Шпунтови системи

Размахът на съвременното строителство е немислим без развитие на отделните етапи - от проектирането до довършителните работи. Съществен стадий в този процес е изпълнението на строителния изкоп. Дълбоките изкопи върху голяма площ влияят на околните сгради, пътища и съоръжения, като създават предпоставки за допълнително слягане, тъй като изпълнението им води до намаляване на геоложкия товар в зоната и до промяна на нивото на подпочвените води. Дори при укрепващи конструкции хоризонталните им премествания може да предизвикат слягане на прилежащата инфраструктура. Още по-сложно става, когато се налага да се работи при наличие на вода.
Предизвикателството пред инженера е да създаде стабилно укрепване, което да елиминира авария с катастрофални последствия за хора и сгради, и да е икономически изгодно. Използваните системи са доста, но тук ще се вгледаме в тази, при която се използва шпунт.

Терминът "шпунт" се е наложил от употребата на немската дума "spund". Така са наричали надлъжната издатина по тясната част на дъската, която е била заклинвана в съответстващата є по форма и размери надлъжна вдлъбнатина на съседната дъска. Звучи сложно, и нашите майстори са го нарекли "глъб и зъб". Първоначално тази сглобка е била използвана за съединяване на плоскости от дърво. При осигуряване на контакт по цялата дължина на елемента разпределянето на натоварването е по-удачно, отколкото при използване на пирони в отделни точки, а е и по-евтино. С времето шпунтовото съединение показва все повече достойнства. Вече наричаме "шпунт" специален вид строителен профил със сложна, начупена форма. В наши дни системите, които го използват, са се наложили като вариант за укрепване на строителни изкопи, почти незаменим, ако има наличие на големи количества вода. Това прави шпунтовите стени много подходящи при изпълнение на брегоукрепващи съоръжения, мостове, в хидротехническото строителство, пристанища и др.

При изпълнение на строителния изкоп трябва да се избере технология за изкопаване и отводняване, да се изследва устойчивостта на дъното и откосите, да се реши укрепването и същевременно да се имат предвид начините на изграждане на фундаментите и подземните съоръжения. Основната цел на укрепването е да поеме натоварването от земния и хидравличния натиск, както и от външни товари. Как и доколко шпунтовите системи покриват тези изисквания?

BСтатически схеми
Шпунтовите стени поемат и предават в почвата натоварването от земен или от земен и хидростатичен натиск. Шпунтовото укрепване се изпълнява от вертикални елементи, забити в почвата преди изкопаване на изкопа. Те прилягат плътно един към друг. Изпълняват се от талпи или специални профили, което определя и видовете шпунтови стени според използвания материал - дървени, стоманобетонни, стоманени - от студено или горещо валцувана стомана, алуминиеви, от поливинилхлорид, от полимери, усилени със стъклени влакна, и др. При наличие на подземни води шпунтовите стени служат за преграда, с която да се пресече пътя на водата и да се осигури устойчивостта на дъното на изкопа.

Шпунтовите стени могат да бъдат конзолен тип, подпрени или анкерирани с пасивни и активни анкери. При конзолния тип устойчивостта се осигурява от почвата под дъното на изкопа, а това води до голяма дълбочина за забиване. При подпрения тип стабилността на конструкцията се осигурява от частично вкопаване и от разположени на едно или повече нива подкоси, подпори, анкери. Анкерирането, по смисъла на статическо решение, също е подпиране, и може да се извършва едноредово или многоредово, според дълбочината.

Въздействията от активен земен натиск се приемат независимо от преместването или завъртането на укрепващата повърхност, която ще наречем "стена", а триенето между стената и почвата най-често се приема нула. Въздействията от пасивен земен натиск отчитат триенето между стената и почвата, и относителното преместване на стената спрямо почвата.

При укрепване с вертикални елементи, навлизащи в почвените пластове под дъното на изкопа, има едно условие - инженерно-геоложки проучвания на голяма дълбочина. Изборът дали да се изпълни опора или да се избере по-голяма дълбочина, зависи не само от икономическата целесъобразност, но и от двата възможни варианта - укрепването да бъде временно съоръжение или да бъде част от сградата. Конзолният тип е подходящ и изгоден най-вече за втория вариант.

Хидравлично оразмеряване
Едно от основните предимства на шпунтовите стени е, че не се допуска приток на вода в строителната яма. За да се гарантира това, подготовката започва още при предпроектните проучвания, следва задълбочено проектиране, и едва тогава - изпълнение. Решаваме две задачи - определяне на необходимата дължина на забиване и осигуряване на устойчивостта на дъното срещу суфозия. Притокът на вода е характерен за несвързаните почви. Преградата, която ще осигури минимален приток на вода в изкопа, трябва да бъде забита на определена дълбочина. Тук не говорим за необходимата от статическа гледна точка дълбочина, а за такава, която ще удължи пътя на водата, и която подлежи на друг тип изчисления. Най-общо казано, действителната скорост на филтрация трябва да бъде по-малка от критическата. Действителната скорост е функция на коефициента на филтрация, водния напор и дължината на филтрационния път, а точно този "път" е удвоената дължина на частта от шпунта, която остава неразкопана. Критичната скорост на филтрация е следствие от изискването за равенство на хидродинамичния натиск с обемното тегло на почвата под вода; да не забравяме, че това се отнася за слоя почва под дъното на строителния изкоп. От сравняване на действителната и критичната скорост на филтрация можем да определим необходимата дължина на забитата част от шпунта.

Другата задача - да осигурим устойчивост на дъното на изкопа срещу суфозия, ще формулираме така, че да си представим борбата между двете групи сили - от страната на масива и от страната на изкопа. Първо, общото натоварване откъм масива включва собственото тегло на почвата и хидродинамичния натиск; разглеждаме ниво долен ръб на забития шпунт. Това общо натоварване се стреми да изтласка почвата под изкопа. Второ - от страната на изкопа също имаме тегло на почвата и хидродинамичен натиск. Изтласкване на почвата ще е възможно, ако общото натоварване под масива преодолее носещата способност на земната основа под изкопа. Носещата способност на земната основа обаче зависи и от вътрешното триене. Колкото този показател е по-голям, толкова суфозията е по-малка. Приема се коефициентът на сигурност при тази проверка да е 1,2.

Шпунтово укрепване при липса на воден приток
Укрепване на база шпунтово съединение се прилага и без да има подпочвени води или нужда от водоплътна преграда. Най-често то се изпълнява от дървени и/или стоманени елементи. Носещите дъсчени елементи от шпунтовата стена се изпълняват във вертикално или хоризонтално положение, познато още като "легнал" крепеж. Стоманените греди трябва да се поставят на равни разстояния една от друга. При различни разстояния са необходими специални мерки за предотвратяване на извъртането на гредите.

Стоманени шпунтови стени се прилагат съобразно стандарти DIN EN 10248 и DIN EN 12063. Според конкретните условия се определя метода на изпълнение и се избира направляващата система. Тя предотвратява отклонението при поставяне на шпунта. Допускат се отклонения от вертикалното направление, напречно на оста на стената, не повече от 1,5% от дължината на елемента. При изпълнение на водоплътни шпунтови стени тези отклонения са още по-малки.

Макар че наличието на осигурителен пояс не е строго изисквано от нормативната уредба, неговото поставяне е от значение, дори бихме казали, че е задължително. Този пояс осигурява връзката между отделните елементи, и следователно - равномерно разпределяне на натоварванията върху цялата стена. За осигурителни пояси се използват предимно горещовалцувани стоманени профили. Ако има анкери, усилието от анкера се предава на усилващия пояс чрез носеща плочка. При анкери на няколко реда поясите следват нивата на анкерите. Това се отнася и за варианта на шпунтово укрепване при наличие на вода.

Прилагането на струйна обработка, например струи под високо или ниско налягане, като спомагателно средство за поставяне на шпунтови елементи, се допуска до не повече от 1,00m преди достигане на окончателната дълбочина на поставяне.

Шпунтово укрепване при наличие на вода
Сравнително водоплътна стена може да се изпълни и от дървени шпунтови елементи, но стоманените или тези от специални пластмаси са предпочитаните, а за ограждане на насипи или изкопи във водна среда са незаменими. При избор на метода на строителство важен фактор е справянето с остатъчната вода. Това е водата, която навлиза в изолирания от техническа гледна точка изкоп през стените и в основата, и отвеждането є не бива да се пренебрегва. За да се спазва допустимото количество остатъчна вода, се обръща особено внимание на осигуряване на плътността на преграждащата диафрагма, особено на съединяването на отделните елементи, като може да се наложи и употреба на допълнителни уплътнения на основата.

Най-използвани са два стоманени шпунта - "U"-образният "Ларсенов" и "Z"-образният "Höesch" шпунт, които са се наложили и при високи подпочвени води, и в изцяло водна среда. Разликата в геометрията на напречното сечение се отразява в теглото. Шпунтът "Höesch", за който може да се приеме, че е като половин "Ларсен", е с по-малко тегло, и това улеснява транспортирането и поставянето. Максимално допустимите отклонения от вертикалното направление напречно на оста на стената са 1% от дължината на гредата. Ако се отчете превишаване на стойността, шпунтовите ламели трябва да се изтеглят, повторно да се нагласят в правилно положение и пак да се поставят.

Това укрепване, освен че гарантира водоплътност, може да се използва многократно, отделните елементи са сравнително леки, но достатъчно устойчиви при набиване, а съществува и възможност за удължаване чрез заварки или болтове. При голяма дълбочина, когато се наложи използване на статическа схема с подпиране, могат да се комбинират с анкери. Ще отбележим два недостатъка - елементите не могат да се влагат в крайната конструкция и системата не е приложима при твърди почви или наличие на скални фракции.

Много подходящи за брегово укрепване, но предимно извън населени места, са шпунтовите стени от поливинилхлорид. Този материал осигурява защита срещу просмукване на подпочвени води и предотвратява ерозията на реки и водохранилища. За изработката на шпунтовите елементи се използва твърд поливинилхлорид, с добавки за удароустойчивост, термична устойчивост и защита от UV лъчи. Профилът на шпунта е вълнист или трапецовиден. Изграждането на стените става по три начина - чрез забиване с вибрационни чукове с малка ударна сила, за да не се повреждат профилите; чрез водна струя, която да изнася почвата, ако е много твърда, изпод шпунта при забиването; чрез монтиране на шпунтовете в предварително оформен изкоп, последвано от обратно засипване и уплътняване - ако почвата е с такава твърдост, че първите два метода са непригодни.

Разглежданите сложни форми на напречните сечения ще допълним с описание на плоския шпунт. На пръв поглед може да изглежда нелогичен поради малката си коравина, но като се има предвид, че се използва най-вече в затворени цилиндрични конструкции, и следователно поема предимно хоризонтални опънни сили, той се оказва много икономичен. Съединенията между отделните шпунтове са така конструирани, че се осигурява завъртане на отделния елемент до 4,5˚, а при необходимост - до 12˚.

И още нещо за възможностите на шпунтовите стени.
Те се използват и за изграждане на противофилтрационни завеси при земно-насипни язовирни стени. Може би най-разпространен е начинът за изграждане на такава завеса с инжекционни сондажи, но вече се строят и шпунтови стени по специална технология. При неголяма дебелина на водопропускливия слой противофилтрационната завеса се изгражда до водоупора с известно навлизане в него. При дълбоко залягане на водоупора завесата се построява до пласт, имащ относително водопоглъщане, чиято стойност се определя по емпиричен път. (Всъщност това е висяща шпунтова стена.) Макар че тези завеси, наричани още cut-off walls, са краен продукт на две идеи - изкопаване на шлицове и изпълнение на отделни елементи, това сливане между шлицови и шпунтови стени засега се третира по-скоро като шпунтово. Методът е много интересен. Използваният материал се състои от добавъчни материали, цимент, вода и глина. Продължава да се изследва влиянието на типа глина и нейното количество върху якостта на натиск, на опън и върху дълбочината на проникване на вода в този нов материал, условно наречен "пластичен бетон". Правят се и полеви тестове за определяне на оптималното количество не само на бентонита, но и на отделните фракции инертни добавки, както и на водоциментовия фактор. Осъществяването на водоплътната връзка между отделните панели е сложен процес, и няма да навлизаме в детайли. Може да се обобщи, че засега пластичният бетон не само е труден за производство, но и още при проектирането му има проблем - конфликтът между изискванията за якост и коравина. Има над какво да поработят инженерите.

Методи за полагане на шпунтовите елементи
Показателят, по който разграничаваме два основни метода за изпълнение на шпунтово укрепване, е наличието на вибрации. Ако такива липсват, шпунтовите елементи се забиват пресово, с натиск, или се поставят. При вибрационния метод се използва вибриране и ударно набиване.

Пресовото забиване е най-старият вариант за забиване на шпунт. Първата подвижна преса е разработена през далечната 1960г. Забиването с натиск дотогава се е прилагало само върху отделностоящи пилоти. Нововъведението е във възможността да се забиват листови стоманени елементи. Десетина години след това е пуснат в експлоатация подобрен вариант - преса, която се поставя върху група от осем шпунта. Всеки един от профилите е притегнат към работните цилиндри на пресата, които ги набиват в почвата с контролиран натиск. Първата самоходна преса за шпунтови стени, разработена от японска фирма през 1975г., е използвана за пръв път в Европа едва през 1986г. Тази машина, наречена Silent Piler, "върви" по дължината на реда елементи, подлежащи на забиване, като използва възникналото триене по околната повърхност на вече забитите шпунтове. Ако разделим процеса на отделни стъпки, първата е поставянето на нов профил. При втората стъпка захватите, които са свързвали пресата с вече забитите пилоти, се освобождават. Трета стъпка - устройството се премества един ход, т.е.една ширина на единичен профил, напред. При последната стъпка машината отново здраво захваща няколко от вече поставените шпунтови пилоти, непосредствено до новия, който ще бъде забиван. Именно комбинацията от здравия захват и триенето между шпунт и почва обуславя възникването на съпротивителната сила, която прави възможно забиването на поредния профил. Използват се U и Z-образни профили. Преимущество на пресовото забиване е постигането на минимални въздействия върху околната среда. Нивата на шум, лимитирани за градска среда, са не повече от 75dB. Silent Piler постига този показател на около два метра, и с нарастване на разстоянието нивото на шума пада още. Друго съществено изискване е ограниченото предизвикване на вибрации в почвата. Измерването се съсредоточава върху пиковото ускорение на почвените частици, след като са били подложени на преминаващата динамична вълнà, но Silent Piler се справя и с това.

Забиването чрез вибриране или ударно набиване става с механизми, използващи различни видове чук или вибронабивач, например забиващ чук, който пада свободно върху забивания елемент с честота 10 удара/минута; паровъздушен чук в полуавтоматичен режим с честота на ударите 30÷60бр./мин.; дизелов чук с честота 40÷100бр./мин.; бързи ударни механизми, с честота на ударите до 230бр./мин.; виброударни чукове, които използват комбинация от ударна сила и вибрации, и достигат честота на ударите до 1500бр./мин., и др. Този метод пести време за забиване и е по-икономичен. Машините, с които се работи, могат да забиват елементите в почвата, да ги изваждат, да ги поддържат в правилно положение по време на поставянето. Те са така конструирани, че е възможно да се въртят около вертикална ос, рамото да се наклонява в различни направления, да вдигат забиващия чук и самите шпунтове.

В градски условия почти не се прилагат вибрационни методи или ударно набиване, за да се избегнат съпътстващите ги шум и вибрации.

Безопасност и контрол
Шпунтовите елементи трябва да са произведени от материал с необходимата якост. Шпунтовите стени се монтират и демонтират само под контрола на консултант - специалист в тази дейност. По време на изпълнението им трябва да е осигурена възможност за извеждане на работещите, ако има проникване на вода или почва. Процесът на демонтаж се изяснява още при проектирането - колко и кои елементи ще бъдат демонтирани, колко и кои ще останат в основите.

Контролът включва наблюдения, например за поява на пукнатини в почвата, и специфични операции - следене на сляганията на терена, на горния ръб на укрепването, на хоризонтални премествания на почвената повърхност и на видимата част на укрепването, следене на слягания и хоризонтални деформации на почвата под повърхността, на земния натиск, действащ върху стената, на натоварванията в анкерите, следене на напора на подпочвените води - и това не изчерпва списъка. За тези замервания и контрол се използват и съответните инструменти и техники - прецизно нивелиране, подравняване, инклинометър, устройства за измерване на налягането и др. От проучването до контрола - използването на шпунтови системи за укрепване на строителни изкопи трябва да се поверява само на доказани специалисти.