Кессонные работы

Кессонные работы — это комплекс технологических операций, выполняемых в водонасыщенных грунтах или под водой в специальной рабочей камере (кессоне), в которую подаётся сжатый воздух для отжатия подземных вод и предотвращения обрушения стенок выработки. Кессонный метод относится к способам производства работ под защитой сжатого воздуха и применяется при строительстве фундаментов глубокого заложения, мостовых опор, тоннелей, подземных сооружений, а также при добыче полезных ископаемых на обводнённых месторождениях.

История

Предпосылки возникновения

Необходимость в кессонных работах возникла в XIX веке в связи с активным развитием промышленного и транспортного строительства. Строительство мостов, портовых сооружений и шахт часто сталкивалось с проблемой высокого уровня грунтовых вод, что делало традиционные методы рытья котлованов (с открытым водоотливом) крайне затратными и опасными. Первые попытки использовать сжатый воздух для осушения выработок были предприняты в горном деле, однако систематическое применение метода началось в середине XIX века.

Первое применение

В 1841 году французский инженер Жак Триже (Jacques Triger) впервые применил кессонный метод при строительстве шахты для добычи угля в районе Шалон-сюр-Сон (Франция). Он использовал металлическую трубу, опущенную в водоносный слой, в которую подавался сжатый воздух, позволявший рабочим проходить грунт. В 1850 году британский инженер Уильям Кларк (William Clark) усовершенствовал конструкцию, создав опускной колодец с воздушным шлюзом, что стало прообразом современного кессона.

Развитие в России

В России кессонные работы начали активно применяться во второй половине XIX века. Первым значительным объектом стало строительство моста через реку Неву в Санкт-Петербурге (Благовещенский мост, 1850 год). В 1870-х годах кессоны использовались при возведении опор мостов через Волгу, Днепр и другие крупные реки. Крупнейшим проектом начала XX века стало строительство московского метрополитена (1930-е годы), где на отдельных участках (например, под Москвой-рекой) применялись кессонные методы. В советский период технология активно развивалась в горнодобывающей промышленности, при строительстве гидротехнических сооружений и тоннелей.

Физические основы метода

Кессонный метод основан на принципе гидростатического равновесия. В рабочей камере кессона создаётся избыточное давление воздуха, которое должно быть не ниже гидростатического давления грунтовых вод на данной глубине. Это давление отжимает воду из пор грунта, предотвращая её поступление в выработку и обеспечивая устойчивость стенок. Давление в кессоне регулируется в зависимости от глубины погружения: на каждые 10 метров глубины требуется избыточное давление примерно 1 атмосфера (0,1 МПа). Максимально допустимое давление для человека в кессоне по санитарным нормам составляет около 3,5–4 атмосфер (глубина до 35–40 метров), что связано с риском кессонной болезни.

Устройство и оборудование

Основные элементы кессона

Кессон представляет собой жёсткую конструкцию, обычно из металла или железобетона, состоящую из следующих частей:

Рабочая камера — нижняя часть кессона, где непосредственно ведутся работы (разработка грунта, бетонирование). Имеет форму перевёрнутого ящика или цилиндра.
Потолок (перекрытие) — отделяет рабочую камеру от надземной части. В нём располагаются шлюзовые устройства.
Шлюзовая камера (шлюз) — герметичное помещение для перехода рабочих и материалов из зоны нормального давления в зону повышенного давления и обратно. Состоит из двух отделений: предкамеры и основной камеры, разделённых герметичными дверями.
Воздушные трубопроводы — системы подачи и отвода сжатого воздуха, включая компрессоры, ресиверы, фильтры и регулирующую арматуру.
Опускная часть (нож) — нижняя кромка кессона, заострённая для облегчения погружения в грунт.

Вспомогательное оборудование

Для обеспечения кессонных работ используются:

Компрессорные станции (поршневые или винтовые компрессоры) производительностью от 10 до 100 м³/мин.
Системы вентиляции и очистки воздуха (для удаления углекислого газа, пыли и влаги).
Средства связи (телефон, переговорные устройства) между рабочими в кессоне и поверхностью.
Аварийные системы (резервные компрессоры, аварийные выходы, дыхательные аппараты).

Технология проведения работ

Этапы кессонных работ

Подготовительный этап: монтаж кессона на поверхности, установка шлюзов, подключение компрессорного оборудования, проверка герметичности.
Погружение кессона: под действием собственного веса или с помощью дополнительной нагрузки (балласта) кессон опускается в грунт. Одновременно ведётся разработка грунта в рабочей камере (вручную, гидромониторами или механическими средствами).
Бетонирование: по мере погружения кессона на заданную глубину в его полость (над потолком) укладывается бетонная смесь, формирующая фундамент или опору.
Завершение: после достижения проектной отметки и набора бетоном прочности рабочая камера заполняется бетоном или тампонажным раствором, шлюзы демонтируются.

Режимы работы

Различают два основных режима:

С открытым водоотливом — вода откачивается из кессона насосами, но при этом требуется постоянная подача сжатого воздуха для поддержания давления.
С закрытым водоотливом — вода не откачивается, а отжимается сжатым воздухом, что более безопасно, но требует больших энергозатрат.

Виды кессонных работ

По типу конструкции

Опускные колодцы (кессоны-оболочки) — жёсткие цилиндрические или прямоугольные конструкции, погружаемые в грунт.
Пневматические кессоны — сборно-разборные камеры, устанавливаемые на дне котлована или водоёма.
Кессоны-камеры — используются для ремонта подводных частей сооружений (например, мостовых опор).

По назначению

Фундаментостроение — возведение опор мостов, зданий, башен.
Тоннелестроение — проходка тоннелей под реками и в обводнённых грунтах.
Горные работы — добыча полезных ископаемых (например, золота, алмазов) на обводнённых месторождениях.
Ремонтно-восстановительные работы — осмотр и ремонт подводных частей гидротехнических сооружений, доков, шлюзов.

Медицинские аспекты и безопасность

Кессонная болезнь

Основной профессиональной опасностью при кессонных работах является декомпрессионная (кессонная) болезнь, возникающая при быстром переходе из зоны повышенного давления в зону нормального. В крови и тканях образуются пузырьки азота, вызывающие боли в суставах, мышцах, нарушения дыхания и кровообращения. Для профилактики используются:

Строгое соблюдение режимов декомпрессии (постепенный выход из кессона с остановками на определённых давлениях).
Ограничение времени работы в кессоне (в зависимости от давления).
Медицинские осмотры и отбор персонала (лица с заболеваниями сердечно-сосудистой системы, лёгких, ушей не допускаются).
Использование декомпрессионных камер (барокамер) для лечения.

Нормативные требования

В России кессонные работы регламентируются «Правилами безопасности при производстве работ под сжатым воздухом» (ПБ 03-428-02) и санитарными правилами СП 2.2.2.1327-03. Основные требования:

Максимальное давление в кессоне — не более 3,5 атм (0,35 МПа).
Продолжительность рабочей смены — от 1 до 6 часов в зависимости от давления.
Обязательное наличие медицинского пункта и барокамеры на объекте.
Регулярный контроль состава воздуха (содержание кислорода не менее 19%, углекислого газа — не более 0,5%).

Современное состояние и альтернативы

Применение в XXI веке

Несмотря на развитие технологий (например, метода «стена в грунте», буронабивных свай, замораживания грунтов), кессонные работы продолжают применяться в сложных гидрогеологических условиях, особенно при строительстве мостов, тоннелей и гидротехнических сооружений. В России кессоны используются при реконструкции мостов (например, мост через Волгу в Саратове, 2010-е годы) и строительстве метрополитенов (станции глубокого заложения в Москве и Санкт-Петербурге).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Возможность работы в любых грунтах, включая плывуны и водонасыщенные пески.
Высокая точность и контроль над процессом.
Отсутствие необходимости в мощном водоотливе.

Недостатки:

Высокая стоимость оборудования и эксплуатации (компрессоры, шлюзы).
Опасность для здоровья рабочих (кессонная болезнь, баротравмы).
Ограниченная глубина применения (до 40 метров).
Низкая производительность труда (малая площадь рабочей камеры, ограниченное время работы).

Альтернативные методы

Современные технологии, вытесняющие кессонные работы:

Метод «стена в грунте» — возведение подземных стен с помощью глинистого раствора.
Буронабивные сваи — устройство свай большого диаметра без выемки грунта.
Замораживание грунтов — искусственное промораживание водоносных слоёв для создания водонепроницаемой стенки.
Грунтоцементные смеси — укрепление грунта цементацией.

Интересные факты

Первый в мире кессонный мост — Благовещенский мост в Санкт-Петербурге (1850 год) — был построен с использованием деревянных кессонов, которые затем заменялись каменными опорами.
В 1930-х годах при строительстве московского метро кессонные работы велись на глубине до 30 метров, что потребовало создания специальных декомпрессионных камер и медицинских бригад.
Самая глубокая кессонная выработка в мире была выполнена в 1970-х годах в Японии при строительстве тоннеля Сэйкан (глубина до 240 метров под уровнем моря, но с использованием комбинированных методов).
В СССР в 1950-е годы кессонные работы активно применялись при добыче алмазов в Якутии (трубка «Мир»), где вечная мерзлота и высокий уровень грунтовых вод создавали уникальные сложности.

Источники

Правила безопасности при производстве работ под сжатым воздухом (ПБ 03-428-02). — М.: Госгортехнадзор России, 2002.
СП 2.2.2.1327-03. Гигиенические требования к организации технологических процессов, производственному оборудованию и рабочему инструменту. — М.: Минздрав России, 2003.
Технология строительных процессов: учебник / под ред. В. И. Теличенко. — М.: Высшая школа, 2005.
Строительство мостов и тоннелей: учебное пособие / А. А. Петров, В. Н. Смирнов. — М.: Транспорт, 1990.
Кессонные работы в горном деле / И. М. Гольдман, В. А. Королев. — М.: Недра, 1978.
История развития кессонного метода в России // Журнал «Мосты и тоннели», № 3, 2012.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →