ТЕХНОЛОГИЯ СКОРОСТНОГО СООРУЖЕНИЯ СВАЙ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА ОПОР МОСТОВОГО ПЕРЕХОДА ЧЕРЕЗ КЕРЧЕНСКИЙ ПРОЛИВ

Мостовой переход через Керченский пролив включен в транспортную стратегию развития РФ до 2030 г.

Сооружение совмещённого автомобильного и железнодорожного моста через Керченский пролив имеет большое экономическое и политическое значение. В настоящее время прорабатывается вариант совмещенной транспортной автомобильной и железнодорожной магистрали Крым-Тамань в виде современной дамбы-плотины в бетоне с мостом посредине пролива. Намечается выполнить мост в виде арочной конструкции пролетом 500 м и высотой над проливом около 45 м с опорами краев арки на бетонное тело западной и восточной дамб-плотин. Проект моста аналогичен мосту, построенному в г. Шанхае (КНР), где он имеет длину 550 м, но значительно меньше по ширине и расчетным нагрузкам на основание.

На участке мостового перехода створ пересекает долину пра-Дона и характеризуется сложным геологическим строением. Основание из современных морских отложений мощностью 65—75 м залегает на коренных породах, представленных мощной толщей морских глин. Верхняя осадочная толща современных грунтов представлена преимущественно илами, суглинками, глинами, рыхлыми песчаными образованиями с низкими несущими свойствами. Наличие таких грунтов вынуждает применять в качестве опор мостового перехода свайные поля с глубиной свай до 75—80 м. Учитывая требования строительных нормативов, диаметр свай с упором в коренные морские породы должен составлять не менее 3 м (L/D≤25-отношение длины сваи к диаметру). В Российской Федерации буровые агрегаты или буровые платформы для сооружения таких стволов в настоящее время не изготавливаются.

К неблагоприятным природным условиям участка строительства следует отнести также сложную тектонику (наличие крупных геологических разломов), местами захороненных оползней, грязевый вулканизм, повышенную сейсмичность (до 9 баллов), штормовую активность и движение ледовых полей в половодье. Предыдущий деревянный мост, простроенный в 1944 г., был разрушен ледовыми нагрузками.

Сооружение стволов большого диаметра может осуществляться с использованием кессона и буровыми способами:

1.  Ударно-канатным способом путем погружения обсадных труб с последующей выборкой материла желонками, грейферами.

2.  Роторным способом с прямой промывкой забоя.

3.  Роторным способом с обратной промывкой водой или различными растворами (в основном, глинистыми).

Кессонный способ из-за большой длины свай не рассматривается.

Как показывают данные по сооружению буронабивных свай в различных природных условиях, применение ударно-канатного способа неэффективно из-за низких скоростей проходки, которые резко уменьшаются при возрастании диаметров и глубины проходки. Так, при глубине бурения 30 м в песчаных отложениях диаметром 0,6 м в одну смену время проходки одного ствола составляет 30 дней, 0,82 м — 40 дней.

Роторный способ проходки прямой промывкой оказывается неэффективным из-за малых значений расходов высоконапорных, но малых по производительности грязевых насосов.

Роторный способ бурения с обратной промывкой чистой водой или различными растворами (преимущественно глинистыми) с применением эрлифта или центробежных насосов обеспечивает эффективное удаление разбуренной (разрыхленной) породы в буровых трубах диаметром 114—529 мм со скоростью 1,5—2,5 м/с. Бурение ведется без крепления ствола обсадными трубами. Если принять, что концентрация твердых частиц в пульпе при бурении с обратной промывкой составляет 10 %, диаметр буровых труб 529 мм, то механическая скорость проходки 1 п.м ствола диаметром 3 м составит 1,5 мин. При диаметре буровых труб 300 мм механическая скорость проходки 1 п.м ствола составит уже порядка 10 мин. В условиях применения быстросъемных соединений, позволяющих осуществлять проходку скоростным методом (патент на изобретение РФ № 2114977), время проходки одного ствола глубиной 70 м может составить чуть больше одной смены, а время на сооружение одной сваи, включая разбурку возможной области буровой пяты с расширением низа до 4—5 м, около 2 смен.

Для применения этого скоростного метода проходки стволов большого диаметра необходимо соблюдать ряд условий:

a)  Необходимо создать в стволе избыточное давление жидкости над существующим уровнем воды более 3 м. В этом случае стенки ствола будут удерживаться от обрушения силами гидростатического напора и фильтрационного давления. Выполненные расчеты устойчивости стенок ствола по методу Березанцева В.Г. показывают, что для этого достаточно избыточное давление в 3 м водяного столба даже в илистых грунтах.

b)  Необходимо обеспечить крепление верхней части ствола на высоту 5—10 м обсадными трубами, по которым вода будет подаваться к забою и где возможно оплывание грунта за счет колебания уровней при проходке.

c)   Необходимо обеспечить подачу воды в обсадную трубу в количестве, достаточном для бурения и фильтрацию в ствол в течение всего периода сооружения сваи.

Мировой опыт сооружения скважин методом обратной промывки показывает, что для успешного сооружения стволов необходим отстойник, объем, которого должен превышать объем ствола в 2—2,5 раза. При диаметре бурения в среднем 3,2 м этот объем составит порядка 560 м³. Следовательно, необходим отстойник размера примерно 10х20х2,8 м.

Практика показывает, что этот объем может быть значительно уменьшен за счет выборки грунта экскаваторами и сброса его в отвал в процессе бурения. С использованием одного отстойника можно осуществить сооружение нескольких свай свайного поля.

Проходка стволов под сваи большого диаметра может быть осуществлена буровым агрегатом SANY SR 420 (глубина бурения — 110 м, диаметр бурения — 3 м) с новым навесным оборудованием с диаметром проходного отверстия буровой колонны 14—20" при бурении с площадки на острове или с применением самоходной буровой платформы с указанным навесным оборудованием при бурении с воды.

Подача бетона для оборудования свай может осуществляться с использованием передвижного (плавучего) растворного узла с бетононасосом. Для изготовления бетона можно использовать наноцементы ОАО «Московский ИМЭТ» со сниженным тепловыделением, ускоренным темпом твердения, высокой прочностью, сейсмостойкостью и долговечностью при сниженном расходе портландцемента в 1,5—2 раза.

Рисунок 1. Конструкция сваи

Примерная конструкция ствола приведена на Рис. 1. Расширение ствола в нижней части осуществляется за счет изменения скорости вращения буровой колонны, скорости проходки.

Армирование свай выполняется каркасами с расчетными характеристиками с учетом сейсмических условий. Несущая способность свай по материалу в данных условиях значительно превышает несущую способность по грунту. В этих условиях целесообразно выполнить сваи пременного сечения по высоте с устройством буровых пяты на коренных породах.

Данные условия проверены при проходке более 5000 скважин большого диаметра методом обратной промывки чистой водой при диаметрах бурения, в основном, 0,7—1,5 м. Несущая способность одной такой сваи может составлять порядка 12000—18000 т. и должна быть уточнена по результатам оборудования первых свай и проведения испытаний.

Список литературы:
1.    Аленкин В.М., Иноземцев Ю.И., Науменко П.Н., Путь А.Л., Скиба С.И., Шнюков Е.Ф. Геология шельфа УССР, Керченский пролив, «Наукова думка», Киев, 1981.
2.    Госстрой СССР, ВНИИ «Водгео». Рекомендации по бурению скважин большого диаметра роторным способом с обратной промывкой. — М., 1970.
3.    Ткаченко В.П. Патент РФ на изобретение № 2114977.
4.    Ткаченко В.П. Сооружение, освоение и эксплуатация скважин большого диаметра для гидротехнического и мелиоративного строительства. Сочи, 2002, С. 282.