Необходимость, виды и способы установки шпунтового ограждения

Технология монтажа

Важно, чтобы при забое трубошпунта соблюдались все операции, предусмотренные технологией строительных работ, так как любое отклонение от заданного порядка может привести к выходу за рамки допустимых погрешностей и процесс придется повторять заново. В этому случае преимущество ТСШ в том, что, в отличие от обычного плоского шпунта он не деформируется от ударов забойными установками

• Перед тем как погружать изделие в почву нужно осмотреть и по необходимости очистить замковые соединения конструкции от грязи и инородных предметов. Чтобы не выяснилось уже в процессе работы, что замок имеет большое искривление, еще до начала погружения выверяется его прямолинейность посредством шаблона.
• Вибропогружатель крепится на верхнюю грань трубы при помощи клинового наголовника, при этом операторы следят, чтобы сцепление было жестким.
• Теперь уже вместе с погружателем шпунт поднимают, центруют и подводят нижний конец замка к замку уже вмонтированной в котлован ТСШ.
• Проведя предварительные оценочные замеры и убедившись, что направление забоя точно соответствует проектному, вибропогружатель включают.
• Ввод шпунта в грунт осуществляется до проектной отметки, после чего установку отключают и транспортируют краном к месту погружения следующего элемента ограждения.

Способы погружения и необходимое оборудование

Выделяют несколько вариантов установки ограждения. Выбор зависит от типа грунта, назначения.

Забивание (ударный метод)

Копр ‒ это самоходная машина с колесами или гусеницей. Оснастка состоит из:

1. Копровой мачты. Это направляющая балка опалубки. Изготовлена из стали. На ней крепится шпунт и погружающее оборудование.
2. Лебедочные блоки. Необходимы для поднятия, установки шпунта.
3. Погружающий механизм. Молот или вибропогружатель.

Молот сделан в виде штанги или трубы, по направляющим которой передвигается боек. Он и наносит удары по шпунту.

В дизельных молотах боек приводится в действие за счет сгорания топлива.

Перед установкой проводится обследование почвы. На тяжелых каменистых, скалистых грунтах сначала бурится лидерная скважина. За счет этого забивка получается бесшумной.

После этого в металлической свае сверлится отверстие, чтобы зацепить сваю крючком, закрепить в наголовнике, надетом на молот.

Установку нужно выполнять аккуратно, чтобы не вырвать шпунт из замка ‒ это не подлежит исправлению.

Вибрационный

Вибропогружение ‒ способ установки с помощью копровой машины с навесным оборудованием. По технологии практически не отличается от ударного метода, за исключением функционирования навесного механизма.

При этом методе сваи придется шпунтовать вибропогружателем. За счет частотных колебаний плотность почвы снижается, и свая постепенно опускается в грунт на нужную глубину.

В зависимости от уровня частотности колебаний выпускаются вибропогружатели трех видов.

Низкочастотные

Оборудование предназначено для монтажа шпунта Ларсена на грунтах с низкой плотностью. Отличается большими размерами и весом. Частота колебаний не превышает 9,17 Гц. Динамическое усилие составляет до 1700 кН.

Среднечастотные

Универсальный вибропогружатель. Им удобно монтировать как шпунты, так и трубы. Рабочая частота колеблется от 10 до 30 Гц. Предельное динамическое усилие достигает 270 кН.

Высокочастотные

Механизм состоит из:

• 2- или 4-вального вибровозбудителя (в зависимости от количества электродвигателей);
• гасителя динамических нагрузок;
• гидравлического наголовника.

Показатель рабочей частоты превышает 30 Гц. Оборудование может функционировать самостоятельно, но чаще используется в сочетании со стрелковым краном.

Завинчивание или вдавливание

Рекомендуемый грунт ‒ глина, суглинок, песок и другие типы с низкой плотностью.

Исключается риск повреждения сваи при установке, как в случае забивки.

Вдавливание в почву выполняется специальной мобильной установкой с гидравлическим узлом, который прочно обжимает сваю, двигается вниз, постепенно погружая ее в землю.

Основной минус вдавливания ‒ большие размеры и вес оборудования, что существенно усложняет транспортировку и процесс подготовки к монтажу. Источник электроэнергии должен быть очень мощным.

Для перевозки всех необходимых деталей потребуется минимум 5‒6 грузовых машин, что скажется на общей стоимости проекта. Поэтому этот метод используется при застройке больших массивов.

Комбинированный (вибровдавливание)

Сочетание способа вдавливания и воздействия частотных колебаний. Хорошо подходит для мягкой почвы. Сфера, место применения не ограничены.

Для упрощения установки рекомендуется провести разметку по периметру стенок сваи.

При помощи технологии размыва

Этот метод используется как вспомогательный с одним из вышеперечисленных способов монтажа.

Принцип действия следующий:

На свае крепят по бокам или по центру трубки.
По ним под давлением от 0,5 МПа подается напор воды.
Вода, попадая под наконечник шпунта, который находится внизу, размывает грунт.
Важно четко следить, чтобы почва размывалась равномерно, иначе вертикальность установки будет нарушена.

Фото. 1 – молот; 2 – трос; 3 – напорный шланг; 4 – подмывная труба; 5 – свая; 6 – наконечник трубы; 7 – нагнетательный трубопровод: 8 – насос; 9 – всасывающий трубопровод.

Что такое шпунтовые ограждения

Шпунтовое ограждение (или шпунтовая стенка) это вид ограждающей конструкции, выполненной из вертикальных элементов, погруженных в грунт. Как правило, подобные конструкции используются для разделения разных сред — земли и воды, разных типов грунта, закрепления грунтовых стенок и т. д.

Поскольку каждый элемент полотна представляет собой сваю, обладающую собственной несущей способностью и возможностью переносить нагрузки любого типа, общая мощность всего полотна ограждения оказывается просто огромной.

Что такое шпунтовое ограждение

Установка таких конструкций производится с целью исключить осыпание или размывание вертикальных стенок котлованов, береговой полосы водоемов, различных насыпей. Сваи хорошо воспринимают боковые нагрузки, поскольку они достаточно глубоко погружены в грунт.

На заметку! Выполаживание стенок котлованов, обрывов или насыпей становится невозможным, так как возникает барьер для осыпающихся частиц грунта. Они упираются в ограждение и стабилизируют массив грунта. Таким способом можно достаточно надежно зафиксировать практически любую вертикальную грунтовую стену.

Разновидности

Изделие применяют в разных направлениях строительства, поэтому технические характеристики, внешний вид профиля и марка используемой стали отличаются у разных видов.

Шпунт Ларсена Л4

Профиль изготавливают из стали 16ХГ (СТ3КП). Его характеристики:

• полезная ширина изделия по центру замка – 405 мм,
• прочность стенки составляет 517-518 кН/м;
• толщина наклонных граней – 9,5 мм;
• допустимое сопротивление 1 п.м. опорной стенки – 2200 см³/м;
• вес шпунта Ларсена Л4 – 74 кг/м;
• масса 1 м² конструкции — 182,7 кг.

Шпунт Ларсена л4 производят на 2 заводах:

1. Российская горно-металлургическая компания;
2. «ДМК» (Украина).

Изделие широко распространено в России и странах СНГ, его можно купить у различных поставщиков на первичном и вторичном рынках.

Шпунт Ларсена Л5

Для изготовления данного проката используют сталь СТ3КП. Это более мощный профиль, чем Л4:

• полезная ширина профиля между замками – 420 мм;
• прочность стенки – 696…800 кН/м;
• толщина наклонной грани – 11 мм;
• допустимое сопротивление 1 п.м. опорной стенки – 2962 см³/м;
• вес шпунта Ларсена Л5 – 100 кг/м;
• масса 1 м² конструкции – 238 кг.

Как и Л4, шпунт Л5 производят украинская «ДМК» и Российская горно-металлургическая компания. Купить изделие можно на всей территории России по приемлемым ценам у разных поставщиков и посредников. В продаже можно встретить прокат VL607 – это аналог шпунта Л5 от чешской компании «Евраз».

Шпунт Ларсена Л5-УМ

Этот представитель проката данного типа отличается от предшественника качеством используемой для производства стали – она устойчива к коррозии, в ее состав входит медь.

• Полезная ширина профиля между замками – 543 мм;
• прочность стенки – 906 кН/м;
• толщина наклонной грани – 11 мм;
• допустимое сопротивление 1 п.м. опорной стенки – 3555 см³/м;
• вес шпунта Ларсена Л5-УМ – 114 кг/м.

Другие виды

Шпунты Ларсена отличаются не только техническими характеристиками, но и формой замка:

• S-профиль;
• L-профиль;
• Z-профиль.

Во всех случаях замок образует плотное соединение соседних профилей.

Для разных целей используют балки из неметаллических материалов:

• пластик;
• железобетон;
• дерево.

Тем не менее, стальные шпунты применяются наиболее часто и являются востребованными.

Установка и укрепление шпунта Ларсена

Шпунты Ларсена легко устанавливаются и скрепляются, но для монтажа потребуется помощь специальной техники. Перед началом установки нужно пригласить бригаду рабочих из троих, а лучше четырех человек, обученных навыкам проведения подобных работ.

При установке невозможно обойтись без вибропогружателя. Если вибропогружателя нет в наличии, допускается применение вибромолота. Это устройство, без которого не обходится ни одна работа по забиванию свай или укреплению забора.

Если финансовые возможности не позволяют приобрести такое полезное оборудование, можно взять его в аренду.

С помощью такого молотка шпунт погружается в землю. Благодаря резкому удару и технической силе пропадает необходимость пользования тяжелой техникой.

Шпунты устанавливаются последовательно, так, чтобы второй четко входил в паз к первому. При этом разворот нужен в радиусе 180 градусов по отношению к первой с образованием непрерывной конструкции.

Технология качественного вдавливания шпунта наиболее приемлемая техника установки. Она не наносит существенного вреда почве и близлежащим зданиям, чего не избежать с применением работы молотом.

Процесс погружения и выемки трубошпунта показан в видео ниже:

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• прочность, надежность;
• способность поддерживать грунтовые вертикальные стены, защищать их от осыпания;
• некоторые разновидности после извлечения из грунта могут быть использованы повторно;
• погружение шпунтовых элементов может производиться разными способами;
• универсальность — шпунтовые ограждения могут работать в разных условиях и отделять среды или материалы.

Недостатки:

• погружение свай в грунт представляет собой сложную инженерную задачу, решение которой требует использования строительной техники;
• создание шпунтового ограждения требует времени, использования большого количества материалов и техники;
• подобные ограждения применяют только в ходе строительных работ.

Вибропогружатель (гидромолот) для забивания шпунтовых свай

Недостатки шпунтовых ограждений обычно относят к особенностям конструкции и не считают их принципиальными. Прочность и надежность подобных сооружений с лихвой перевешивают все минусы.

Недостатки шпунтовых ограждений обычно относят к особенностям конструкции

Арочная конструкция (исполнение 180°)

	Профиль	ø, мм	t, мм	A, мм	B, мм	S, см2	h сваи, стенки, мм	W0, см3	J0, см4	Удельная масса, кг
сваи min	сави max	1 п.м. стенки min	1 п.м. стенки max	сваи	1 п.м. сваи	1 п.м. сваи	1 м2 сваи
	F 1507	720	8	742	786	114	404	814	1143	1095	1540	20648	27828	96	129
F 1707	720	9	742	786	125	404	869	1252	1170	1685	22153	29856	106	142
F 1807	720	10	742	786	136	404	928	1363	1250	1835	23719	31966	115	155
F 2007	720	11	740	784	147	404	983	1469	1325	1985	25187	34036	125	169
F 2107	720	12	740	784	158	404	1038	1572	1400	2125	26616	35967	134	182
F 1608	820	8	842	886	123	454	940	1350	1120	1605	25804	30719	107	127
F 1908	820	9	841	885	138	454	1085	1592	1290	1890	31134	37020	118	140
F 2108	820	10	841	885	151	454	1163	1737	1380	2065	33539	39879	129	153
F 2208	820	11	841	885	164	454	1235	1874	1465	2225	35678	42423	140	166
F 2408	820	12	840	884	177	454	1307	2008	1555	2380	37773	44967	151	179
F 2310	1020	9	1042	1086	167	554	1590	2396	1525	2300	56147	53987	142	137
F 2510	1020	10	1041	1085	183	554	1705	2611	1640	2510	60278	57959	156	150
F 2710	1020	11	1041	1085	199	554	1819	2822	1750	2710	64331	61856	170	163
F 2910	1020	12	1040	1084	214	554	1913	3029	1840	2910	68322	65694	184	176
F 3310	1020	14	1039	1083	246	554	2157	3434	2070	3300	76138	73209	211	203
F 2912	1220	10	1240	1284	214	654	2343	3653	1890	2945	97969	79007	183	148
F 3212	1220	11	1240	1284	233	654	2508	3953	2020	3185	104816	84529	199	161
F 3412	1220	12	1239	1283	252	654	2671	4249	2155	3425	111569	89975	216	174
F 3912	1220	14	1238	1282	289	654	2994	4830	2415	3895	124844	100680	248	201
F 4712	1220	16	1244	1301	341	667	3742	5787	3015	4665	156787	126441	290	233
F 3914	1420	12	1440	1484	290	754	3523	5670	2445	3935	169764	117891	248	172
F 4514	1420	14	1439	1483	333	754	3963	6458	2750	4485	190664	132405	286	199
F 5314	1420	16	1444	1501	391	767	4911	7706	3410	5350	237259	164763	333	230
F 5914	1420	18	1443	1500	435	767	5340	8483	3705	5890	258003	179168	370	257
F 6414	1420	20	1442	1499	478	767	5764	9244	4000	6415	278416	193344	408	283

Монтаж

Способ погружения шпунта Ларсена зависит от длины изделия и характеристик грунта. Существует 3 метода монтажа профильных свай:

• забивание;
• вибропогружение;
• вдавливание.

Шпунт вводят в грунт согласно проектному положению, следующий заглубляют перевернутым на 180° относительно предыдущего для возможности закрывания монтажного замка и так далее.

Забивание

Данный метод применяется вне городской застройки, поскольку вибрация, передаваемая на грунт, оказывает деструктивное влияние на фундаменты рядом стоящих зданий и сооружений.

Забивание осуществляется посредством специальной техники – копра. Эта машина оснащена ударным механизмом, сила воздействия которого на погружаемую сваю регулируется в зависимости от ряда факторов (параметры шпунта, грунта).

Забивка шпунта Ларсена – это самый быстрый и дешевый метод заглубления опорных стенок из стали.

Вибрационное погружение

Второй по популярности метод – вибропогружение. Этот способ применяют в случаях, когда нет возможности или необходимости произвести забивание элементов опорной стенки (в водоемах, на береговых линиях, на мягких грунтах, насыщенных водой).

Вибрацию обеспечивает механизм, издающий колебания низкой частоты. Его навешивают на экскаваторы, подъемные краны и другую технику.  

Как происходит погружение:

• шпунт крепят в вибрационному механизму посредством строп;
• наводят стойку к проектному положению;
• установка давит на сваю, издавая вибрацию, которая помогает стальному изделию погружаться в грунт.

Метод не оказывает значительного влияния на грунт, тем не менее, использование его в черте плотной застройки ограничено. Кроме того, у метода есть существенный недостаток – высокая стоимость по сравнению с забиванием.

Вдавливание

Самый дорогой и единственный метод погружения шпунта, разрешенный для использования в городской застройке – вдавливание. Процесс осуществляет специальная сваевдавливающая установка (СВУ) на гусеничном ходу. Шпунт крепится к подвижному механизму в вертикальном положении, происходит погружение профиля в грунт до заданной глубины.

Демонтаж

Когда опорная стенка приходит в негодность или потребность в ней исчезает, ее демонтируют. Извлечение шпунта Ларсена осуществляют с помощью виброустановки. Использование только крана неэффективно – силы трения в грунте значительные, ослабить их могут только короткоамплитудные колебания.

Шпунт фиксируют в виброустановке, подвешенной к крану и включают генератор вибрации, постепенно наращивают силу вытягивания.

Как правило, стоимость даже б/у шпунтовых свай превышает затраты на их демонтаж, поэтому работы неплохо окупаются. По этой причине организации, которые занимаются извлечением шпунтов, сами платят своим клиентам разницу в ценах, у последних автоматически решается вопрос реализации ненужных профилей.

Строительные нормы и правила

СП 45.13330.2017 регламентирует обустройство земляных сооружений. В соответствии с требованиями документа при обустройстве шпунтовых ограждений, а также других строительных работах, необходимо учитывать пересечения с действующими коммуникациями

Особенное внимание следует уделять линиям связи, силовым кабелям и магистральным трубопроводам

СНиП 12-04-2002 «Безопасность труда в строительстве» не требует применения каких-то конкретных методов укрепления отвесных стенок котлованов и траншей, но запрещает осуществление работ в таких выемках без дополнительного укрепления стен, если их глубина превышает:

• 1 метр, при работе на песчаной почве;
• 1,25 метра, при строительстве в супесях;
• 1,5 метра для глин и суглинков;
• не более 2 метров для плотных грунтов.

Также обустройство конструкций ограждений регламентируются с помощью ГОСТ Р 57365—2016 «Стены шпунтовые. Правила производства работ».

Плюсы и минусы

Классический паркетный пол в рамках ремонта допустимо отциклевать и отшлифовать максимум 3–4 раз. Количество возможных его реставраций сильно ограничено, каждая циклевка паркета снимает по 3–4 мм дерева с поверхности плашек. А ламинат при появлении глубоких царапин вовсе придется менять.

Шпунтованная доска для пола это деревянный массив толщиной до 50-ти мм. Ее без опаски разрешается шлифовать хоть 5–10 раз. Главное – не срезать верхний слой до шипов, что приведет к потере прочности торцевых замков.

Из недостатков доски со шпунтом следует упомянуть лишь ее более высокую цену по сравнению с обычным обрезным аналогом и свойственную всей древесине низкую водостойкость. Но если сравнивать рассматриваемый материал по стоимости с ламинатом, то первый вариант даст сильную фору второму. Ламинированный финиш за квадратный метр обойдется в 5–7 раз дороже шлифованной доски даже с учетом затрат на покраску последней. А для повышения устойчивости пола к воздействию влаги есть лаки и пропитки для дерева.

Пол из шпунтованой доски выглядит очень презентабельно

История изобретения шпунта Ларсена

Идея создания отдельного элемента для обустройства составных стальных стен пришла в голову бременскому инженеру Тригве Ларссену (Tryggve Larssen), который получил патент на корытный профиль в 1910 году.

Всего через 2 года с мощностей немецкого завода Tyssen сошла первая продукция, которая была названа в честь своего изобретателя. Через сто с небольшим лет, компания Thyssen слилась с Friedrich Krupp AG Hoesch-Krupp, и сегодня известна под брендом ThyssenKrupp AG.

Штаб-квартира ThyssenKrupp AG в городе Эссен, первой компании произведшей Шпунт Ларсена

Широкому распространению шпунта Ларсена способствовала невысокая цена изделия, которое было выгодно производить и оставлять на месте монтажа, не извлекая из грунта после завершения основных работ.

Впоследствии на основе этого изделия были разработаны другие разновидности шпунтового проката с той же сферой применения.

Устройство шпунта Ларсена

Шпунт представляет собой изделие горячего проката, полученное из стали с высоким содержанием углерода. Форма профиля в поперечном сечении напоминает корыто с краями, оснащенными замками – они позволяют закреплять изделия между собой при установке вертикальных ограждающих конструкций, например, опорных стенок.

Контроль изготовления шпунта Ларсена регламентирует ГОСТ 4781-85 «Профили стальные горячекатаные для шпунтовых свай. Технические условия». Отдельного стандарта на изделие не существует, поэтому производители ориентируются на разработанные ТУ.

В документе представлены стандартные размеры шпунтовой балки, марки используемой для производства стали, порядок проверки качества и приемки изделий и другие важные параметры.

Формула для расчета

При разрытии грунта равновесие сил во взаимодействии существенно нарушается. Давление при вынимании грунта увеличивается со стороны охлаждения стенок.

Предотвращение разрушения стенок ограждением должно быть просчитано с помощью специфических расчетных характеристик: способа ограждения, глубины, на которую погружают материал, размеров шпунта и сил взаимодействия.

Расчет производится графоаналитическим путем (пример на фото ниже) или по определенной формуле. Для подсчета используют специальную программу. Техническая информация, необходимая для правильного устройства и погружения инструмента, приведена в пункте 3.02.01-87 СНИП.

Характеристики, учитывающиеся в формуле:

1. Давление грунта под опрокидыванием.
2. Сила давления грунта по вертикали.
3. Противодействие крутящемуся элементу.
4. Выбранная глубина котлована.

Формула вычисления прочности выглядит так: М1 ≤ m/γ * M2, где

• М1 — основной момент опрокидывающей силы.
• М2 — противодействие силе опрокидывания (удерживающий момент).
• m — коэффициент условий работы (в общем порядке он равен 0,95, для слабых грунтов 0,7)
• γ — коэффициент надежности (1,1 для территории, покрытой водой).

Основные моменты прочности можно вычислить, исходя из формулы:

• М1 (опрокидывающий момент) = Еа*Са.
• М2 (удерживающий момент) = Еn*Сn.
• Еа и Еn – эпюрные равнодействующие давлений активного и пассивного типов; Са и Сn – равнодействующие плечи в отношении точки 0.

Расчет проводят, исходя из нижней точки шпунта, так как на высоте он может подвергаться повороту или опрокидыванию.

Область применения

Шпунт Ларсена используется в гражданском строительстве и при обустройстве гидротехнических сооружений разного назначения:

• укрепление котлованов фундаментов на время монтажных работ;
• защита котлованов от наполнения грунтовыми водами – соединение шпунта полностью герметично и сохраняет свои свойства несколько десятков лет;
• укрепление стен тоннелей, дорожных автострад и дорог местного значения;
• фиксация береговых линий и защита их от размывания;
• обустройство дамб, плотин, шлюзов, причалов и т.д. и их ремонт;
• строительство очистных сооружений;
• укрепление грунтов, склонных к сползанию.

Шпунты, соединяясь замками, образуют герметичную и прочную стенку, способную принимать значительные нагрузки. Изделия погружают в грунт, оставляя над уровнем земли ограждение необходимой высоты. Обустройство шпунтовых стенок значительно выгоднее монтажа бетонных и железобетонных конструкций, поэтому металлическим профилям чаще всего отдают предпочтение в случаях, когда необходимо сдержать напор воды, грунта.