SOLETANCHE BACHY FUNDATII: Metode moderne de realizare a excavatiilor adanci in zone urbane

Aglomerarea centrelor urbane din ultimele decenii a condus la cresterea numarului constructi­ilor comerciale, rezidentiale si industriale preavazute cu multiple subsoluri. In ultimii ani, pe masura ce proiectele de excavatii adanci au inregistrat o crestere a numarului lor si a adancimii de excavare, au fost dezvoltate si aplicate o serie de metode inovatoare de excavatii pentru cladiri. Aceste noi metode pot aduce unele bene­ficii atat din punct de vedere al reducerii costurilor si timpilor de executie, cat si din punct de vedere al im­pactului asupra mediului. In cadrul etapelor de proiectare a unei incinte de excavatii adanci, alegerea siste­mului adecvat de sprijinire temporara este una dintre cele mai importante decizii ingineresti.

Prezentul articol trateaza alegerea solutiei de sprijinire folosite din ce in ce mai des pe piata romaneasca, si anume excavarea zonei din mijlocul unei incinte, formarea unor contrabanchete in apropierea structurii perimetrale de sustine­re (pereti mulati, pereti de piloti, sprijinire berlineza, palplanse etc.), numite, in continuare, generic, peretii incintei, construirea partiala a structurii de rezistenta in zona centrala si sprijinirea temporara a peretilor in­cintei de miezul de structura.

In acest articol sunt descrise cateva dintre metodele existente pentru executia ex­cavatiilor in zona urbana, cu accent asupra metodei insulei, la care se prezinta si un studiu de caz pe o lucrare recenta din Romania.

Preturile ridicate ale terenurilor din centrele oraselor au determinat preocuparea investitorilor de a le folosi la maximum, prin executia constructiilor pana la limita de proprietate si prin realizarea de spatii de parcare subterane, adesea prevazute si de autoritati. Pe de alta parte, constrangerile legate de pro­tectia mediului devin tot mai stricte, necesitand santiere tot mai compacte, reducerea nivelului de zgomot, asigurarea continuitatii traficului, evitarea producerii de pagube si disconfort proprietarilor imobilelor vecine.

Tehnologia de executie pentru marea majoritate a statiilor de metrou si a celorlalte obiective de constructii subterane conexe (dispecerat, depouri) a fost aceea a realizarii acestora in incinte asecate, protejate de pereti de sustinere [1].

Avand la baza tehnologiile de foraj, noroiul cu caracter tixotropic, constructorii au executat sapa­rea unor transee cu diferite adancimi, in straturi de teren in care nu au folosit sisteme de sprijiniri clasice, acestea fiind inlocuite de noroiul de foraj iar in santurile create in urma excavarii s-au construit pereti din beton turnat prin palnii [1].

Volumul deosebit de mare al lucrarilor de etansare in straturile de materiale aluvionare a impus, de asemenea, conceperea unor noi sisteme constructive, mult mai productive, dar totodata si mai economi­ce decat cele folosite pana in jurul anului 1950.

Metodele clasice de etansare se bazau in exclusivitate pe folosirea peretilor din palplanse metali­ce, sau uneori chiar din beton armat, pereti realizati prin forarea pilotilor joantivi sau secanti, sau perdele (voaluri de injectii) executate prin procedeul de forare si injectare a stratului permeabil cu di­ferite suspensii, introduse uneori numai cu scop de etansare sau cu scop de etansare si consolidare a terenului.

Avantajele remarcabile pe care le prezinta peretii ingropati in sapaturi adanci la diverse lucrari de fundatii pentru lucrari hidrotehnice, de poduri, portuare etc., au condus la o larga aplicare in ma­joritatea tarilor avansate [2].

Primii pereti turnati au fost executati in anul 1945, in S.U.A., langa fluviul Missisippi. Bazele metodei au fost puse de J. W. Black, care a realizat intr-un sant de 1,2 m latime (sub protectia noroiului
bentonitic) pe o adancime de 6 m (cu ajutorul unui excavator), un perete mulat din argila [3].

In Los Angeles (California), A.D. Rhodes a executat, intr-o transee cu lungime de mai multi kilo­metri si o adancime de 15 m, un perete mulat folosit pentru protectia impotriva patrunderii apelor din Oceanul Pacific in campurile petroliere. In vederea asigurarii unor impermeabilizari, transeea cu o latime de 0,8 m a fost umpluta cu argila.

In Franta, in jurul anilor 1950, incepe utilizarea acestui nou procedeu (de realizare a peretilor mu­lati) de catre compania Soletanche, care a executat pana in prezent peste 1,5 milioane m2 la diver­sele lucrari publice, portuare, hidrotehnice [4].

In tara noastra, tehnologia de perete ingropat a fost introdusa, incepand din anul 1965, prin procedeul ELSE, cu ocazia executiei ecranelor de etansare de la Rovinari. Pe langa acest procedeu, care se aplica deja de zeci de ani, au mai fost introduse in Romania la vremea respectiva si alte procedee si anume cele ale firmei Soletanche, prin importul, in 1973, a unor noi instalatii de tip C.I.S. si Kelly [5].

Dezvoltarea peretilor mulati a fost incurajata de competitia dintre companiile specializate la nivel mondial incepand cu jumatatea anilor 1960 [6]. Aceste companii, Icos in Europa si SUA, Soletanche si Bachy in Franta, Trevasani si Rodio in Italia, Cementation in Regatul Unit si-au dezvoltat ulterior propriile sisteme de sprijinire a excavatiilor.

METODE DE EXCAVARE

Constructiile subterane sunt o parte integranta a infrastructurii societatii moderne, avand o larga uti­lizare in domenii precum: transporturile (tunele de metrou si cai ferate, tunele rutiere), parcari subte­rane, depozite si rezervoare subterane, alimentari cu apa si canalizari, amenajari hidroenergetice.

Lucrarile de excavatii adanci sau de structuri subterane cu diferite functiuni presupun executia de sisteme de sprijin al pamantului ce delimiteaza excavatia adesea foarte aproape de constructiile invecinate, uneori chiar pana la limita de proprietate si frecvent sub nivelul apei subterane.

Conform NP 120-2014 „Normativ privind cerintele de proiectare si executie a excavatiilor adanci in zone urbane”, excavatia adanca este definita ca fiind cea cu adancime mai mare de 3 m masurata de la suprafata terenului, situata in localitati urbane. De asemenea, sunt considerate incinte adanci si excavatiile care au numai partial excavatii mai mari de 3 m.

Adeseori, forma excavatiei este impusa de spatiul disponibil pe care urmeaza sa se construiasca viitoarea structura (fig. 1).

Un contur neregulat si cu dimensiuni mari in plan ale excavatiei sporeste complexitatea sistemului de sprijiniri. Pe masura cresterii adancimii excavatiei, cresc nu numai dificultatile de executie a lucrarii, ci si riscurile pentru lucrarea in sine si pentru stabilitatea si integritatea constructiilor si retelelor subterane aflate in vecinatate [7].

Toate aceste particularitati, in cazul unei excavatii adanci, reprezinta surse de risc care pot antrena consecinte nefavorabile, fie asupra constructiilor si utilitatilor din vecinatatea amplasamentului, fie asupra diferitelor lucrari ce concura la realizarea excavatiei, prin conditii restrictive privind deformatiile, prin crearea de suprasarcini.

Prin metoda de constructie traditionala, executia suprastructurii incepe doar dupa terminarea structurii subterane. Excavatiile adanci si constructiile de subsoluri adanci presupun construirea de pereti de sustinere, executarea excavatiilor adanci, instalarea sprijinirilor (ex. spraituri, ancore), reali­zarea fundatiilor si a planseelor.

Avand in vedere marea varietate de metode de executie a excavatiilor adanci si a sistemelor de sprijinire laterale, pentru a se putea apropia de o proiectare cat mai adecvata, trebuie luate in consi­derare combinatii intre conditiile geologice locale, conditiile de mediu, perioada acceptabila de reali­zare a constructiei, bugetul si echipamentele de constructie disponibile, existenta excavatiilor adia­cente, conditiile impuse de cladirile invecinate, tipul de fundatii al acestora. Toate aceste aspecte vor fi cuprinse intr-un plan global de realizare a proiectului.

Pentru alegerea metodei de excavatie adecvata sunt necesare informatii fiabile si obiective, care permit comparatia intre eventualele compromisuri pe care le presupune fiecare metoda, urmand ca, in final, sa fie adoptata o decizie pertinenta.

Totusi, din cauza ca aceste metode au o istorie relativ scurta si un numar de aplicari redus, de multe ori beneficiarii sau constructorii iau decizii bazate pe preferinte personale, fiind alese solutii aplicate in prealabil, chiar daca metodele inovatoare prezinta unele beneficii im­portante din punct de vedere tehnic si economic.

Printre cele mai importante metode de realizare a excavatiilor adanci se pot enumera: „full open-cut, „bottom-up” (sau „up-down”), „top-down” si „island”.

Metoda full open-cut

Aceasta metoda se aplica in situatiile in care amplasamentul are suficient spatiu pentru a executa taluzurile, situatie intalnita relativ rar in aglomerarile urbane. Solutia presupune asigurarea stabilitatii taluzului realizat pentru excavare, prin evaluarea rezistentei la forfecare a pamantului si identificarea nivelului apei subterane.

In functie de spatiul disponibil si de natura terenului, exista doua optiuni prin care se poate realiza excavatia: excavare in taluz (fig. 2a) si excavare cu pereti de sustinere incastrati (fig. 2b).

Metoda bottom-up/up-down

Aceasta metoda face parte din categoria excavatiilor sprijinite. Sprijinirea peretilor excavatiei se face prin instalarea unor elemente metalice cu o rigiditate mare (spraituri, fig. 3a) sau prin ancoraje (fig. 3b).

Desi spraiturile orizontale pot crea dificultati in realizarea structurii subterane a unei excavatii adanci, din cauza aglomerarii incintei cu elemente metalice orizontale, inclinate sau verticale (de multe ori o combinatie intre ele), aceasta metoda este cea mai uzuala si se poate aplica la aproape orice tip de excavatie, indiferent de adancime sau latime.

Metoda top-down

In aceasta metoda sprijinirea peretilor de sustinere se face cu planseele structurii fi­nale, care se executa progresiv, incepand, de obicei, cu planseul de la parter in jos, pe masura excavarii pamantului de la nivelul curent si a evacuarii lui prin golurile tehnologice lasate in zona centrala a structurii. Pe perioada excavatiilor planseele sunt sustinute de elemente metalice dispuse in elemente de fundare de adancime (piloti sau barete). La finalizarea excavatiilor se executa radierul general. Metoda are avantajul ca nu sunt necesare elemente de sprijin temporar al peretilor de sustinere, insa viteza de excavatie este relativ redusa (fig. 4).

Metoda Island

Aceasta metoda se poate aplica cu rezultate bune atunci cand suprafata pe care se executa viitoa­rea excavatie este suficient de mare, astfel incat sa poata fi desfasurata si constructia structurii subte­rane (fig. 5).

In prima etapa se excaveaza partea centrala a amplasamentului, urmand sa fie lasata o berma perimetrala de pamant langa peretii de sustinere pentru a fi formate taluzuri. In faza urmatoare se con­struieste, in partea centrala, structura principala sau numai zona centrala a radierului.

Se trece, apoi, la excavarea taluzurilor de pamant si montarea spraiturilor intre peretii de sustinere si structura principala (orizontale cu incastrare in structura sau inclinate cu incastrare in radier); dupa aceea se inlatura berma de pamant, se completeaza radierul, se demonteaza spraiturile si se continua construirea structurii in zonele perimetrale.

Variantele de realizare a unei astfel de structuri sunt numeroase:

• structura in zona centrala poate fi alcatuita doar din radier, sau poate fi formata din unul sau
  mai multe subsoluri, cu structura de rezistenta construita integral in partea centrala;
• elementele de sprijin pot fi metalice sau din beton armat, temporare sau permanente, inclinate
  sau orizontale;
• contrabancheta poate fi executata la un unghi mai mic decat cel stabil al pamantului (taluz natural) sau poate fi ranforsata, de exemplu, prin torcretare si tinte.

STUDIU DE CAZ

Metoda de excavare „Island” s-a folosit cu succes la proiectarea si executia obiectivului „The Office” din Cluj Napoca, o cladire de birouri clasa A+, cu un regim de inaltime 2S+P+6E. Amplasamen­tul este pozitionat relativ in zona centrala a municipiului Cluj Napoca, in apropierea Raului Somes.

Din punct de vedere geologic, amplasamentul prezinta o stratificatie neuniforma, fiind format din umpluturi pana la cota de -3,00 m fata de cota terenului natural, urmate de pietrisuri si nisipuri care se gasesc pana la cote variabile (intre -12,00…-22,00 m), iar urmatorul strat constituie orizontul coeziv, alcatuit preponderent din argile marnoase.

Realizarea incintei a presupus o excavatie pana la cota finala de -9,00 m, in conditiile in care nive­lul apei subterane se afla la adancimea de cca. -3,00 m.

Sistemul de sustinere a excavatiei adanci a constat in construirea unei incinte etanse din pereti mu­lati (60 cm grosime) cu caracter definitiv, sprijinita cu unul sau doua randuri de reazeme orizontale definitive, in functie de posibilitatile de taluzare exterioara (grinzi metalice, respectiv plansee din be­ton armat), care au constituit parte din structura de rezistenta a subsolurilor.

Pentru montarea grinzilor si a planseelor s-a impus realizarea unei sapaturi etapizate, prin consti­tuirea unor berme intermediare si a unor taluzuri interioare, stabilizate cu tinte si torcret, cu rol de sustinere temporara a peretilor mulati, pana la montarea grinzilor orizontale (fig. 6).

O conditie fundamentala pentru a putea executa sprijinirile cu aceasta metoda este ca taluzurile inte­rioare (contrabanchetele) sa aiba stabilitate si rigiditate suficient de mari, pentru a putea prelua incarcarile provenite din impingerea pamantului si a apei subterane, in special in etapele excavatiilor taluzate (fig. 7, 8, 9).

Pe tot parcursul executiei structurii, s-au efectuat masuratori inclinometrice pe baza unui program de monitorizare a incintei (fig. 10).

Figura 9 prezinta evolutia deplasarilor peretelui mulat pentru etapa intermediara a sustinerii cu contrabancheta de pamant. Aceasta se refera la o zona sprijinita cu doua niveluri de sprijiniri (nivelul superior: grinzi metalice, nivelul inferior: planseu din beton armat), unde evolutia deplasarilor se in­cadreaza in limite normale, valorile acestora crescand usor, concomitent cu evolutia etapelor de exe­cutie.

Deplasarea maxima inregistrata a fost in jurul valorii de 17 mm, o valoare obisnuita pentru ase­menea lucrari si compatibila cu tolerantele si cerintele structurii de rezistenta.

CONCLUZII

In cadrul metodei de excavare Island, exista o serie de puncte sensibile, in ceea ce priveste pro­iectarea, dar si construirea, monitorizarea si exploatarea sistemelor de sustinere.

Doua aspecte importante, care dimensioneaza sistemul, sunt stabilitatea taluzului in sine (evitarea alunecarilor de teren), respectiv asigurarea rezistentei peretelui de sustinere, la care se adauga limita­rea deplasarilor si implicit, a deformatiilor terenului. In acest scop, in functie de particularitatile proiectului, se poate opta pentru solutia cu taluz natu­ral, in special in cazul pamanturilor coezive cu consistenta ridicata, sau a celor necoezive in stare indesata, sau protejate / stabilizate prin diverse metode. In mod uzual, protejarea se face prin torcretarea taluzului, iar stabilizarea, printr-un sistem de ancore pasive, sub forma de tinte.

Cel de-al doilea aspect il reprezinta importanta unei monitorizari eficiente. Prin precizarea nor­mativului NP120-2014 „Normativ privind cerintele de proiectare si executie a excavatiilor adanci in zone urbane”, monitorizarea excavatiilor adanci este obligatorie si se materializeaza cel putin printr-un program de urmarire inclinometrica, putand fi completat de alte forme de urmarire prin care se monitorizeaza eforturi si deformatii in structura de sprijin sau din pamant. In completarea monitori­zarii incintei, pe toata perioada lucrarilor subterane, se monitorizeaza si comportamentul constructiilor vecine.

Aceasta urmarire este foarte utila pentru corelarea evolutiei deplasarilor peretelui cu fazele de executie si prevenirea unor accidente sau avarii ale incintei sau ale constructiilor vecine, dar, in ace­lasi timp, ofera si informatii asupra modului de realizare a structurii subsolurilor.

In concluzie, folosirea elementelor orizontale ale structurii de rezistenta ca sprijiniri ale peretilor de sustinere a unei incinte de excavatii adanci poate fi o solutie eficienta prin prisma eficientizarii consumului de materiale (eliminarea sprijinirilor temporare), in conditiile asigurarii unui nivel de si­guranta ridicat. Totusi, gradul de complexitate al proiectarii, executiei si coordonarii cu realizarea subsolurilor necesita o abordare prudenta si o atentie sporita in privinta aspectelor specifice ale aces­tei metode.

BIBLIOGRAFIE

1. Paunescu M., Vita L, Prioteasa C. Pereti mulati si barele. Editura Tehnica, Bucuresti, 1983;
2. Caron C., Perrenite de systeme argile-ciment ou bentonite-ciment. Construction 10, 291-296 (1972);
3. Hajnal I, Marton I, Regele Z, Résfalak építése. Budapest, 1978;
4. Bonaufous P., Analyse des ecrans de ssoutenement Calcul clasique et calcul elastoplastique. Construction, 78-82, (1976).
5. Seibulescu C., Folosirea in R.S.R. a peretilor de beton turnati in sol pentru executia ecranelor de etansare si a fundatiilor hidrotehnice. A III-a Conferinta de Geotehnica si Fundatii 1975, 503-512;
6. Puller M., Deep excavations: A Practical Manual. Thomas Telford Ltd., London, 1996;
7. *** Normativ privind cerintele de proiectare, executie si monitorizare a excavatiilor adanci in zone urbane. NP 120-2014;
8. Hulpus T. A., Contributii privind calculul structurilor de sustinere a excavatiilor adanci. Teza de doctorat, Universitatea Tehnica din Cluj Napoca, Cluj Napoca, 2011.

Autori:
ing. Trifan-Alexandru Hulpus,
ing. Arpad Szerzo,
ing. Lorand Sata – SC SBR Soletanche Bachy Fundatii SRL 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 143 – decembrie 2017, pag. 24