pl en de bg ro

 
SPRZEDAŻ | WYNAJEM |
DORADZTWO | REMONTY
Szybki kontakt: 0048 509 393 552
0048 509 393 556
 

BEZPIECZEŃSTWO         

 

WAS 

 

PROJEKTUJEMY DLA 

Rodzaje zabezpieczeń ścian wykopów

Dr inż. Marek Kopras
Wydział Inżynierii Środowiska i Gospodarki Przestrzennej

W literaturze technicznej spotyka się wiele przykładów podziałów rodzajów obudów wykopów. Jednym z pełniejszych jest zestawienie przedstawione przez Siemińską-Lewandowską (2016), które zostało rozszerzone o systemowe obudowy wykopów.
Wśród zabezpieczeń ścian wykopów spotyka się:
1) ściany szczelinowe,
2) obudowy berlińskie,
3) ścianki szczelne z grodzic stalowych,
4) palisady z pali (np. CFA lub mikropali),
5) ściany z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej,
6) ściany gwoździowane,
7) technologie mieszane,
8) obudowy systemowe.
Poniżej pokrótce omówiono poszczególne rozwiązania.

Ściana szczelinowa to ściana z betonu lub z żelbetu, formowana w szczelinie wykonanej w gruncie. Beton jest układany przez rurę wlewową pod osłoną zawiesiny bentonitowej rozpierającej ściany szczeliny. Ściana szczelinowa jest obudową wykopu, która po wybudowaniu obiektu najczęściej jest jego częścią (podziemne garaże, piwnice, ściany stacji metra). W budownictwie ogólnym najczęściej wykonuje się takie ściany do głębokości 12-18 m, w budownictwie komunikacyjnym do głębokości 22-25 m, choć istnieje możliwość wykonania ich do głębokości około 60 m.

01

Rys. 1. Zabezpieczenie wykopu w technologii ściany szczelinowej

Obudowa berlińska to ściana oporowa służąca do zabezpieczania wykopów tymczasowych składająca się z pionowych elementów najczęściej stalowych profili dwuteowych pogrążanych w gruncie, co kilka metrów a następnie przestrzeń pomiędzy nimi jest wypełniana opinką z drewna, stali lub płytami z betonu. Obudowa berlińska jest konstrukcją stosunkowo wiotką i dlatego istnieją ograniczenia, co do jej stosowania. W przypadku wykopów o głębokości powyżej 4 m wymaga rozpierania na wielu poziomach. Częścią ścianki berlińskiej są też kotwy, oczepy, rozpory i podpory.

Obudowa berlińska wykorzystuje zjawisko łukowego sklepienia gruntu, co pozwala stosować opinki o mniejszej wytrzymałości. Niewątpliwą zaletą tej konstrukcji jest możliwość zabezpieczania długich, głębokich, jednostronnych wykopów też z założeniem pozostawienia jej w gruncie po wybudowaniu obiektu. Znana od lat (powstała w latach 20 tych XX wieku przy budowie metra w Berlinie, stąd nazwa), jest łatwa do projektowania ze względu na dużą ilość dostępnych tanich programów obliczeniowych.

02Rys. 2. Zjawisko łukowego sklepienia gruntu wg „Trenching and shoring manual” California Department of Transportation 2011

 

03
Rys. 3. Zabezpieczenie wykopu w technice ściany berlińskiej z rozporą narożną

Ścianka szczelna z grodzic stalowych jest tobardzo popularna obudowa wykopów tymczasowych. Najczęściej stosowana jest w miejscach, gdzie występuje wysoki poziom wody gruntowej a grunty są przepuszczalne z tendencją do tworzenia się zjawiska kurzawki. Ten rodzaj obudowy skutecznie odcina napływ wody gruntowej do wykopu pod warunkiem zabicia profili aż w podłoże nieprzepuszczalne wraz z uszczelnieniem styków. Metoda ta zwyczajowo jest droższa, gdyż wymaga mobilizacji specjalistycznego sprzętu. Czasami jej użycie jest niemożliwe ze względu na trudności z pogrążaniem brusów oraz ze względu na drgania podczas zabijania. Prosta w projektowaniu, dobrze znana od lat i szeroko stosowana zarówno, jako obudowa tymczasowa jak i obudowa trwała np. przy budowie nabrzeża portowego. Często też traktowana jest, jako zabezpieczenie w formie traconej, szczególnie, jeżeli jest kotwiona oraz gdy działka, na której realizowana jest budowa charakteryzuje się brakiem miejsca wokół wykopu do ustawiania ciężkiego sprzętu niezbędnego do wyciągania grodzic. W niektórych przypadkach usuwanie grodzic może powodować rozluźnienie i osiadanie gruntu wokół wykopu i dla bezpieczeństwa obiektów zlokalizowanych w pobliżu pozostawia się ją w całości lub w części, czyli jest to tzw. obudowa „tracona”.

Statycznie ścianka z grodzic pracuje, jako ściana utwierdzona w gruncie lub utwierdzona i rozparta, podparta oraz kotwiona. Najbardziej znanym profilem stosowanym w Polsce jest profil Larssena z zamkami, które po uszczelnieniu przeciwdziałają napływowi wody. Stosowane są też profile U lub Z, grodzice skrzynkowe z profili dwuteowych o przekroju H, grodzice płaskie lub rurowe.

04
Rys. 4. Zabezpieczenie głębokiego wykopu przy wykorzystaniu rozpartej ścianki z grodzic stalowych (profile Larssena)

Palisady z pali wierconych (np. CFA lub mikropali) wykonuje się do głębokości 20 m najczęściej o średnicy 0,6 i 0,8 m.Zalety tego typu obudowy wykopu to:
- niski koszt wykonania obudowy wykopu,
- stosunkowo duża sztywność obudowy,
- brak drgań podczas wykonywania pali,
- w przypadku pali formowanych świdrem ciągłym zapobiega się rozluźnianiu gruntu,
- możliwość stosowania w różnych warunkach geotechnicznych.
Wadą palisady może być brak szczelności oraz wysoki koszt dodatkowych prac w przypadku wykorzystania jej, jako obudowy stałej związany z wykończeniem powierzchni ściany.

05
Rys. 5. Zabezpieczenie wykopu przy wykorzystaniu techniki palisady żelbetowej

Ściany z kolumn wykonanych metodą iniekcji strumieniowej spośród wymienionych tu metod stanowią najmłodszą metodę budowy ściany oporowej. Polega ona na upłynnieniu gruntu strumieniem cieczy o ciśnieniu 30-70 MPa i mieszaniu tego gruntu z zaczynem cementowym. W zależności od sposobu upłynnienia rozróżnia się iniekcję pojedynczą (wodą), podwójną (wodą i powietrzem) i potrójną (wodą, powietrzem i zaczynem cementowym). Ściany te są stosowane, jako wspornikowe, lecz często stosuje się rozpory lub kotwy montowane na oczepach. Pale mogą być zbrojone np. dwuteownikami stalowymi. Średnica kolumn waha się zwyczajowo od 60 do 70 cm.

06
Rys. 6. Ściana z kolumn wykonanych w technice iniekcji strumieniowej (źródło: www.tolos.pl)

Kolejną z technik zabezpieczenia ścian wykopów są ściany gwoździowane. Gwoździowanie ściany wykopu polega na zbrojeniu gruntu gwoździami gruntowymi o długości od 4 do 8 m, zwanymi inaczej kotwami biernymi. Wadą tego typu konstrukcji jest nieusuwalność gwoździ po wykonaniu ściany, co może utrudniać roboty budowlane na sąsiedniej parceli. Zabezpieczenie stateczności takiej ściany oporowej traktuje się, jako trwałe. Nie jest to tymczasowa obudowa wykopu.

07
Rys. 7. Zabezpieczenie zbocza gwoździami gruntowymi, (źródło: www.cforcivil.com)

Technologie mieszane to nic innego jak połączenie dwóch lub więcej metod zabezpieczenia wykopu np.: ścinana szczelinowa i ścianka berlińska lub obudowa berlińska i mikropale. Poniżej na rysunku nr 8 pokazano przykłady połączenia obudowy berlińskiej i odbudowy systemowej.

08

Rys. 8. Obudowa wykopów w technologii mieszanej z wykorzystaniem elementów obudowy systemowej oraz ścianki berlińskiej

Systemowe obudowy wykopów
Z omówionych możliwych rodzajów obudów wykopów wynika, że niektóre z nich należy traktować, jako obudowy, które na stałe pozostaną w gruncie. Do takich obudów należy zaliczyć ściany szczelinowe, palisady z pali lub mikropali, ściany gwoździowane a niekiedy ściany wykonane z grodzic stalowych. Zdecydowaną przewagę nad omówionymi typami obudów ścian wykopów mają obudowy systemowe, wielokrotnego użycia, np. analizowana w niniejszej pracy doktorskiej obudowa typu KOPRAS.

09
Rys. 9. Przykład możliwośći zastosowania obudów systemowych, jako rozwiązanie alternatywne dla ścian z grodzic stalowych/palisady

Przy wykorzystaniu obudów systemowych można zabezpieczać ściany wykopów liniowych oraz ściany dla komór o różnych wielkościach. Są proste i bezpieczne w użyciu i co najważniejsze montaż jest szybki, a po zakończeniu prac obudowa jest w całości odzyskiwana i nadaje się do kolejnego użycia.

10
Rys. 10. Obudowa systemowa wykopu punktowego

Systemowe obudowy wykopów omówiono na przykładzie rozwiązań stosowanych przez firmę Kopras.

11
Rys. 11. Obudowa wykopu w systemie OWS7 firmy Kopras

Systemowe obudowy wykopów tymczasowych to konstrukcje wytwarzane w fabrykach składają się z gotowych elementów, które są montowane na budowie przed lub w trakcie zabezpieczania ścian wykopów. Nadrzędnym celem stosowania tych zabezpieczeń jest podtrzymywanie pionowych ścian wykopów tymczasowych na czas montażu, budowy, przebudowy instalacji podziemnych, fundamentów lub zbiorników. Obudowy do wykopów tymczasowych przeznaczone są do ochrony pracowników przebywających w wykopie oraz przyległych do wykopu budowli, budynków, pojazdów oraz przebywających w sąsiedztwie ludzi.

Historia rozwoju tych konstrukcji związana jest z możliwościami montażu i demontażu elementów obudowy przez koparki hydrauliczne. Ciężkie elementy obudowy niejednokrotnie o ciężarze kilku ton sprawnie i szybko umieszczane są w wykopie. W przeszłości, gdy wykopy wykonywano ręcznie nie było możliwości montażu ciężkich obudów, ściany wykopu zabezpieczane były balami drewnianymi. W późniejszych latach, gdy do głębienia wykorzystywano koparki linowe ze względu na specyfikę ich konstrukcji, małą precyzję i brak technologicznej możliwości wciskania obudów w wykop, rozwój obudów systemowych był ograniczony. W tamtym okresie do zabezpieczania wykopów tymczasowych stosowano ścianki szczelne z brusów oraz ścianki berlińskie.

Zabezpieczania wykopów przy wykorzystaniu obudów systemowych charakteryzują się dużą uniwersalnością oraz powtarzalnością czynności, co stanowi niewątpliwie ich dużą zaletę. Rodzaj zastosowanej obudowy, jej montaż i demontaż zależy od niniejszych kwestii:
1) typu obudowy,
2) warunków terenowych,
3) projektu konstrukcji fundamentów lub rurociągów,
4) lokalizacji, a co za tym idzie konieczności zabezpieczania pobliskich obiektów,
5) możliwości sprzętowych,
6) ilości i lokalizacji potencjalnych podziemnych kolizji.
Elementy obudowy najczęściej montowane są w wykopie za pomocą koparek, czasami przy pomocy dźwigu lub w ostateczności ręcznie (w przypadku obudów aluminiowych, charakteryzujących się niskim ciężarem).

Rozróżnia się dwie technologie montażu: „tnij i opuszczaj” oraz poprzez ustawienie w wcześniej wykonanym wykopie. Pierwsza technologia zapewnia bezpieczeństwo pracowników znajdujących się w wykopie oraz gwarantuje stateczność gruntu wokół wykopu w zasięgu klina odłamu. Zabezpiecza przed osunięciem lub upadkiem zlokalizowanych w pobliżu budynków, uszkodzeniem urządzeń, dróg, linii kolejowych oraz instalacji sąsiadujących z wykonywanym wykopem. Przebieg jej w sześciu krokach przedstawiony został na rysunku nr 12.

12
Rys. 12. Sposób montażu obudowy w technologii „tnij i opuszczaj”

Druga technologia polega na ustawieniu obudowy w uprzednio wykonanym wykopie. Zabezpiecza ona ludzi prowadzących prace w wykopie, nie zapewniając jednak stateczności gruntu poza nim. Jest szybka i tania, umożliwiając przeciąganie gotowego kompletnego elementu wzdłuż wykopu (rys. 13).

13
Rys. 13. Technologia zabezpieczenia ścian w uprzednio wykonanym wykopie

Tymczasowe systemowe obudowy wykopów oprócz sposobu montażu dzieli się również ze względu na:
1) materiał, z którego są wykonane,
2) rodzaj współpracy pomiędzy poszczególnymi częściami,
3) sposób podparcia, rozparcia,
4) przemieszczenie ściany kompletu obudowy,
5) rodzaje rozpór,
6) rodzaje płyt wypełniających przestrzeń pomiędzy prowadnicami czy rozporami.

Najczęściej obecnie wykorzystywanym materiałem do produkcji obudów systemowych jest stal. Wykorzystywana jest we wszystkich typach konstrukcji ze względu na jej liczne zalety takie jak: wytrzymałość, cena, łatwość spawania gotowych blach i profili, łatwość naprawy, trwałość i odporność na uderzenia. Do produkcji elementów płytowych używane jest również drewno, tworzywo sztuczne oraz aluminium. Aluminium jest z tych trzech powyższych materiałów używane najczęściej ze względu na jego liczne zalety: nierdzewność, wytrzymałość i mały ciężar. Częściowo do produkcji rozpór używane jest żeliwo a nawet guma wykorzystywana do produkcji odbojników ograniczających odchylanie się rozpór.

14
Rys. 14. Odbój gumowy obudowy systemowej

Podział pod względem współpracy pomiędzy poszczególnymi elementami ma znaczenie, gdyż determinuje obliczeniowy układ statyczny a w konsekwencji sposób montażu. Konstrukcje elementu podstawowego typu boks montowane są przed umieszczeniem w wykopie za pomocą od 2 do 5 rozpór. Element nadstawkowy montowany jest za pomocą od 2 do 4 rozpór. Następnie nakładany jest na element podstawowy umieszczony już w wykopie i łączony przy wykorzystaniu łączników.

15
Rys. 15. Obudowa systemowa typu boks wraz z nadstawką firmy Kopras

Konstrukcje słupowo-płytowe składają się z szyn prowadzących - słupów (1), rozpór (3), wózka rolkowego (4), sworzni blokujących (5) oraz płyt (2) (rys. 16).

16
Rys. 16. Obudowa słupowo-płytowa


Wypełnienie przestrzeni pomiędzy szynami prowadzącymi wraz z zamontowanymi na stałe lub przesuwnymi rozporami może stanowić monolityczna płyta przedstawiona w obudowie powyżej lub ściana segmentowa z brusów pionowych o różnym profilu.

17
Rys. 17. Ściana segmentowa wypełniona przy wykorzystaniu profili systemowych
(brusów). Elementy składowe: 1 – belka dolna, 2 – belka górna prowadząca,
3 - brus stalowy Kopras, 4 – cięgno, 5- zaczep cięgna, 6- ucho montażowe

Konstrukcje do zabezpieczeń wykopów punktowych oparte są na elementach znanych z konstrukcji słupowych, lecz ze względu na odmienny układ statyczny i inny rodzaj przemieszczeń konstrukcji należy je traktować oddzielnie. W przypadku zastosowania słupów narożnikowych sięgających dna wykopu prowadzi to do analizy przemieszczenia ściany oporowej, które są ograniczone tylko do ugięcia płyt pomiędzy słupami.

18
Rys. 18. Komora punktowa złożona ze słupów narożnikowych i układu płyt płetwowych


W przypadku konstrukcji złożonych, demontaż rozpór i zastosowanie rozpory dennej – traconej przy dnie wykopu oraz belki poziomej stanowiącej podporę górną części słupów wpływa na lepszą redystrybucję momentów zginających w słupie oraz zmniejszenie ugięcia. Tym samym możliwe jest wyeliminowanie rozpory poprzecznej z układu i w konsekwencji uzyskanie dużej kubatury przestrzeni do prowadzenia prac montażowych.

19
Rys. 19. Konstrukcja słupowo-płytowa z belką poziomą oraz rozporą dolną

W zależności od schematu statycznego rozróżnia się konstrukcje:
a) rozpierane przy wykorzystaniu rozpór bezpośrednio umieszczonych w płytach na różnych wysokościach i w środku lub na krawędziach płyt. Płyta taka jest zginana w dwóch kierunkach a jej konstrukcja wymaga wzmocnień w miejscach podparcia tj. umocowania rozpór (rys. 20),
b) płyty są mocowane w szynach prowadzących i pracują głównie jednokierunkowo, są podparte na dwóch przeciwległych krawędziach.

20
Rys. 20. Konstrukcja rozpierana (płyta zginana w dwóch kierunkach)

Z uwagi na podparcia szyn prowadzących rozróżnia się: układy podparte za pomocą rozpór umieszczonych na różnych wysokościach oraz podparte na całej długości poprzez prostopadłe płyty umieszczone w słupach narożnikowych.

21Rys. 21. a) Układ podparty na całej długości, b) układ podparty przy wykorzystaniu rozpór


Powyżej opisane schematy podparcia mają wpływ na przemieszczenie ściany oporowej a tym samym na wielkość i rozkład przewidywanego parcia gruntu określanego według różnych metod i wzorów.

22Rys. 22. Obudowa słupowo-płytowa wraz z wykresem parcia wywołanego naporem gruntu i rozkładem sił wypadkowych przypadających
na poszczególne płyty wg Rankine’a

Obudowy ze względu na typ rozpór dzieli się na trwale zamocowane w konstrukcji płyt lub tymczasowo w szynach prowadzących, z których wyróżnia się rozpory przesuwne ślizgowe lub rolkowe.

23
Rys. 23. Rozpora rolkowa


W zależności od sposobu regulacji rozpory dzieli się na stałe i o zmiennej regulacji za pomocą śruby, cylindra hydraulicznego lub dodatkowych wstawek. Ze względu na pracę i układ statyczny rozróżnia się rozpory pracujące osiowo i przenoszące tylko siły ściskające oraz na rozpory przenoszące zarówno siły ściskające, rozciągające oraz momenty zginające. Osobny typ stanowią rozpory hydrauliczne, które przenoszą siły ściskające. Obecnie stosowane są w obudowach aluminiowych.

24
Rys. 24. Elementy łączące płyty – rozpory: a) rozpora regulowana płynnie, b) rozpora stała

W obudowach systemowych stosuje się płyty o różnych konstrukcjach różniących się przede wszystkim użebrowaniami oraz dodatkowymi elementami takimi jak nóż tnący czy wzmocnieniem górnym służącym do transportu.

25
Rys.25. Zestawienie najczęściej stosowanych przekroi poprzecznych płyt


Osobnymi konstrukcjami są ściany segmentowe, które przypominają ścianki z brusów, lecz niezagłębione w gruncie poniżej dna wykopu. Praca tego typu konstrukcji i układ statyczny jest odmienny w stosunku do płyt monolitycznych. Są one jednak nieodłącznym elementem obudów systemowych. Używane szczególnie w miejscach, gdzie przekracza się kolizje lub wyprowadza się rurociągi z komory metodą technologii bezwykopowych.

Zgodnie z obowiązującą normą PN-EN 13331 część 1 „Obudowy ścian wykopów-opisy techniczne wyrobów” oraz część 2 „Systemy obudów do wykopów – ocena na podstawie obliczeń lub badań” rozróżnia się trzy główne elementy konstrukcyjne, które podlegają obliczeniom: rozpora, słup/szyna ślizgowa oraz płyta.

Rozpory rozkręcane wymagają sprawdzenia wytrzymałości w laboratorium certyfikowanym. Liczone są one na ściskanie, wyboczenie, zwichrzenie i ich wytrzymałość podawana jest w [kN]. W zależności od typu rozpory podczas ich projektowania obowiązują szczegółowe normy dotyczące połączeń gwintowanych, śrubowych, spawanych lub jak w przypadku rozpór hydraulicznych zasady i normy projektowania tego typu urządzeń.

Słup liczony jest na zginanie i należy podać jego wytrzymałość w [kNm]. Wytrzymałość płyt podawana jest w [kPa], i jest liczona na dwukierunkowe zginanie.

LITERATURA
[1] California Department of Transportation (2011): Trenching and shoring manual
[2] Jarominiak A. (1999): Lekkie konstrukcje oporowe. WKiŁ, Warszawa.
[3] Siemińska-Lewandowska A. (2016): Głębokie wykopy – projektowanie i wykonawstwo, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Wydanie 1, Polska – Warszawa.
[4] Kopras M. (2021): Weryfikacja metod projektowania i obliczeń konstrukcji płyt obudowy wykopów tymczasowych, uniwersytet przyrodniczy w Poznaniu
[5] Katalog produktów firmy Kopras(2022), Katalog - pobierz