Кессон

Кессон — это инженерное сооружение, конструкция или устройство, предназначенное для создания рабочего пространства, изолированного от внешней среды (обычно от воды или грунта), в котором давление воздуха поддерживается на уровне, достаточном для предотвращения проникновения жидкости или сыпучего материала. Кессоны применяются при строительстве фундаментов глубокого заложения, мостов, гидротехнических сооружений, а также в судостроении и горном деле.

История

Принцип использования сжатого воздуха для работ под водой был известен ещё в античности, однако практическое применение кессонов началось в XIX веке. Первый задокументированный случай использования кессонного метода относится к 1830 году, когда французский инженер Триже (Triger) применил его для проходки шахты в водоносном слое. В 1841 году он же запатентовал устройство, названное «кессоном» (от французского caisson — «ящик»).

Широкое распространение кессонный метод получил в середине XIX века при строительстве мостов и портовых сооружений. В 1850-х годах инженер Исамбард Кингдом Брюнель использовал кессоны при строительстве туннеля под Темзой в Лондоне. В России кессоны начали активно применяться с 1870-х годов при возведении мостов через крупные реки, в частности, при строительстве моста через Волгу у Сызрани (1880) и Благовещенского моста в Санкт-Петербурге (1850). В XX веке технология была усовершенствована, появились железобетонные и металлические кессоны, а также методы контроля давления.

Устройство и принцип действия

Кессон представляет собой камеру, обычно в форме перевёрнутого ящика или цилиндра, открытую снизу. Внутри неё создаётся избыточное давление сжатого воздуха, которое уравновешивает давление грунтовых вод или воды снаружи. Рабочие (кессонщики) входят в камеру через шлюзовую камеру (шлюз), где давление постепенно повышается до рабочего, чтобы избежать декомпрессионной болезни (кессонной болезни). После завершения работ давление снижается также постепенно.

Основные элементы кессона:

• Рабочая камера — пространство, где ведутся земляные работы или монтаж.
• Шлюзовой аппарат — герметичное устройство для перехода людей и материалов между зоной нормального и повышенного давления.
• Воздушный шлюз — система подачи и регулировки сжатого воздуха.
• Нож — нижняя режущая кромка кессона, которая врезается в грунт при его опускании.

Классификация

Кессоны классифицируются по нескольким признакам.

По материалу изготовления

• Металлические — стальные или чугунные, используются для временных работ и в судостроении.
• Железобетонные — наиболее распространены в современном строительстве, долговечны и устойчивы к коррозии.
• Деревянные — исторический тип, применялся в XIX — начале XX века; ныне практически не используется из-за низкой прочности.

По способу погружения

• Опускные кессоны — опускаются под действием собственного веса по мере выемки грунта.
• Наплавные (плавучие) кессоны — изготавливаются на берегу, затем транспортируются по воде и устанавливаются на место.

По назначению

• Строительные кессоны — для устройства фундаментов, опор мостов, причалов.
• Судовые кессоны — для ремонта подводной части кораблей (док-кессоны).
• Горные кессоны — для проходки шахт в водоносных породах.

Применение

Строительство фундаментов и опор

Кессонный метод позволяет возводить фундаменты на глубине до 30–40 метров в условиях высокого уровня грунтовых вод. Он применяется при строительстве мостов, плотин, дамб, набережных, а также зданий на слабых грунтах. В России кессоны использовались при строительстве мостов через Волгу, Дон, Неву, а также при возведении высотных зданий в Москве (например, здания МГУ на Воробьёвых горах, где потребовалось заглубление на 14 метров).

Судостроение и судоремонт

В судостроении кессоны (док-кессоны) применяются для создания временных сухих зон вокруг подводной части корпуса судна. Это позволяет проводить ремонт, окраску или замену обшивки без постановки корабля в док. Кессоны могут быть как стационарными, так и передвижными.

Горное дело

В горной промышленности кессоны используются для проходки стволов шахт в обводнённых породах. Метод позволяет вести работы под защитой сжатого воздуха, предотвращая обрушение стенок и поступление воды.

Техника безопасности и кессонная болезнь

Работа в кессонах связана с риском декомпрессионной болезни (кессонной болезни), возникающей при быстром снижении давления. Симптомы включают боли в суставах, головокружение, паралич, а в тяжёлых случаях — летальный исход. Для предотвращения этого разработаны строгие регламенты:

• Постепенное повышение и снижение давления (декомпрессия) в шлюзовых камерах.
• Ограничение времени пребывания в зоне повышенного давления (до 4–6 часов в зависимости от глубины).
• Медицинский контроль за состоянием здоровья кессонщиков.
• Использование дыхательных аппаратов и систем подачи воздуха.

В России действуют «Правила безопасности при производстве работ в кессонах» (утверждены Ростехнадзором), которые регламентируют все этапы работ.

Современные тенденции

В современном строительстве кессонный метод постепенно вытесняется технологиями «стена в грунте», буронабивными сваями и методами замораживания грунта, которые менее опасны и более производительны. Однако кессоны остаются востребованными в сложных гидрогеологических условиях, где другие методы неэффективны. В судостроении и горном деле кессоны продолжают использоваться, хотя и с применением автоматизированных систем контроля давления.

Интересные факты

• Термин «кессон» также используется в архитектуре для обозначения углублений на потолке (кессонный потолок), но это не связано с инженерным кессоном.
• Самая глубокая кессонная работа в истории была проведена при строительстве моста через реку Миссисипи в США (глубина около 30 метров).
• В СССР кессонщики относились к категории «вредных профессий» и имели льготы по пенсионному обеспечению.

Источники

• Большая советская энциклопедия, 3-е издание, статья «Кессон».
• Строительные нормы и правила (СНиП) 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты».
• Правила безопасности при производстве работ в кессонах (ПБ 03-428-02).
• Ефимов П. П. «Кессонные работы в строительстве». — М.: Стройиздат, 1980.
• Триже (Triger) M. «Mémoire sur un appareil à air comprimé pour le fonçage des puits». — 1841.