawności projektowej, wykonawczej i ekonomicznej.

Na wstępie tego kroku algorytmu trzeba przede wszystkim zadać pytanie czy dobrana obudowa wykopu jest wykonalna?

Zabezpieczenie głębokiego wykopu – najczęściej spotykane błędy:

• ścianki szczelne z grodzic w gruntach skalistych lub spoistych półzwartych i zwartych – rozwiązanie trudne wykonawczo i kosztowne
• ścianki szczelne z grodzic pogrążane wibracyjnie w bardzo bliskim sąsiedztwie obiektów wrażliwych na drgania – rozwiązanie niebezpieczne dla sąsiednich obiektów
• obudowy berlińskie bezpośrednio przy istniejących obiektach sąsiednich – mała sztywność obudowy i proces jej wykonywania może spowodować osiadania obiektów sąsiednich
• obudowy berlińskie przy zwierciadle wód gruntowych powyżej dna wykopu – obudowa berlińska nie pełni funkcji przeciwfiltracyjnej
• palisady i ściany szczelinowe dla stosunkowo niegłębokich wykopów w prostych warunkach gruntowych – rozwiązanie technicznie poprawne lecz nieuzasadnione ekonomicznie
• obudowy małej sztywności (np. obudowy berlińskie, ścianki szczelne) o schematach wspornikowych przy obiektach wrażliwych na przemieszczenia poziome obudowy,

Wskazane jest skonsultowanie rozwiązania z firmą wykonawczą specjalizującą się w konkretnej technologii lub doświadczonym projektantem geotechnikiem.

Dobre zaprojektowanie zabezpieczenia wykopu wymaga iteracyjnego podejścia do problemu i wielokrotnych zmian w rozwiązaniu.

Optymalizacja w przypadku projektowania zabezpieczenia wykopu to proces dążący do doboru najbardziej ekonomicznego rozwiązania  w określonych warunkach (geometria wykopu, warunki gruntowe, warunki wodne, otoczenie wykopu itd.) przy zachowaniu ustalonych kryteriów projektowych (np. osiadań sąsiedniej zabudowy). Wysoce mało prawdopodobne jest znalezienie najbardziej ekonomicznego rozwiązania bez wiedzy o kosztach realizacji poszczególnych technologii.

10. Opracowanie projektu

Kompletny projekt zabezpieczenia wykopu składa się z:

• części rysunkowej która jednoznacznie określa rozwiązanie obudowy wykopu i umożliwia wykonawcy wykonanie obudowy
• z części opisowej określającej przyjęte założenia techniczno-wykonawcze, wytyczne dot. kontroli robót, monitorowania obudowy wykopu
• z części obliczeniowej zawierającej wyciąg z obliczeń, prognozowane przemieszczenia obudowy wykopu, analizę wytężenia przekrojów itp.

Monitorowanie obudowy wykopu

Obudowy wykopu o dużych konsekwencjach awarii lub przekroczenia zakładanych przemieszczeń np. zabezpieczające wykop w bezpośrednim sąsiedztwie budynków, obudowy będące elementem zabezpieczającym skarpy itp. powinny podlegać monitorowaniu. Monitorowane przeważnie są obudowy lub obiekty znajdujące się w bezpośrednim sąsiedztwie. Sposobów monitorowania jest wiele od najtańszych okresowych pomiarów geodezyjnych po okresowe badania inklinometrami po kosztowne ale najdokładniejsze i najskuteczniejsze systemy ciągłego monitorowania z możliwością zaalarmowania wystąpienia stanu przedawaryjnego.

Czy to już koniec procesu projektowania zabezpieczenia wykopu?

Niejednokrotnie projektowanie obudowy wykopu nie kończy się wraz z wydrukowaniem projektu i skierowaniem go do realizacji. Rozwiązania obudowy wykopu są modyfikowane z uwagi na wystąpienie okoliczności trudnych do przewidzenia na etapie projektu np. przeszkody w gruncie uniemożliwiające pogrążenie grodzic stalowych lub dwuteowników do projektowanej rzędnej, lokalne rozbieżności w warunkach gruntowo-wodnych itp. Dlatego wskazany jest ciągły kontakt wykonawcy zabezpieczenia z projektantem zabezpieczenia wykopu i bieżące przekazywanie wyników z systemu monitorowania.

Podsumowanie:

Zaprojektowanie obudowy wykopu w sposób zapewniający spełnienie stanów granicznych oraz w sposób ekonomiczny jest zadaniem wymagającym. Technologii wykonywania obudów jest dużo i każda ma swoje zalety, wady i ograniczenia. Bardzo istotnym i często zaniedbywanym etapem procesu inwestycyjnego w którym projektowane są obudowy wykopu jest wykonanie dobrej jakości badań podłoża umożliwiających właściwy dobór parametrów geotechnicznych podłoża gruntowego. Projekt obudowy wykopu powinien być opracowywany przez doświadczonego projektanta geotechnika lub powinien być przynajmniej z takim specjalistą skonsultowany. Poszukiwanie lepszych rozwiązań tzn. rozwiązań tańszych, szybszych i bardziej funkcjonalnych powinno być nieodzownym elementem dobrze wykonanego projektu zabezpieczenia wykopu. Profesjonalne zaprojektowanie zabezpieczenia głębokiego wykopu na wczesnym etapie projektowania może wygenerować duże oszczędności w skali całej inwestycji.

---

Potrzebujesz wsparcia w projektowaniu geotechnicznym? Odwiedź stronę:

2dprojekt.pl