Облицовка котлованов и траншей может быть выполнена следующим образом:
а) вертикальные облицовки, состоящие из системы вертикальных несущих стоек, пространство между которыми обшивается горизонтально расположенными элементами. Крепление устанавливается после выемки грунта из котлована или траншеи без предварительного закрепления стенок;
б) вертикальные подпорные конструкции. Крепление состоит из вертикально располагаемого шпунта, который устанавливается до или параллельно с выемкой грунта и раскрепления горизонтальными распорками или специальными свайными насадкам;
в) несущие шпунтовые стенки. Сооружаются из вертикальных несущих шпунтовых элементов, которые забиваются в грунт до его выемки, а затем раскрепляются горизонтальными распорками. Возможно анкерное крепление шпунта;
г) крепление специальными плитами. Облицовка стенок котлованов осуществляется специально изготовленными большеразмерными плитами, устанавливаемыми сразу же после выемки грунта. Их закрепление осуществляется вертикальными или горизонтальными несущими элементами, которые могут быть дополнительно раскреплены распорками.
При устройстве глубоких котлованов с вертикальными стенками в жилищном, промышленном и сельскохозяйственном строительстве до установки несущих конструкций стенки должны быть облицованы защитными элементами с покрытием из различных пленочных материалов.
В соответствии с приведенной классификацией области их применения распределяются таким образом:
а) для небольших и средних котлованов;
б) ограниченная ширина строительной площадки;
в) близкое расположение строительного грунта;
г) в условиях, исключающих возможность сотрясений. Описываемые в этой главе типы облицовок применяются только
в условиях ограниченного притока грунтовых вод. Уровень грунтовых вод должен быть расположен ниже отметки дна котлована. В случае необходимости водопонижение должно осуществляться закрытым способом.

3.1. КРЕПЛЕНИЕ СТЕНОК КОТЛОВАНОВ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Способ крепления стенок котлованов появился очень давно и до сих пор широко применяется при сооружении небольших и сложных объектов. Он используется, когда по грунтовым условиям высота незакрепленной части стенки не должна превышать 0,5 м, и отметка дна котлована находится выше уровня грунтовых вод. Облицовка вертикальных стенок котлованов горизонтальным шпунтом применяется в тех случаях, когда две параллельные стенки котлована незначительно удалены друг от друга. Конструкция таких стенок состоит из:
горизонтальных — деревянных, металлических или железобетонных элементов;
вертикальных стоек, выполняемых из круглых деревянных стоек или стальных балок;
горизонтальных или наклонных распорок из деревянного кругляка или брусьев, стальных балок или из винтовых распорок при узких траншеях;
элементов, обеспечивающих местную жесткость конструкции, состоящих из дополнительных стоек и распорок.
Можно назвать следующие преимущества крепления стоек горизонтальными элементами:
возможность устройства котлованов сложной конфигурации;
небольшая масса отдельных строительных элементов;
возможность многократного использования конструкций крепления.
Вместе с тем это решение имеет несколько недостатков: ограничения применения машин для укладки трубопроводов и производства других видов работ из-за наличия большого числа поперечных распорок;
необходимость повторного обеспечения устойчивости при разборке и вторичной сборке распорок;
возможность потери устойчивости стенок при снятии распорок в процессе выполнения строительных работ.

Рис. 3.6. Крепление вертикальных стенок широкого котлована
а - проходка направляющей траншеи; б - устройство несущего элемента с его анкеровкой; в - опирание стенок котлована на несущий элемент; г - вид сверху на анкерное крепление; 1 - анкер из круглой стали; 2 - распорки; 3 - металлические несущие стойки; 4 - стойки; 5 - обшивка; 6 - траверса; 7 - поперечная балка; 8 — клинья

3.1.1. Облицовки траншей.
При осуществлении конструкции с горизонтальными элементами для защиты стенок траншей при прокладке трубопроводов (рис. 3.1) применяются следующие конструктивные решения:
толщина досок, применяемых для обшивки, должна быть не менее 50 мм;
деревянные стойки сечением не менее 100x140 мм должны поддерживать по длине не менее четырех горизонтальных элементов или досок;
при применении металлических стоек их сечение должно быть не менее 10;
диаметр деревянных стоек круглого сечения должен быть не менее 100 мм и на концах иметь фаску.
Для обшивки стенок траншей применяются обычно доски длиной от 4,0 до 4,5 м, шириной от 200 до 300 мм и толщиной от 50 до 70 мм. Для каждого отдельного участка обшивки допускается применение досок только одинаковой длины, так как не допускается надставка их по длине. Вместо деревянной может быть применена металлическая обшивка из профилированных элементов. В обычных условиях длина стоек и распорок от 1,5 до 2,5 м. Стойки должны располагаться на расстоянии не более 200 мм от конца горизонтальной доски. Доски длиной 2,5; 4,5 м крепятся к трем стойкам. Длина вертикальных стоек не менее 1 м, это позволяет расположить по их длине не менее двух распорок. На рис. 3.2 показана конструкция крепления стенок траншеи для укладки трубопровода, выполненная из досок. Конструктивные решения при сооружении смотрового колодца в торце узкой траншеи показаны на рис. 3.3.
При прокладке трубопроводов часто недостаточно расстояние между нижним ярусом распорок и дном траншеи. Это ведет к необходимости установки более прочных и длинных стоек, способных воспринимать большие изгибающие моменты. На рис. 3.4 показано решение, позволяющее обойтись без нижней распорки. В этом случае кроме обычных коротких стоек почти на всю высоту крепления стенок дополнительно устанавливаются длинные вертикальные стойки, имеющие большую прочность, и нижние распорки крепятся на большей высоте от дна траншеи.
На рис. 3.5 показано конструктивное решение крепления стенок траншеи для укладки стального трубопровода диаметром 800 мм. Стойки для закрепления горизонтальной обшивки выполнены из металлических профилей. В основание заложены металлические трубчатые распорки диаметром 60 мм при толщине стенки 4 мм (рис. 3.5 ,а) и в верхней части траншеи установлены две деревянные распорки. Тем самым обеспечивается пространство, необходимое для производства работ по укладке трубопровода. Для монтажа отдельных секций трубопровода были предусмотрены участки длиной по 6 м, на которых распорки не устанавливали. Трубы укладывали в траншею в этих местах и затем протягивали до места установки.
На рис. 3.5,в показан план участка, на котором осуществляется опускание отдельных участков труб. После выемки грунта в траншее устанавливаются специальные металлические рамы, исключающие возможность обрушения стенок.
В качестве нижней распорки служило бетонное основание траншеи, в которое были заведены нижние концы стоек.
Если по краю траншеи предусмотрено движение транспорта или строительных механизмов, вертикальное крепление стенок траншей должно быть усилено.
В этом случае верхние распорки должны быть расположены на глубине не более 0,5 м от поверхности земли и в случае, если дорога для подъезда транспорта расположена на расстоянии менее 1 м от края траншеи, их количество должно быть удвоено.

3.1.2. Крепление стенок котлованов .
При устройстве широких котлованов с вертикальными стенками в условиях, исключающих возможность сотрясения грунта, возможно применение вышеописанных конструкций с горизонтальными элементами обшивки. Закрепление стенок котлована осуществляется двумя методами:
1) по периметру будущего котлована сооружается щелеобразная траншея, стенки которой закрепляются вышеописанным методом, после чего производится выемка основного грунта котлована (рис. 3.6);
2) вначале производится разработка основной части грунта в котловане с откосами, после чего производится выемка грунта, который лежит в основании откоса, его последующее закрепление обшивкой, которая раскрепляется к существующему сооружению (рис. 3.7).
На рис. 3.8 показано поэтапное выполнение работ по первому варианту при сооружении железнодорожного моста в условиях непрекращающегося движения. Вначале были разработаны две щелеобразные прорези с креплением их горизонтальной обшивкой. После выполнения этого этапа работ были установлены многочисленные деревянные распорки. Распорки длительного применения и их оголовки были выполнены из металла. Параллельно выемке грунта осуществлялась постепенная замена деревянных распорок на металлические и устанавливалась облицовка стенок траншей. На рис. 3.9 приведено конструктивное решение опоры мостового перехода.

Поскольку разработка котлованов с естественным углом откоса в действующих предприятиях недопустима, и разработка выямок выполняется с вертикальными откосами, закрепленными в последующем технологическими способами, классификация которых приведена на рис.15.2.1. Ниже рассматриваются способы выполнения указанных креплений.

В зависимости от используемого материала крепления подразделяются: на деревянные, металлические, железобетонные и комбинированные.

1. Деревянные крепления – доски, бревна, шпунт. Доски для крепления стенок и бревна служат для создания каркаса обрамления и устройства распорок. Недостаток деревянных креплений – установка внутри котлована распорок, которые мешают производству работ в котловане.

2. Для устройства металлического крепления применяют различные типы шпунтовых свай. Наибольшее распространение получили шпунты «зетового» и «корытного» профилей. Достоинство этого крепления большая несущая способность и возможность применения в любых грунтовых условиях. Металлическая шпунтовая стена позволяет устраивать выямки без внутренних распорок, что обеспечивает удобство и безопасность работ в котловане.

3. Железобетонные крепления представляют собой разновидность подпорных стен и, помимо основного назначения выполняют еще функции будущей возводимой конструкции. Они могут быть как монолитными, так и сборными. Толщина этих стен от 0,3 до 1,5 м.

4. Комбинированные крепления, представляющие собой сочетание металла и железобетона, либо дерева с металлом, либо дерева, металла и бетона.

Варианты креплений выямок в стесненных условиях приведены на рис. 15.2.1, рис.15.2.2, рис.15.2.3 и рис. 15.2.4.

По способу крепления подпорные стены подразделяются на: консольные, распорные, распорно-консольные, анкерные.

Первые представляют собой шпунтовую стенку, жестко защемленную грунтом. Устойчивость её обеспечивается защемлением и собственной жесткостью. Такие крепления устраиваются из металлического шпунта. Наибольшее распространение они получили при ограждении неглубоких котлованов.

Основной конструкцией распорных креплений является распорка. Щиты крепления и шпунтовая стена выполняет при этом только ограждающую функцию. Распорки устанавливаются в один или несколько рядов в зависимости от величины нагрузок (глубины котлована). Распорки чаще всего выполняют деревянными.

Консольно–распорные крепления представляют собой сочетание первых двух. Здесь нагрузки от давления грунта, складированных материалов и механизмов у бровки котлована воспринимаются не только распорками, но и ограждающими элементами крепления.

В качестве последних используется деревянный или металлический шпунт, который заглубляется в грунт на величину, определяемую расчетом. При небольшой глубине котлована в качестве несущих элементов консольной части принимают двутавровые балки, между полками которых закладываются доски ограждения. Вверху балки раскрепляются распорками.

Анкерные или заанкерованные крепления представляют собой шпунтованную стенку, консольная часть которой удерживается с помощью системы анкеров. При этом последние являются несущими элементами этого вида крепления, которое позволяет беспрепятственно производить работы внутри огражденного им котлована.

Конструкция анкеров может быть различной. Наибольшее распространение получила система анкерного крепления с дополнительной шпунтовой стенкой из стальных тяжей (см. рис.13.2.2).

В зарубежной практике при реконструкции широко используется так называемый инъекцируемый анкер, предложенный фирмой «Карл Бауэр» (см. рис.13.2.3). Нагрузка на анкер в несвязных грунтах достигает 100Мпа, а в связных – 60 МПа, что позволяет применять его в следующих случаях:

Крепление стенок котлованов любого рода, глубиной до 20 м;

Рис. 15.2.1 Конструктивные схемы крепления земляных выемок в стесненных условиях с вертикальными откосами:

1) консольные (при Н меньше 3 м — деревянный шпунт; Н меньше 6 м — металлический шпунт; Н меньше 10 м — железобетонная подпорная стена); 2) анкерные; 3) распорные; 4) подкосные; 5) опускной колодец; 6)искусственное закрепление грунтов инъецированием различных композиций

1 — существующие конструкции; 2 — ограждающая конструкция; 3 — котлован; 4 — анкер; 5 — существующая коммуникация; 6 — траншея для установки анкера; 7 — распорные балки; 8 — существующая дорога; 9 — подкос; 10 — упор подкоса; 11 — опускной колодец; 12 — инъекторы для закрепляющих композиций; 13 — масссив закрепляемого грунта.

Рис. 15.2.2 Крепление вертикальных откосов котлована:

а) общий вид крепления;б) узлы крепления откосов;

1 — шпунт (деревянная или металлическая свая); 2 — ограждение выямки из досок 30мм; 3 – шпунтовая стенка; 4 — тяжи анкерного крепления; 5 — натяжное устройство анкера; 6 — шпунтовая стенка укрепленная стенка грунта; 7 — закрепленный откос грунта.

Рис. 15.2.3 Схема монолитного инъецируемого анкера фирмы «Бауэр»:

1 — закрепленный откос грунта; 2 — «шпунт», ограждающий откос грунта; 3 — пластмассовая труба, размещаемая в пробуренную скважину; 4 — состав защитного покрытия анкерной тяги; 5 — анкерная тяга; 6 — инъецированный грунт; 7 — труба с рефленой поверхностью (якорь анкера), заинъецированная в грунт; 8 — устройство для натяжения анкера; 9 — массив грунта.

Крепление подпорных стенок и речных берегов;

Восприятие давления грунта на бассейны и очистные сооружения.

Сравнительная характеристика технико–экономических показателей способов крепления котлованов (по материалам фирмы «Карл – Бауэр) приводится ниже в таблице 15.2

Таблица 15.2

Сопоставление способов защиты котлованов

(по материалам «Карл Бауэр»)

Рассмотренные варианты устройства заглубленных помещений (см. рис 15.2.1) приемлемы только для условий сухого производства земляных работ. В сложных гидрогеологических условиях площадки с высоким уровнем грунтовых вод (УГВ) целесообразнее представляется технология «стена в грунте», позволяющая весь комплекс земляных работ осуществлять под защитой противофильтрационной завесы, устройство которой производится с использованием следующих конструктивных схем (см. рис. 15.2.4)

Рис. 15.2.4 Конструктивные схемы «заглубленных помещений», выполненных по технологии устройства «стена в грунте»:

|, ||) для круглых котлованов; |||) для прямоугольных и квадратных помещений; V|) для помещений любого очертания в плане;

1 — существующая или «противофильтрационная» завеса-стена; 2 — днище сооружения; 3 — распорные устройства; 4 — анкерные устройства (типа «Бауэр»).

Анализ приведенных схем крепления вертикальных откосов земляных выемок свидетельствует о том, что наиболее эффективными являются схемы с использованием анкерных креплений. Они позволяют устраивать заглубленные помещения высотой более 6 м. Все остальные схемы, менее затратные, связаны с более сложной технологией как земляных, так и монтажных работ. Причем глубина этих «помещений» не превышает 4 м.

Выбор той или иной схемы производства работ обусловлен, а первую очередь, проектными габаритами и отметкой подошвы разрабатываемого котлована, условиями (степенью) стесненности и конструктивно-технологическими характеристиками заглубленного помещения.