Инженерные решения при реконструкции Большого театра в 2005-2011 гг. Часть II

Батов П.А., Бауков А.Ю., Гапонов В.В.,
Саркисов Я.К., Семкин В.В., Шилин А.А.

Основные мероприятия II и III этапов реконструкции здания Большого театра

При выборе технического решения по передаче нагрузки от здания Большого театра на сваи было рассмотрено несколько вариантов. Наиболее оптимальным решением по усилению фундаментов внутри здания в данных условиях было использование вдавливаемых свай из стальных труб. Это решение имело следующие преимущества:

• нагрузка от здания передавалась на нижележащие малосжимаемые грунты основания;
• уменьшалось количество свай за счет их значительной несущей способности;
• технологически гарантировалась несущая способность каждой сваи.

По наружному контуру здания были выполнены буронабивные сваи, обладающие высокой технологичностью изготовления, большой несущей способностью. Однако, их создание возможно лишь на участках наружных стен, где работы можно было вести буровыми установками типа «Bauer», «Caragrande».

Для максимально равномерной передачи нагрузки с фундаментов на сваи сооружены монолитные ленточные железобетонные ростверки, а в зоне котлована единая распределительная плита, обеспечивающая жесткость в период освоения подземного пространства.

Для исключения влияния строительства на существующее здание на участках отсутствия ограждения проектируемого котлована – «стены в грунте», а также обеспечения устройства последующих ограждающих конструкций подземной части внутри здания выполнено устройство вдавливаемых свай для шпунтового ограждения с устройством распорно-связевой системы.

Все работы внутри здания по усилению подземных несущих конструкций, цементации, устройству свай и т.п. проводились после выполнения необходимого усиления надземных конструкций зданий.

До начала устройства ростверков по периметру всех стен выполнялись железобетонные пояса в зависимости от существующих нагрузок на стены сечением 400х250 мм и 800х400 мм. Пояса, устраивались с двух сторон и соединялись с помощью анкеров.

Ростверки высотой 700 мм осуществляли участками шириной 1,0-1,6 м, армировались жесткой (двутавр) и стержневой арматурой класса А500С. Для последующего устройства вдавливаемых свай в теле ростверков предусмотрены закладные детали из трубы d325х10 мм.

Для обеспечения плотного контакта ростверка со стеной произведена инъекция цементного раствора, исключающая возможные пустоты в зоне передачи нагрузки от стены на ростверк.

Подпятой свай согласно инженерно-геологическим изысканиям залегали известняки, разрушенные до щебня и муки, с глинистым и песчаным заполнителем, очень низкой прочности, насыщенные водой.

В виду указанных физико-механических характеристик грунтов для более надежной работы вдавливаемых свай возникла необходимость производить работы по цементации грунта под нижним концом свай раствором на основе цемента.

Инъекция цементным раствором обеспечивала:

• заполнение плотным, прочным, долговечным и малодеформирующимся цементным камнем, зоны трещиноватого и раздробленного массива известняков;
• улучшение механических свойств пород: уменьшения их сжимаемости и повышения сопротивления разрушающим условиям;
• получение плотного контакта основания с фундаментом, обеспечивающего равномерную передачу нагрузок.

Инъекция раствора в известняки производится в одну зону, величина которой составляет 4,0 м.

При производстве работ по передаче нагрузки от здания на сваи было выполнено около 3 тыс. разных свай.

Вдавливаемые сваи выполнялись после устройства железобетонных ростверков в следующей последовательности:

• бурение лидерных скважин;
• устройство упорной рамы;
• установка гидравлического домкрата с усилием вдавливания до 100 - 200 тс;
• вдавливание секций при помощи домкрата до расчетного усилия;
• выстойка сваи в течение суток с последующим испытанием по ГОСТ 8655-90;
• армирование свай части арматурными каркасами;
• заполнение части свай мелкозернистым бетоном класса не ниже В20;
• устройство узла сопряжения сваи с ростверком под нагрузкой.

В процессе вдавливания в журнале работ фиксировалось давление с последующим пересчетом на усилие вдавливания по всем секциям вдавливаемой оболочки.

Устройство буронабивных свай осуществлялось в следующей последовательности:

• ручная разборка фундаментов в местах устройства свай;
• обратная засыпка пазух песком;
• бурение в инвентарной обсадной трубе шнеком d500 мм с заходом не менее 1 м ниже кровли клин;
• бурение до проектной отметки 111,00;
• зачистка забоя скважины;
• установка каркаса до отметки забоя;
• спуск бетонолитной трубы до отм. 111,50;
• подачи стабильного цементного раствора;
• заполнение скважины бетоном В30, W6до проектной отметки (выше отметки дна проектируемого котлована) с одновременным подъемом бетонолитной трубы;
• выстойка в течение 6 часов;
• заполнение затрубного пространства выше отметки бетонирования раствором;
• испытания, выстойка и заделка в растворе под давлением 200 т.

Перенос веса здания на сваи принявшие всю нагрузку на концы свай заглубленные ниже залегания плиты основания позволило избежать осадок во время откопки котлована и последующих работ по реконструкции Большого театра.

Мероприятия контроля состояния конструкций при переопирации здания

На стадии обсуждения проекта переопирания здания с временных опор на несущие стены стало очевидно, что для возможности реализации всех мероприятий необходимо получать непрерывный поток информации об изменении напряженно-деформированного состояния несущих стен сооружения. Наличие этих данных позволяет осуществлять оперативное управление технологическим процессом (с возможностью корректировки основных параметров – скорости, очередности, направления). Для этого, в кратчайшие сроки, необходимо было сформировать измерительный комплекс инструментального мониторинга, позволяющий решить данную задачу.

Анализ ситуации показал, что проведение только геодезических измерений не позволит полноценно решить поставленную задачу. В частности, оказалось, что осуществляемый на всем периоде реконструкции автоматический геодезический мониторинг перемещений внешний стен исторического здания театра (с помощью роботизированных тахеометров) не позволял реализовать себя полностью в условиях многоярусного подземного сооружения с большим числом стен и перегородок. Для проведения ручных геодезических измерений потребовалось бы задействовать несколько десятков полевых бригад,а также большую команду для непрерывной камеральной обработки результатов, что в условиях строительной площадки было выполнить сложно. При этом задержка в получении информации все равно была бы значительной.

В результате было принято решение о формировании системы распределенного контроля напряженно-деформированного состояния стен на основе датчиков различных типов, которая позволила бы охватить все основные несущие конструкции. Необходимо отметить, что разработка и реализация данного проекта должна была быть проведена в максимально сжатые сроки с учетом непрекращающегося строительного процесса.

В качестве контролируемых были выбраны следующие параметры:

• линейные деформации конструкций стен подземной части здания по высоте;
• напряженно-деформированное состояние конструкций в местах примыкания стен к перекрытиям;
• температура поверхности исследуемых конструкций, как снаружи, так и внутри.

С учетом большого количества контролируемых конструкций и различных измеряемых параметров система мониторинга была сформирована из нескольких типов измерительного оборудования.

Для определения деформаций, смещений конструкций, применялись:

• Оптоволоконные датчики деформаций (SOFO Standard Sensor, производство Smartec Швейцария), входящие в систему автоматизированного мониторинга (рис. 8), которая включала:
  • деформационные маяки (рис. 8) для проведения ручных измерений в местах примыкания перекрытий к несущим стенам с помощью портативных ручных цифровых деформометров;
  • накладные датчики тензометрии, смонтированные из двух типов пленочных тензорезисторов (рис. 9);
  • накладные струнные тензометрические датчики (рис. 10).

Рис. 8. Внешний вид оптоволоконного датчика деформаций SOFO Standart Sensor (справа) и деформационного маяка (слева)

Рис. 9. Внешний вид, установленного датчика тензометрии

Рис. 10. Тензометр ТБ-200 (слева), установленный на опытном участке

Для измерения напряженного состояния несущих стен была разработана многоканальная система тензометрического контроля с возможностью дистанционного управления (рис. 11). В систему входили закладные датчики для контроля напряжений в бетоне и арматурном каркасе. Измерения проводились в автоматическом режиме с частотой опроса, достигающей 3,4 кГц на каждый измерительный канал.

Рис. 11. Внешний вид, устройства для проведения тензоизмерений

Для измерения температуры внутри железобетонных стен применялись точечные термохроны, имеющие энергонезависимую память и возможность автоматических измерений.

Измерение температуры поверхности стен осуществлялось с помощью высокоточных бесконтактных пирометров.

Монтаж измерительных подсистем, с учетом количества устанавливаемых элементов и круглосуточных строительно-монтажных работ на объекте, представлял собой достаточно трудоемкий процесс. Одной из самых сложных задач являлась установказамоноличиваемых датчиков. Монтаж начинался до этапа заполнения технологического зазора в месте сопряжения стен с перекрытиями. Тензометры для контроля напряжений бетона устанавливались вертикально внутри арматурного каркаса. При этом необходимо было исключить наличие жесткой связи между измерительными датчиками и стержнями армокаркаса (рис. 12).

Далее в тех же местах производилась установка тензодатчиков для контроля напряжений в металле. Каждый тензорезистор наклеивался на заранее подготовленную поверхность вертикального стержня рабочей арматуры при помощи цианокрилатового клея и покрывался несколькими слоями специальной защитной мастики (рис. 13).

Выпуск соединительных кабелей от тензометров и датчиков температуры обеспечивался через верхний 50-ти миллиметровый зазор в опалубке, устанавливаемой при проведении 1-го этапа заполнения технологического зазора. В этом месте все кабельные выпуски от измерительных датчиков соединялись с многожильными коммуникационными кабелями, которые подводились к 2-м измерительным многоканальным модулям. Данные модули, устанавливались в защитном корпусе и подключались к электропитанию 220 В.

Рис. 12. Установка закладного тензометра

Рис. 13. Схема тензорезистора типа FLA

После окончания этапа уплотнения сопряжения стен с перекрытиями на поверхность стен на «-2»- «-6» уровнях при помощи металлических L-образных элементов устанавливались накладные струнные датчики деформаций.

Также на поверхности стен на различных уровнях монтировались накладные датчики тензометрии, выполненные из двух перпендикулярно направленных длиннобазныхтензорезисторов. Для этих целей поверхность бетона в месте установки зачищалась и выравнивалась, каждый тензорезистор наклеивался на поверхность при помощи специального клея с последующей защитой несколькими слоями защитной мастики. После установки тензорезисторов на каждый тензодатчик крепился защитный кожух (рис. 14). Последнее обеспечивало антивандальную защиту.

Кроме этого на поверхности стен на «-2» - «-6» уровнях в местах сопряжения стен с перекрытиями устанавливались деформационные маяки. Конструкция каждого маяка включала в себя четыре реперных диска из латуни или нержавеющей стали, прикрепляющихся непосредственно к поверхности стен с помощью прочного жесткого клея. Расстояние между двумя соседними реперами маяка составляло около 300 мм и контролировалось с помощью портативного цифрового деформометра.

Еще одним важным компонентом измерительной системы являлись оптоволоконные датчики деформаций (SOFO StandardSensor), устанавливаемые в заранее определенных местах на поверхности стен (рис. 15). Датчики имели различную измерительную базу (0,25 до 9,5 метров). Сенсорыс небольшой измерительной базой (0,25-0,5м) устанавливались в местах сопряжения стен с перекрытиями. Датчики с большой базой измерения (2 – 9,5 м) устанавливались на разных уровнях. Кабельные выводы от каждого датчика помещались в защитный металлический корпус. На каждый датчик крепился защитный металлический кожух.

Рис. 14. Проведение тензометрических измерений с помощью портативного цифрового тензометра

В отдельном помещении был оборудован центральный измерительный пункт (ЦИП), в котором установили измерительный сервер со специальным программным обеспечением и информационным дисплеем. Между измерительными модулями, установленными на объекте исследования, и ЦИП был налажен постоянный канал передачи данных.

Весь измерительный процесс был разделен на два основных этапа:

• подготовительный этап: для этого был выбран опытный участок, на котором были установлены и откалиброваны системы оптоволоконного и тензометрического мониторинга;
• основной этап измерений, осуществляемый на период резки свай и пересадки надземных конструкций здания театра на новый фундамент.

Проведенные измерения на опытном участке срезки свай подтвердили эффективность применяемой комплексной системы мониторинга. В частности, использование оптоволоконных датчиков деформаций с большой измерительной базой (7-9 метров), устанавливаемых на поверхности стен в вертикальном направлении, позволило определить суммарные деформации конструкций по всей высоте подземной части здания (рис. 16), а смонтированные на разной высоте накладные тензодатчики, оптоволоконные датчики с малой измерительной базой (0,25-0,5 м) и деформационные маяки позволили выявить распределение деформаций на всех уровнях здания.

В результате проведения измерений на опытном участке были зафиксированы незначительные неравномерные деформации контролируемых железобетонных конструкций. В частности, на участке, где все нагрузки от расположенных выше конструкций были переданы на несущие железобетонные стены (временные сваи были срезаны), были зафиксированы процессы сжатия конструкций (не превышающие предельно допустимых 5 мм), в то время, как на примыкающей к опытному участку зоне, там, где работы по срезке свай не проводились, были выявлены деформации до 5 мм растяжения конструкций. Полученный результат выявил необходимость проведения измерительных циклов одновременно на всех датчиках, вне зависимости от последовательности (графика) проведения работ по срезке свай.

Еще одним результатом выполнения работ на опытном участке стало определение оптимальной периодичности измерений. Для этого замеры на закладных тензодатчиках, установленных в конструкциях несущих стен в местах их примыкания к перекрытию -3 уровня, проводились с большой частотой (до 30 секунд). В результате было установлено, что изменения нагрузок, оказываемых на исследуемые ж/б конструкции в процессе переопирания здания с временных опор на несущие стены, носили скачкообразный (ступенчатый), характер, определяемый процессом срезки свай (передача основных нагрузок от вышележащих конструкций со свай на несущие конструкции происходила в короткий промежуток времени).

Рис. 15. Внешний вид оптоволоконного датчика деформаций SOFO Standart Sensor (активная длина датчика 7м)

Рис. 16. Проведение измерений деформаций с помощью системы SOFO Smartec

Однако величина данных единичных скачков была незначительна, а общий тренд изменения нагрузок имел плавный характер и мог быть выявлен при проведении измерений не чаще, чем два раза в сутки.

Также было установлено, что результаты инструментального мониторинга конструкций подземной части хорошо коррелировались с данными геодезического мониторинга наземной части здания, выполняемого фирмой СК Креал.

Перед началом основного цикла измерений для контролируемых конструкций были установлены предельно-допустимые значения суммарных деформаций, деформаций на отдельном уровне, а также скоростей их развития. Данные значения были определены на основе результатов компьютерного моделирования.

Измерения в процессе срезки временных свай проводились на протяжении более 2-х месяцев (с августа по октябрь 2009г.). При измерении накладными датчиками тензометрии, оптоволоконными датчиками деформаций, накладными струнными датчиками тензометрии, деформационными маяками выполнялось по 2 измерительных цикла в сутки при контроле изменения температуры. Всего одновременно контролировалось более 350 различных измерительных датчиков (рис. 17).

Ежесуточно формировались информационные справки, содержащие оперативную информацию по результатам измерений, а также основные выводы и рекомендации по дальнейшему ведению работ.

При возникновении отдельных локальных деформаций (превышающих общий тренд развития процессов в контролируемых конструкциях) незамедлительно информировались все заинтересованные лица.

Среди основных результатов мониторинга можно выделить следующие:

• разработанные мероприятия по контролю и программа работ позволили обеспечить передачу нагрузок на несущие железобетонные стены подземной части здания постепенно без резких скачков. Скорость деформаций не превысила предельно допустимых 2 мм/сут;
• деформации в пределах одного уровня также не превысили предельно допустимых;
• были зафиксированы неравномерные деформации, носящие локальный характер (рис. 18). В частности,при срезке свай на -5 и -6 уровнях на отдельном участке (размером 10х20 метров), возникли процессы неравномерного распределения нагрузок на стены. Вдоль одной оси стала формироваться зона концентраций сжимающих деформаций, при этом на участке стены, расположенной вдоль соседней оси, были выявлены процессы, направленные на растяжение контролируемых конструкций. Выполненная корректировка процесса резки свай (в частности, снижение скорости), позволила не допустить дальнейшего развития данных процессов;
• на момент завершения работ по мониторингу практически на всех контролируемых датчиках зафиксировано значительное снижение скорости нарастания деформаций и их стабилизация.

По результатам выполненного комплекса работ можно сделать вывод о том, что организованная на объекте система инструментального мониторинга основных параметров конструкций стала одним из ключевых элементов технологического процесса по передаче нагрузок с временных опор на несущие стены. Это, в свою очередь, позволило осуществить переопирание в срок и в полностью безаварийном режиме, без возникновения в конструкциях деструктивных процессов, снижающих устойчивость сооружения.

Сегодня можно с уверенностью заявить, что работы были выполнены на высоком уровне. На это также указывает отсутствие деформаций и сопутствующих им дефектов в конструкциях здания после 15 лет эксплуатации.

Рис. 17. Схема расположения измерительного оборудования (на примере -3 уровня)

Рис. 18. Результаты мониторинга состояния несущих стен подземной части ГАБТ России в процессе переопирания здания с временных свай на основные железобетонные стены. Распределение относительных деформаций железобетонных конструкций по состоянию на 11.10.09

Работы по компенсационному нагнетанию технологического зазора при пересадке здания

Работы по заполнению технологического зазора высотой 150-350 мм специальными составами между основной стеной - 3 уровня и перекрытием - 2 уровня представляли собой следующий этап (III) – переопирания здания театра с временных свайных опор на железобетонные стены подземной части здания.

До начала выполнения работ по срезке свай в зонах, определенных проектом, было необходимо выполнить работы по ликвидации технологического зазора переменной высоты. Только после его заполнения инъекционными растворами было возможно осуществить переопирание всех надземных конструкций на железобетонные конструкции подземной части.

Инъекционные работы производились между основной стеной 3 уровня и перекрытием 2 уровня. При производстве работ учитывались возможные деформации конструкций и инъекционного раствора. Технология переопирания предусматривала срезку временных свай только при непрерывном контроле деформационных показателей всех строительных конструкций.

Для этих целей производился общий геодезический и инструментальный контроль. Работы по инъектированию зазора способствовали созданию компенсационного узла, обеспечивающего снижение по минимуму возможных деформаций здания.

Работы по заполнению зазоров выполнялись в два этапа:

Первый этап заполнения основной части зоны высотой 150-250 мм выполнялся цементным раствором с применением сухой смеси БИРСС 59 С-1, армированной фиброволокном, которая обладала минимальной усадкой и предназначалась для конструкционного ремонта бетона и железобетона. Предел прочности на сжатие на 28 сутки составлял не менее 60 МПа. 

Стыковое соединение ограждалось съемной опалубкой, которая не доходила на 50 мм до плиты перекрытия. Через отверстия диаметром 32 мм, выполненные в нижней части опалубки с шагом 1 м, приготовленный инъекционный состав нагнетался через пакер с применением установки СО-169 до его появления из зазора между опалубкой и нижней поверхностью плиты (рис. 19). После набора не менее 50% прочности составом, съемная опалубка демонтировалась.

Рис. 19.

Второй этап заполнения части цементируемой зоны высотой 50-70 мм выполнялся цементным раствором с применением сухой смеси Thorograut GP, представляющей собой высокопрочный безусадочный состав на основе цемента литой консистенции с хорошей тиксотропией и пределом прочности на сжатие на 28 сутки не менее 72 МПа.Перед нагнетанием раствора Thorograut GP зазор 50-70 мм вручную заполняли безусадочным ремонтным составом Structurite-300 на глубину 50 мм между низом плиты и затвердевшим составом БИРСС 59 С-1 первого этапа инъектирования. 

При чеканке в шов раствором закладывались воздухоотводящие трубы ∅32, длиной 200 мм и шагом 1 м вдоль перекрытия. Далее, с шагом 1 м выполнялись наклонные (под углом 300-450) отверстия ∅=32 мм для установки пакеров, через которые производилось нагнетание состава Thorograut GP. Нагнетание производилось пока инъекционный состав не появлялся из верхних воздухоотводящих трубок. В дальнейшем воздухоотводящая трубка закрывалась, и происходило дальнейшее нагнетание состава до появления его в последующей воздухоотводящей трубке. Давление нагнетания до 0,2 МПа контролировалось по манометру на инъекционной установке (рис. 20).

Рис. 20

После полного набора прочности составом БИРСС 59 С-1 и Thorograut GP производилась срезка свай в габаритах подземной части по специальной программе (рис. 21), что обеспечивало постепенное контролируемое переопирание надземных частей здания на подземные.

В связи с тем, что проектными решениями по освоению подземной части предусматривалось ведение работ по технологии «сверху-вниз» (up-down») с бетонированием дисков перекрытий, бетонирование несущих стен осуществлялось от фундаментной плиты до распределительной плиты поэтапно снизу-вверх через технологические проемы в дисках перекрытия.

Для обеспечения плотного контакта стен с диском перекрытия и исключения возможных осадок здания были выполнены работы по контрольной инъекции безусадочным раствором контакта верхней части основных стен с низом перекрытия -4, -5, -6 уровня с целью заполнения усадочного шва. Для этого стыки стен с низом перекрытия расшивались, а затем герметизировались безусадочным ремонтным составом Structurite-300. После этого, с шагом 500 мм выполнялись наклонные (под углом 30-45о) отверстия (Æ=18 мм) для установки инъекционных пакеров. Нагнетание составов через инъекционные пакеры производились установкой с давлением до 0,1 МПа. Заполнение зазора до 1,2 мм выполнялось высокопрочным составом на эпоксидной основе EPICOL INJ, заполнение зазора от 1,2 мм до 5,0 мм выполнялось специальным цементным составом для инъектирования OmnitekInject.

Рис. 21

В заключении хочется отметить, что проект реставрации и реконструкции исторического здания Большого театра собрал команду уникальных специалистов, которая и обеспечила, в том числе, успешную пересадку здания на новый фундамент.

Саркисов Я.К., руководитель ФГУ «Дирекция по строительству, реконструкции и реставрации»
Ильичев В.А., д.т.н, научный руководитель АНО АНТЦ РААСН
Канчели Н.В., д.т.н. технический директор, главный конструктор ЗАО «КУРОРТПРОЕКТ»
Батов П.А., к.ф.м-н., начальник отдела строительных конструкций ЗАО «КУРОРТПРОЕКТ»
Сёмкин В.В., к.т.н., генеральный директор ООО фирма «БАЛТИЙ»
Кутовой А.Ф., к.т.н., главный инженер проекта ООО «Подземпроект»
Шилин А. А., д.т.н., генеральный директор ЗАО «Триада-Холдинг»
Гапонов В.В., к.т.н., гл. инженер ЗАО «Триада-Холдинг»
Бауков А.Ю., к.т.н., рук.департамента мониторинга ЗАО «Триада-Холдинг»

Их работу смогли по достоинству оценить, как зрители, так и работники театра – режиссеры, артисты и работники постановочной части.