SOLETANCHE BACHY FUNDATII: FREELO – incinta circulara duala de pereti mulati pentru construirea tunelului de vant aerodinamic (I)

Beneficiar: KEI Development SA
Arhitectura: arh. Razvan Barsan / WIGWAM Design SRL
Proiectant structura de rezistenta: ROMAIR Consulting SRL, WIGWAM Design SRL
Proiectant de specialitate incinta / fundatii speciale: SBR Soletanche Bachy Fundatii SRL
Verificatori atestati: ing. Lóránd Sata (Af), ing. Dan Iancu (A1, A2)
Antreprenor General / Executant: SBR Soletanche Bachy Fundatii SRL

FREELO este primul centru de agrement din Romania si din Europa de Est care ofera atractii si experiente unice: tunel de vant aerodinamic, surf indoor si zona de relaxare cu piscina semiolimpica, SPA, restaurant gourmet, boutique hotel si zona de proiectie video in aer liber (fig. 1). Cladirea tunelului de vant aerodinamic se dezvolta intr-un volum partial subteran, pe o adancime de 19,50 m sub cota terenului natural si partial supra­teran, pe o inaltime maxima de 17,00 m.

In vederea construirii unei cuve din beton armat care va asigura spatiul necesar pentru introducerea echipamentelor din cadrul tunelului, solutia adoptata pentru sprijinirea temporara a excavatiei consta intr-o incinta celulara duala, dispusa sub forma a doua zone circulare cu diametre diferite ale cercurilor, conectate printr-o zona liniara. Prin conceptul prezentat se obtine un sistem structural eficient din punct de vedere economic, al productivitatii si adaptat caracteristicilor tehnice speciale ale proiectului.

Caracterul deosebit al sistemului de sus­ti­nere implica si nume­roase aspecte notabile din punct de vedere al proiectarii, executiei si al monito­rizarii geoteh­nice. Scopul prezentei lucrari este de a analiza comportamentul unei astfel de incinte, precum si aplicabilitatea tipurilor de lucrari ce implica pereti de incinta circulari autoportanti. 

Introducere

O parte a obiectivului FREELO, un concept inedit si ambitios de divertisment din Bucuresti, o reprezinta construirea unei cuve din beton armat subterane, care va incorpora echipamentele necesare pentru rea­lizarea unui tunel de vant aerodinamic (fig. 2, 3).

Cota de fundare a cuvei se afla la aproximativ 19,50 m adancime fata de cota terenului, fiind astfel impusa adaptarea sistemului de sprijinire a excavatiei la condi­tiile structurale ale cuvei si indeosebi la conditiile geoteh­nice ale amplasamentului (fig. 4).

Conformarea cuvei este una deosebita din cauza gabaritelor necesar a fi considerate in conceptul structural. Structura din beton armat ingropata este configurata sub forma unor celule rectangulare cu pereti perimetrali de 1,20 m, respectiv 0,80 m grosime, nesprijiniti pe intreaga inaltime in starea de exploatare a constructiei, fara elemente orizontale de preluare a impingerii laterale a pamantului, acest aspect avand un impact puternic asupra etapizarii lucrarilor de constructie.

Tinand seama de particularitatile proiectului, solutiile adoptate in mod uzual pentru sprijinirea excavatiilor adanci nu au putut fi considerate sau adaptate in mod performant din punct de vedere al etapizarii si al productivitatii sau al costurilor. Astfel, configurarea sistemului de sprijinire a devenit o provocare dificila din punct de vedere ingineresc, atat din cauza adancimii conside­rabile a excavatiei, care depaseste cu apro­ximativ 50% – 80% adancimile uzual proiectate in Bucuresti, cat si din cauza necesitatii de a adopta unele solutii alternative, rareori intalnite sau documentate in Romania.

Independent de proiectarea sistemului de sprijinire, studiul solutiei a reprezentat un proces de documen­tare si consultare a literaturii tehnice de specialitate si a lucrarilor similare existente in lume, precum si a refe­rin­telor tehnice documentate existente in baza de date a filialelor internationale Soletanche Bachy (fig. 5).

CONDITII GEOTEHNICE

Amplasamentul studiat apartine, din punct de vedere geomorfologic, de zona nordica a Campiei Bucures­tiului, subunitate care face parte din Campia Munteniei.

Stratificatia (fig. 6) evidentiata de cele doua foraje efectuate pe amplasament releva o alternanta uniforma a straturilor, dupa cum urmeaza:

• ±0,00 m … -2,95 m – umpluturi, nisip prafos galben cafeniu cu concretiuni calcaroase;
• -2,95 m … -13,00 m – nisipuri si pietrisuri de Colentina;
• -13,00 m … -14,00 m – praf argilos;
• -14,00 m … -16,00 m – nisip mediu galben cenusiu cu pietris;
• -16,00 m … -24,00 m – argila prafoasa plastic vartoasa, depozite inter­me­diare;
• -24,00 m… -31,00 m – praf nisipos argilos.

Din punct de vedere hidrogeologic, prin lucra­rile de epuismente si prin monitorizarea piezome­trica, s-a determinat pre­zenta a doua orizonturi acvifere. Orizontul freatic superior, cantonat in complexul pietrisurilor de Colentina, este interceptat in forajele geotehnice la nivelul aproximativ -4,00 m, raportat la cota ±0,00 m.

Orizontul freatic inferior, cantonat in stratul nisipurilor situate la adan­cimi mai mari de 24,0 m, cu nivel hidrostatic sub pre­siune pana la cota -6,00 m raportat la ±0,00 m (aprox. 18,00 m coloana de apa), se dezvolta pe intreaga suprafata a amplasamentului. Tavanul acestui acvifer este constituit dintr-un pachet de natura argiloasa, strat cu permeabilitate redusa, care izoleaza comunicarea cu primul acvifer.

In ceea ce priveste vecinatatile, pe doua dintre laturi excavatia este marginita de strazi cu circulatie rutiera, care distanteaza cele mai apropiate constructii la minimum 30,00 m de conturul incintei si terenuri libere de sarcini pe celelalte doua laturi.

Din punct de vedere al riscului geotehnic, conform normativului NP 074-2014, „Normativ privind do­cu­mentatiile geotehnice pentru constructii”, proiectul este caracterizat prin categoria de risc major, punctajul de 19 puncte fiind determinat de existenta pe amplasament a unor terenuri dificile, de necesitatea lucrarilor de epuismente, de categoria de importanta a lucrarii si zonarea seismica.

Categoria de risc geotehnic major a proiectului este generata de prezenta predominanta a unor pachete de pamanturi necoezive in litologia amplasamentului, precum si de nivelul ridicat al apelor subterane cantonate in cele doua acvifere. Cota orizontului freatic superior, intalnit la -4,00 m, raportata la cota finala a excavatiei, -19,35 m, impune necesitatea unei denivelari a nivelului hidrostatic de aproximativ 15,00 m.

CONCEPTUL INCINTEI CIRCULARE

In cadrul procesului de proiec­tare, au fost studiate multiple solutii de sprijinire a excavatiei, printre care se numara si ancorajele in teren, metoda top-down, dispunerea sprai­turilor orizontale, precum si alte solutii considerate ca fiind neperformante si dificil de implementat in cazul prezentei lucrari.

Solutia optima, adoptata si implementata, o repre­zinta dispunerea unor pereti mulati care sa respecte conturul geometric al structurii ce va ingloba echipamentele tunelului de vant.

Geometria structurii interioare este impartita in doua zone denumite „camera de zbor” si „camera motor”, oferind, astfel, posibilitatea de a le inscrie in interiorul a doua celule circulare, cu razele de 8,95 m, respectiv 7,50 m, fiind astfel posibila prevederea peretilor ingropati autoportanti (fig. 7).

Avantajul principal al acestor celule circulare il repre­zinta posibilitatea de a construi in interiorul unei excavatii deschise, prin evitarea aglomerarii incintei cu sprijiniri me­talice, eliminandu-se astfel necesitatea de dispunere a acestora pe intreaga suprafata a incintei.

Cele doua celule circulare vor fi constituite dintr-un perete mulat cu grosimea de 60 cm, avand cota bazei la nivelul -23,00 m. Celulele circulare vor fi intersectate printr-o zona de conectare realizata prin dispunerea unui perete mulat cu grosimea de 80 cm si cota bazei la nivelul -26,00 m. Zona de conectare, oblica raportat la axul de simetrie longitudinal al incintei, este paralela cu laturile peretilor cuvei interioare, unde pe o lungime de aproximativ 4,00 m, intreaga adancime a exca­vatiei va fi sprijinita prin intermediul a 4 (patru) orizonturi de spraituri me­talice orizontale.

Dupa realizarea peretilor mulati de contur, sub cota excavatiei din zona de conectare au fost executate barete din beton simplu, avand rol de rigidizare suplimentara a incintei si de imbunatatire a pamantului in baza peretelui mulat. Totodata, la o cota intermediara, pe adancimea excavatiei s-a realizat o grinda perimetrala din beton armat, prevazuta pentru a oferi un plus de rigiditate ansamblului incintei de spri­jin si pentru a uniformiza eventualele incarcari suplimentare provenite din eterogenitatea straturilor sau gene­rate de suprasarcinile tehnologice de la suprafata terenului.

Intrucat echipamentele din “ca­mera motor” necesita o precizie inalta a executiei si tolerante minime de montaj, pentru a evita un posibil conflict dimensional generat de procesul de executie al peretilor de incinta si dimensiunea peretilor interiori ai structurii, peretii mulati au fost distantati cu aproximativ 10,0 cm de conturul structurii interioare, distanta ce reprezinta un cumul al deviatiilor de verticalitate din executie si al deplasarilor orizontale preconizate. Din cauza tehnologiei de executie a peretilor mulati, conform standardului de executie SR EN 1538:2011 „Executia lucrarilor geotehnice speciale. Pereti mulati”, abaterea de la verticalitate de 1,0% poate reprezenta, pentru adancimea excavata, o deviere aproximativa de 19,0 cm. Astfel, abaterea maxima a peretelui mulat a fost restrictionata la 0,5%, obtinuta uzual pe proiecte similare ale Soletanche Bachy.

Pe baza tuturor particularitatilor prezentate, dimensionarea elemen­telor, precum si verificarile de rezistenta si stabilitate, au fost stabilite pentru starile limita ultime STR si GEO in cele doua grupari de calcul aferente abordarii 1 conform SR EN 1997-1:2004.

Din cauza adancimii excavatiei si a prezentei orizontului acvifer inferior sub presiune, este necesara si acordarea unei atentii deosebite verificarilor de tip UPL in ceea ce priveste structura interioara cat si verificarilor HYD in vederea protejarii fundului excavatiei impotriva ruperii vetrei prin dispunerea lucrarilor de epuismente.

In ceea ce priveste etapizarea lucrarilor de constructie, sapatura respecta o desfasurare uzuala. In cazul etapelor de construire a cuvei interioare, respectiv a coordonarii cu executia structurii din beton armat, este necesara o corelare intre etapele de demontare a spraiturilor si executia cuvei pe tronsoane prin preve­derea unor rosturi de turnare a betonului peretilor cuvei si detalierea corecta a armaturii, prin asigurarea continuitatii barelor de armatura utilizand suduri in cochilie sau cuple mecanice.

Suprasarcinile considerate in calculul initial al incintei au fost ulterior modificate pe baza implicatiilor tehnolo­gice si a sistematizarii tere­nului din jurul incintei. Limitarile echipamentelor folosite in lucrare au impus necesitatea unor verificari ri­guroase, un exemplu concret fiind repre­zentat de pozitionarea maca­ralelor, ale caror capacitati de utili­zare sunt dependente de inclinarea bratului mobil si de distanta fata de excavatie.

Evaluarea impingerii laterale a pamantului in cazul incintelor circulare

In practica ingineriei geotehnice, in cazuri uzuale, incintele circulare de sprijinire a excavatiilor adanci sunt utilizate pentru realizarea puturilor de acces pentru utilaje de tip scuturi TBM, tuneluri, bazine sau rezervoare.

Mecanismul de preluare a eforturilor generate de impingerea masivului de pamant si a apei, in cazul structurilor circulare ingropate, este de transmitere a acestora prin efectul de arc, ca si compresiune prin intermediul betonului peretilor mulati autoportanti. Grosimea pere­telui mulat este dependenta de adan­cimea excavatiei, cu efect direct asupra solicitarilor de compresiune. Totodata, grosimea peretelui mulat este determinata in functie de dimensiunea cercurilor, avand efect direct proportional asupra impingerii laterale a pamantului, transformata in efort axial. Alegerea unui diametru superior al celulei circulare se traduce prin amplificarea presiunii pamantului, eforturile tangentiale dintre particulele de pamant fiind reduse. Astfel, pentru incinte circulare cu diametru mare, distributia presiunii laterale a pamantului devine similara cu cea obtinuta in cazul calculului in stare plana de tensiune si deformatii.

Zonele circulare de perete mulat se realizeaza din panouri, dispuse tangent la cercurile care vor inscrie structura cuvei interioare (fig. 7). In vederea obtinerii unui comportament de arc in cazul peretilor dispusi circular, verticalitatea excavatiei si alinierea panourilor si a rosturilor este obligatorie si necesara, fiind obtinuta prin intermediul grinzilor de rost CWS (Continuous Water Stop), brevetate de Soletanche Bachy, utilizate ca ghidaj pentru echipamentele de sapat (fig. 9).

Abaterea de la verticalitate a doua panouri adiacente, executate deviat in directii opuse, poate genera o lipsa de continuitate a grosimii peretelui consi­derat in calcul, existand posibilitatea de a reduce grosimea finala a peretelui mulat de la dimensiunea teoretica de 60,0 cm, la aprox. 41,0 cm reali (60,0 cm – 2 x 0,5% x 19,50 m). Considerarea acestui scenariu influenteaza verificarea la compresiune a peretelui mulat, prin comparatie cu eforturile axiale calculate (fig. 8).

Zonele de rost ale panourilor adiacente sunt zone pentru care nu poate fi dispusa armatura continua, insa efectul fortei de compresiune este unul favorabil, impiedicand desfacerea rosturilor.

Pe baza literaturii tehnice de specialitate, se constata ca numerosi autori au studiat influenta pamantului asupra incintelor circulare de sprijinire a excavatiilor adanci, prin metode precum metoda elementului finit (2D si 3D), metoda echilibrului limita sau prin intermediul unor modelari centrifuge.

Testele si calibrarile modelarilor centrifuge si comparatia cu modelele utilizate in analiza efectuata prin metoda elementului finit releva ca eva­luarea presiunii la­terale a pamantului bazata pe metode uzu­ale de calcul (exemplu teoria Rankine) ofera valori supraestimate.

Aceasta evaluare, obtinuta in urma studiilor parame­trice, indica efectul de arc dintre particulele pamantului ca fiind predominant dependent de unghiul de frecare interna al pamantului si de diametrul celulei circulare.

Determinarea valorilor reale ale presiunii din impingerea pamantului pentru intreaga incinta, precum si studierea comportamentului acesteia, sunt esentiale atat pentru dimen­sionarea economica a structurii de sprijin, cat si pentru proiectarea judici­oasa a excavatiei adanci din punct de vedere al riscului geotehnic major, implicatiile asupra succesului proiectului fiind insemnate (fig. 11).

STUDIUL SOLUTIEI ADOPTATE

Dimensionarea sistemului de sprijinire a excavatiei a fost stabilita pe baza modelarii numerice, utilizand metoda elementului finit, prin programul de calcul dedicat aplicatiilor geotehnice, Plaxis 2D (fig. 12, 13). S-a rea­lizat analiza de tip bidimensional in stare plana de tensiune si deformatii, precum si analiza axisimetrica, pentru evaluarea precisa a eforturilor si deformatiilor generate de geometria deosebita a excavatiei.

Modelul axisimetric este utilizat in cazul structurilor circulare, cu sectiuni uniforme si incarcari distribuite in jurul axei centrale de rotatie. Premisele de baza sunt starea identica de tensiune si de deformatii in orice directie radiala si uniformitatea litologiei. Utilizarea acestui tip de analiza consta in definirea unui model bazat pe elemente finite, cu doua grade de libertate translationale atribuite fiecarui nod.

In ceea ce priveste parametrii de calcul utilizati, aferenti modelelor constitutive ale pamantului Mohr-Coulomb si Hardening Soil, acestia au fost determinati pe baza studiului geotehnic disponibil realizat pe am­plasamentul studiat, precum si prin intermediul datelor disponibile pentru stratificatii similare din Bucuresti, din literatura de specialitate sau pe baza unor criterii empirice. Ana­lizele utilizand cele doua modele au fost efectuate pentru obtinerea unui stu­diu comparativ amanuntit.

Calculul numeric, bazat pe metoda elementului finit, permite simularea atat a etapelor relevante ale exca­vatiei, cat si a rigiditatii elementelor de sprijinire, precum si posibilitatea de includere in model a lucrarilor de construie a structurii interioare.

In vederea mentinerii unui grad de siguranta sporit proiectarii, a fost studiata influenta aspectelor favorabile (grinda de solidarizare mentionata anterior, sistematizarea pamantului la nivelul terenului etc.), insa, in mod conservativ, aceste aspecte nu au fost considerate in calculul de dimensionare.

Intrucat analiza bidimensionala nu poate surprinde totalitatea efec­telor ce pot surveni fiecarei etape de executie, au fost studiate si modele tridimensionale ale incintei prin intermediul aplicatiilor dedicate de calcul (fig. 15).

Suplimentar, incinta de sprijin a fost studiata si cu unele programe uzuale de calcul structural, prin aplicarea manuala a suprasarcinilor externe pe peretele modelat. Desi calculul structural nu ofera o imagine fidela a comportamentului incintei dintr-o serie de motive precum lipsa unor elemente de interfata, lipsa posibi­litatii de definire a modelelor constitutive ale pamantului sau lipsa unor conditii realiste de incastrare, acestea ofera, totusi, o imagine de ansamblu a comportamentului global al incintei (fig. 16). Studiul confirma comportamentul preconizat prin utilizarea programelor de calcul geo­tehnic si ofera un plus de incredere proiectarii.

Un aspect notabil, relevat de studiul tridimensional, il reprezinta impingerea pamantului din zona de conectare a peretilor circulari, influentata de diametrele celulelor, actionand in mod diferit in zona de descarcare a fortelor de compresiune.

Forma de celula duala, conectata printr-o zona de secantare, prezinta doua dezavatanje din cauza geometriei. Pe zona de secantare, dispunerea peretilor mulati paralel cu peretii structurii interioare genereaza unghiuri diferite de descompunere a fortelor de impingere a pamantului, transmise ca forte de compresiune prin betonul peretelui mulat circular. Desi diferenta dintre cele doua diametre nu este semnificativa, impreuna cu geometria structurii de sprijin, forta de impingere pe zona de conectare se traduce printr-un efect global de torsiune al intregii structuri, dovedit si prin masuratorile prevazute in cadrul programului de monitorizare (fig. 17).

(Va urma)

Autori:
drd. ing. Cristian RADU,
ing. Árpád SZERZO,
ing. Cristinel BATRINU,
ing. Alexandru MAGUREANU,
ing. Jean-Michel JEANTY – SBR Soletanche Bachy Fundatii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 127 – iulie 2016, pag. 12