Кессонный фундамент

Кессонный фундамент — это тип заглублённого фундамента, представляющий собой замкнутую в плане полую конструкцию (кессон), которая погружается в грунт под действием собственного веса и веса возводимых стен, а также с помощью пригрузки, при одновременной разработке грунта внутри камеры. В отличие от опускных колодцев, кессонная камера заполняется сжатым воздухом, что позволяет вести разработку грунта без его предварительного водопонижения и в условиях высокого уровня грунтовых вод. Кессонные фундаменты применяются при строительстве опор мостов, гидротехнических сооружений, глубоких подземных частей зданий и промышленных объектов.

История

Идея использования сжатого воздуха для защиты от воды при подземных работах возникла в начале XIX века. Первые патенты на кессонный способ были получены в 1830-х годах во Франции и Великобритании. Однако широкое распространение технология получила после 1850-х годов, когда началось активное строительство мостов и тоннелей в сложных гидрогеологических условиях.

Одним из первых крупных объектов, где применили кессоны, стал мост через реку Рейн в Кёльне (1855–1859). В 1860-х годах кессонные фундаменты использовались при строительстве моста через реку Миссисипи в Сент-Луисе (США). В России первый опыт применения кессонов относится к 1870-м годам при возведении опор Варшавского моста через реку Вислу. В СССР технология активно развивалась в 1930–1950-е годы при строительстве крупных мостов (например, мосты через Волгу, Днепр) и гидротехнических сооружений (шлюзы, плотины).

С середины XX века, с развитием буровых технологий и методов искусственного замораживания грунтов, а также из-за высокой опасности кессонной болезни для рабочих, применение кессонных фундаментов сократилось. Тем не менее, они остаются востребованными при строительстве в условиях сильного водонасыщения и на больших глубинах, где другие методы экономически неэффективны.

Устройство и принцип работы

Кессонный фундамент состоит из следующих основных элементов:

• Кессонная камера — герметичная железобетонная или стальная конструкция, имеющая форму перевёрнутого ящика (или цилиндра) с плоским или купольным перекрытием. Внутреннее пространство камеры называется рабочей камерой.
• Шахтная труба (шлюзовой аппарат) — вертикальная труба, соединяющая рабочую камеру с атмосферой. Она оборудована герметичными шлюзами (камерами) для прохода людей и материалов.
• Шлюзовое устройство — система клапанов и дверей, позволяющая выравнивать давление при входе и выходе из рабочей камеры.
• Ножевая часть — нижняя заострённая кромка (нож) кессона, облегчающая его погружение в грунт.

Принцип работы заключается в следующем: кессон устанавливается на дно котлована или непосредственно на поверхность грунта. В рабочую камеру через шлюзовой аппарат подаётся сжатый воздух, давление которого превышает гидростатическое давление грунтовых вод на данной глубине. Это предотвращает поступление воды внутрь камеры. Затем рабочие (кессонщики) входят в камеру через шлюз и разрабатывают грунт под ножом кессона. По мере извлечения грунта кессон под действием собственного веса и пригрузки (например, бетонируемых стен) опускается вниз. Когда кессон достигает проектной отметки, рабочая камера заполняется бетоном (бетонируется), и на неё опирается вышележащая часть фундамента или сооружения.

Классификация

Кессонные фундаменты классифицируются по нескольким признакам.

По материалу

• Железобетонные — наиболее распространённый тип, применяемый для крупных сооружений. Отличаются высокой несущей способностью и долговечностью.
• Стальные — используются для временных конструкций или в условиях, где требуется высокая скорость монтажа.
• Деревянные — исторический тип, в настоящее время применяется редко, в основном для небольших объектов.

По форме

• Прямоугольные — для опор мостов, зданий.
• Круглые — для колодцев, водозаборов.
• Сложной формы — для специальных гидротехнических сооружений.

По способу погружения

• Гравитационные — погружаются под действием собственного веса.
• Пригружаемые — с использованием дополнительных грузов (бетон, металл).
• С механическим погружением — с помощью домкратов или вибраторов (редко).

Область применения

Кессонные фундаменты применяются в следующих случаях:

• Строительство мостов — для опор, особенно в руслах рек с высоким уровнем воды.
• Гидротехнические сооружения — шлюзы, плотины, набережные, водозаборы.
• Промышленные объекты — фундаменты под тяжёлое оборудование, доменные печи, турбины.
• Подземные части зданий — в условиях высокого уровня грунтовых вод, когда устройство котлована с водопонижением невозможно или дорого.
• Ремонт и реконструкция — для усиления существующих фундаментов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность устройства фундамента на глубине до 30–40 метров в водонасыщенных грунтах без предварительного водопонижения.
• Высокая несущая способность (до 10–20 МПа и более).
• Возможность контроля качества грунта под подошвой фундамента.
• Относительно малая площадь строительной площадки по сравнению с открытым котлованом.

Недостатки

• Высокая опасность для здоровья рабочих — основная проблема. Работа в условиях повышенного давления сжатого воздуха (до 3–4 атмосфер) приводит к кессонной болезни (декомпрессионной болезни) из-за быстрого перехода от высокого давления к нормальному. Это требует строгого соблюдения режимов труда и отдыха, специального медицинского контроля и ограничения времени пребывания в кессоне.
• Высокая стоимость — из-за сложности оборудования, шлюзовых систем и компрессорных установок.
• Ограничения по глубине — при глубине более 40 метров давление воздуха становится слишком высоким, что резко увеличивает риски для здоровья.
• Необходимость постоянного контроля герметичности — утечка сжатого воздуха может привести к прорыву воды и аварии.
• Ограничения по типу грунта — в скальных или очень плотных грунтах погружение кессона затруднено.

Техника безопасности и охрана труда

Работа в кессонах регламентируется специальными нормами (например, СНиП 12-03-2001, СП 48.13330.2019). Основные требования включают:

• Обязательное медицинское освидетельствование рабочих перед началом работ и периодические осмотры.
• Ограничение времени пребывания в кессоне в зависимости от давления (например, при давлении 3 атм — не более 2 часов).
• Использование специальных шлюзовых камер для постепенной декомпрессии.
• Наличие резервного оборудования (компрессоры, аварийные шлюзы).
• Постоянный контроль состава воздуха (содержание кислорода, углекислого газа, отсутствие вредных примесей).
• Запрет на работу в кессоне при температуре воздуха ниже +5 °C и выше +25 °C.

Современное состояние

В XXI веке кессонные фундаменты применяются реже, чем в середине XX века, из-за развития альтернативных технологий (буронабивные сваи, стена в грунте, искусственное замораживание). Однако в ряде случаев, особенно при строительстве уникальных мостов и гидротехнических объектов в сложных гидрогеологических условиях, кессонный метод остаётся востребованным. В России, например, кессоны использовались при строительстве мостов через реку Обь, Волгу, а также при реконструкции некоторых шлюзов. В мировой практике известны случаи применения кессонов на глубинах до 60 метров (например, при строительстве моста в Японии).

Источники

• СНиП 3.02.01-87 «Земляные сооружения, основания и фундаменты»
• СП 48.13330.2019 «Организация строительства»
• «Основания и фундаменты» / Под ред. Б. И. Далматова. — М.: Стройиздат, 2004.
• «Технология строительных процессов» / Под ред. В. И. Теличенко. — М.: Высшая школа, 2005.
• «Мосты и трубы» / Под ред. В. И. Кирсанова. — М.: Транспорт, 1990.