Zastosowanie stalowych ścianek szczelnych pomaga rozwiązać wiele ciekawych problemów inżynierskich.
Ścianki szczelne są metodą zabezpieczania wykopów, która jest stosowana przy bardzo różnych obiektach. Od najmniejszych wykopów na potrzeby instalacji (fot. 1), przez kilkumetrowej głębokości wykopy na potrzeby budowy niewielkich obiektów, jak podpory mostowe czy szyby startowe (fot. 2), po duże wykopy o powierzchni kilku hektarów i głębokości kilkunastu metrów. Dużymi zadaniami z wykorzystaniem ścianek są nabrzeża rzek, jezior czy portów morskich (fot. 3). Ścianki stalowe były opisane w numerze 5/2012 „IB”.
Fot. 1 Niewielki wykop zabezpieczony ścianką stalową w trakcie przebudowy instalacji na potrzeby budowy II linii metra w Warszawie
Fot. 2 Obudowa szybu startowego mikrotunelingu na ul. Czerniakowskiej w Warszawie wykonana ze ścianek stalowych rozpartych w dwóch poziomach
Fot. 3 Bulwary Wiślane w Warszawie zabezpieczone ściankami stalowymi
Najczęściej ścianki szczelne pogrążane są metodą wibracyjną (fot. 4). Sposób taki wytwarza jednak hałas i drgania. Częściowym rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie wibratorów bezrezonansowych. Ciekawą alternatywą jest statyczne wciskanie ścianki stalowej. W Polsce stosuje się dwa systemy tego rodzaju. W jednym głowica wciskająca chwyta za górne fragmenty czterech elementów stalowych i stopniowo wciska je na przemian w grunt. Urządzenie zamontowane jest na maszcie palownicy o wysokości większej niż wciskane elementy. Pokazano je na fot. 5. Ciężka maszyna bazowa swoim ciężarem wspomaga wciskanie ścianek w pierwszym etapie, kiedy nie można wciągnąć do współpracy pozostałych trzech elementów niezagłębionych jeszcze w gruncie. W takim systemie maszyna bazowa musi mieć dostęp do ścianki, ponieważ znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie wciskanej ścianki. Jest to utrudnienie w stosunku do pogrążania wibracyjnego, gdzie dźwig może znajdować się w pewnej odległości od ścianki. W drugim częściej stosowanym systemie wciskania statycznego urządzenie wciskające porusza się po wcześniej zagłębionych elementach i potrzebuje dźwigu tylko na starcie, zmianie kierunku i do podawania elementów wciskanych. Pokazano je na fot. 6. Wciska ono pojedynczy element, który uchwycony jest w sposób przelotowy. Dzięki temu mniejsze znaczenie ma długość wciskanego elementu. Urządzenie zakotwione jest do wcześniej wykonanych ścianek, na które przenosi siłę potrzebną do wciskania. Dzięki przelotowemu uchwytowi zmniejszono do minimum długość wyboczeniową wciskanego elementu, co znakomicie poprawia efektywność pogrążania.
Fot. 4 Pogrążanie ścianek na budowie obwodnicy Kielc – budowa podpór
Fot. 5 Maszyna bazowa z głowicą umożliwiająca wciskanie czterech elementów
Fot. 6 Urządzenie do statycznego wciskania ścianki stalowej. W czasie pracy maszyna zakotwiona jest do wykonanych wcześniej elementów
Na podobnej zasadzie działa urządzenie pokazane na fot. 7. Zamontowane jest na koparce w sposób przelotowy, pogrąża grodzice wibracyjnie właściwie pod dowolnym kątem. Sterowanie procesem pogrążania może odbywać się ręcznie lub pod kontrolą automatycznego systemu (fot. 8). Umożliwia to zachowanie zadanego pochylenia ścianki w czasie całego wbijania, czego kontrola jest trudna optycznie.
Fot. 7 Urządzenie wibracyjne do pogrążania ścianek stalowych zamontowane na koparce
Fot. 8 Wyświetlacz urządzenia sterującego
Ścianki szczelne najczęściej traktowane są jako obudowa tymczasowa. Na fot. 9 pokazano klasyczny przykład tymczasowego zastosowania umożliwiającego połówkowe wykonanie robót drogowo-mostowych. Czasami są one elementami traconymi, umożliwiającymi wykonanie pod ich osłoną konstrukcji żelbetowej. Na fot. 10 pokazano ciekawy przykład konstrukcji zespolonej. Ścianki stalowe stanowiące zabezpieczenie wykopu w czasie budowy są docelowo połączone z żelbetową konstrukcją szczelnej wanny. Współpracują w przenoszeniu obciążeń dzięki specjalnemu połączeniu w kształcie grzebienia. Jednak dzięki swoim zaletom ścianki stalowe coraz częściej stanowią samodzielną konstrukcję stałą. Na fot. 11 pokazano przykład wiaduktu nad linią kolejową, którego podpory wykonane są z trwałych ścianek stalowych. Podobny obiekt pokazano na fot. 12. Zastosowanie ścianek stalowych pozwoliło wybudować przejazd pod bardzo ruchliwą drogą w ciągu kilkunastu miesięcy. Budowa prowadzona była metodą połówkową, aby zachować ciągłość ruchu na drodze wylotowej z dużego miasta. Szczegóły realizacji zostały opisane w [1].
Fot. 9 Ścianka stalowa umożliwiająca połówkowe prowadzenie robót na Trasie Toruńskiej w Warszawie
Fot. 10 Wykop dojazdu do tunelu pod torami kolejowymi zabezpieczony ściankami szczelnymi kompozytowymi – przygotowanymi do zespolenia z żelbetową częścią szczelnej wanny
Fot. 11 Ścianka stalowa stanowiąca trwały przyczółek oraz mury oporowe dojazdów do wiaduktu w Nowym Dworze Mazowieckim
Fot. 12 Wiadukt zintegrowany w Rzeszowie, przyczółki i skrzydełka wykonane ze ścianek stalowych
Na fot. 13 pokazano przykład obiektu, którego elementem przenoszącym obciążenia poziome i pionowe od wiaduktu i parcia gruntu jest ścianka stalowa. W celu podniesienia walorów estetycznych została ona ukryta pod betonowymi panelami.
Fot. 13 Ściany oporowe wykonane ze ścianek stalowych trwałych
Wykorzystanie ścianki stalowej jako podpór obiektów mostowych wymaga określenia jej nośności pionowej. Zależy ona, podobnie jak w innych rozwiązaniach palowych, od oporów podstawy i pobocznicy. Jednak w odróżnieniu od nich nośność podstawy nie obejmuje jedynie przekroju elementu. W grodzicach typu U lub sparowanych w czasie wbijania profilach typu Z wytwarza się korek gruntowy, który pomaga w przenoszeniu obciążeń. Zagadnienie to było przedmiotem kilku krajowych publikacji i ilustruje je rys. 1. Nośność pionowa grodzic wymaga sprawdzenia analogicznie jak dzieje się to w palach. Na fot. 14 pokazano konstrukcję do próbnego obciążenia na wciskanie dwóch grodzic typu U. Z kolei na rys. 2 przedstawiono wyniki obciążeń na wyciąganie dwóch bliźniaczych elementów a na rys. 3 takich samych elementów wciskanych wykonanych w bezpośrednim sąsiedztwie. Widać na nim dużo większą nośność na wciskanie, co potwierdza zasadę zaprezentowaną na rys. 1.
Fot. 14 Konstrukcja do próbnego obciążenia ścianki stalowej na wciskanie
Rys. 1 Pola podstawy (A) i pobocznicy (P) grodzic typu U i typu Z [2]
Rys. 2 Porównanie przemieszczeń dwóch ścianek stalowych G62 przy wyciąganiu
Rys. 3 Zachowanie się ścianki przy wciskaniu
Potwierdzeniem dobrej nośności pionowej ścianek stalowych jest wykonanie licznych już w naszym kraju obiektów mostowych posadowionych na takich elementach.
mgr inż.
Piotr Rychlewski
Instytut Badawczy Dróg i Mostów
Literatura
1. D. Sobala, W. Tomaka i P. Maksim, Projekt i wykonanie podpór zintegrowanego wiaduktu drogowego, Seminarium „Konstrukcje stalowe w geotechnice”, IBDiM i PZWFS, Warszawa, 18 listopada 2010.
2. J. Rybak, D. Sobala, Stalowe ścianki szczelne, Seminarium „Konstrukcje stalowe w geotechnice”, IBDiM i PZWFS, Warszawa, 18 listopada 2010.
