Кессоны и кессонные работы

Определение "Кессоны и кессонные работы" в словаре Брокгауза и Ефрона

Кессоны и кессонные работы — Прежде это название (франц. Caisson) применялось к открытым сверху, плавучим ящикам, в которых возводится каменная кладка, так что ящик постепенно погружается и наконец садится на дно, причем кладку можно продолжать, как на суше (см. Понтонный ящик). В настоящее время строительная практика под словом К. понимает только сверху закрытый ящик, из которого, после погружения его на дно, вода вытесняется сгущенным воздухом, так что рабочие могут в нем свободно двигаться. Подкапывая дно под краями ящика, они постепенно его углубляют до достижения твердого слоя, который может служить надежной подошвой для сооружения. Такой способ устройства оснований называется вообще пневматическим. Способ этот испытан был в первый раз в 1839 г. французским инженером Триже (Triger) при заложении каменноугольной шахты в водоносном слое в Шалонских копях близ реки Луары и затем применен был в 1850 г. в Англии инженером Юзом (Hughes) для устройства оснований Рочестерского моста через реку Мидвей. Быки этого моста выведены были на чугунных колоннах, 2,15 м в диаметре, наполненных бетоном. Для возможности производства работ в колонне, внутреннее пространство ее с помощью воздуходувных машин наполнено было сгущенным воздухом, который вытеснил из нее воду через нижнее, открытое отверстие. Над колонной установлены были две камеры — воздушные шлюзы, которые сообщались посредством плотно закрываемых дверец как с наружным воздухом, так и с рабочим пространством в колонне. Рабочие входили в шлюзную камеру через наружную дверь и, закрыв ее за собой, при помощи крана сообщали камеру со сгущенным воздухом в рабочем пространстве колонны. После полного уравнения давлений можно было открыть дверь, ведущую из шлюзной камеры внутрь колоны, и спуститься вниз. Подобным же образом, только в обратном порядке, совершался выпуск рабочих, причем раньше, чем открыть дверь, ведущую из шлюза наружу, выпускали из него с помощью крана сжатый воздух. Через эти же шлюзы выносился извлекаемый со дна грунт и вводились материалы для заполнения колонн бетоном. Этим способом подошва оснований моста опущена была на глубину 18 м. Когда оказалось, что сжатый воздух дает возможность работать с успехом и беспрерывно как на больших, так и на малых глубинах, независимо от разных препятствий, как наступление паводков и проч., способ этот начал входить во всеобщее употребление при сооружении мостов. Наступившая после этого эпоха постройки больших железнодорожных линий вызвала быстрое усовершенствование пневматического способа устройства оснований. На фиг. 1 представлен разрез быка моста С.-Петербурго-Варшавской дороги через Неман, у города Ковно, построенного инженером Сезанном (C é zanne 1859 г.), по образцу построенного им же раньше Чегединского моста через реку Тейссу.

Фиг. 1. Устройство оснований моста через Неман, у Ковно (1859 г.).

Бык состоит из пары чугунных колонн (на разрезе видна одна колонна), шириной вверху 3,22 м, а внизу 3,50 м. Колонна составлена из отдельных, сболченных между собой чугунных звеньев. Нижняя часть колонны отделена потолком от остальной части, и от образованной таким образом камеры проведены две опускные или шахтные трубы к установленному наверху колоколу с воздушными шлюзами. Части колонн кругом шахт, над потолком рабочей камеры, оставались сверху открытыми и наполнены были водой для погружения колонн на дно. По мере опускания наращивались новые звенья колонн и удлинялись шахты, в верху которых снова надставлялся колокол со шлюзами. Работы эти производились с постоянных подмостей. Грунт подымался через шахтные трубы бадьями, с помощью рукоятки и зубчатых колес, установленных внутри колокола, причем одновременно одна бадья подымалась, а другая опускалась. После погружения колонн до потребной глубины рабочая камера заполнена была бетоном, который образовал достаточно прочный слой для противодействия напору воды снизу. После того откачали воду из верхних частей колонн, сняли шахтные трубы и потолок рабочей камеры и заполнили бетоном также все остальное пространство внутри колонн. Заполняемые бетоном трубчатые опоры, опущенные пневматическим способом, составляют переходную ступень к кессонным основаниям в современном виде, в которых К. небольшой высоты поддерживает столб каменной кладки, образующий опору моста. Верхняя часть колонны в них заменена металлической обшивкой небольшой толщины, а иногда опора оставляется без всякой обшивки, так как весь груз поддерживается кладкой. В некоторых же случаях, для еще большого сбережения металла, делают и самый К., т. е. рабочую камеру, из каменной кладки, в виде свода из клинкерного кирпича, употребляя металл лишь на шахты и шлюзы, которые притом по окончании работ снимаются и годятся для дальнейшего употребления. В Америке с успехом применены были также и деревянные К. Металлический К., наиболее употребительный, состоит из нижней рабочей камеры, обыкновенно из котельного железа, соединенной с помощью вертикальных труб (шахт) со шлюзными камерами (фиг. 2).

Фиг. 2. Кессонное основание моста через Эльбу, у Стендаля (1868 г.).

Иногда одна и та же шахта служит как для спуска рабочих в камеру, так и для подъема грунта, иногда же устраиваются отдельные шахты для входа и выхода рабочих (средняя шахта на фиг. 2) и для выемки грунта (обе крайние шахты на том же фиг.). В стенки шлюза вделаны краны, на которые с наружной стороны шлюза надевается резиновая трубка от воздуходувной машины для нагнетания воздуха в рабочую камеру. Наружное очертание рабочей камеры соответствует предполагаемому очертанию опоры. Она бывает овальная, прямоугольная или многоугольная. Высота рабочей камеры была: в К. моста через Дунай в Пеште — 2 м, в новейших К. во Франции — 2,2 м, через Эльбу у Стендаля — 2,6м, через Миссисипи у Сент-Луиса — 2,75 м, через Ист-Ривер в Нью-Йорке (деревянные К.) — 2,9 м. Потолок камеры должен быть устроен весьма прочно, так как во время погружения К. он поддерживает весь массив каменной надстройки. Поэтому он составляется из ряда поперечных и продольных балок двутаврового сечения, между которыми выводятся сводики из кирпича. Снизу потолок обшивается котельным железом, в нем оставляются отверстия для шахтных труб круглого или эллиптического сечения. Во избежание выпучивания боковых стенок рабочей камеры, под каждой поперечиной потолка помещается ряд консолей или кронштейнов из листов котельного железа. Кронштейны эти прикрепляются как к потолку, так и к стенкам камеры. Вместе с тем они служат теми ребрами, к которым прикрепляются снаружи железные листы, составляющие стенки камеры. Консоли связаны между собой в двух или трех местах по высоте легкими балочками. Иногда промежутки между кронштейнами заполняются кирпичной кладкой (фиг. 3.).

Фиг. 3. Тип кессонов баварских мостов.

Нож камеры, т. е. нижнее ребро К., устраивается настолько прочно, чтобы он не мог повреждаться, если при погружении в грунт К. попадет на камень или другое твердое тело. Нож усиливается обыкновенно железным угольником и двумя или более узкими полосами котельного железа. Стенки рабочей камеры усиливаются угольниками также в нескольких других местах по высоте (фиг. 2 и 3). Допускаемое напряжение котельного железа в К., при обыкновенных условиях, принимается до 1500 кг на кв. см. Вес кессона (в кг) можно при предварительных расчетах принять в 280А +130 В, где А — обвод (в метрах), B — площадь камеры (в кв. м). При устройстве рабочей камеры из каменной кладки, нож К. делается металлическим, причем поверх его располагается металлическое плоское кольцо, служащее основанием для каменной кладки камеры, а в вершине свода заделывается металлический потолок, от которого идут вверх шахтные трубы (мосты через Одер в Штеттине и через Эльбу у Лауенбурга, Марманский виадук на разливе Гаронны, путепровод на Бессарабской ветви Юго-Западных железных дорог). Гигантский пример К. с деревянной рабочей камерой представляет сооружение моста через Ист-Ривер в Нью-Йорке, где для береговых устоев построены были два деревянных К. с площадью основания 1594 и 1632 кв. м. Для предотвращения пожарной опасности, стены и потолок второго, позже построенного К. обшиты были внутри котельным железом. Воздушные шлюзы составляют весьма существенную принадлежность К., от рационального устройства и исправного действия которых зависит успешность работ, а иногда и безопасность занятых в К. рабочих. Для избежания устройства шахтных труб, шлюзы иногда помещаются в самой камере К., непосредственно под потолком. Это расположение представляет большие удобства для удаления выкапываемого в К. грунта, но при этом шлюзы легко могут быть повреждены при случающихся внезапных осадках К., и потому расположение шлюзов внутри рабочей камеры небезопасно. При помещении шлюзов вне рабочей камеры над самим потолком необходимо оставить для них место в кладке. Возвышение шлюзов над поверхностью воды требует устройства шахтных труб, которые приходится наращивать по мере опускания К. и при этом снимать и переставлять шлюзы. Кроме того, это значительно затрудняет вынимание грунта, а также спуск и выход рабочих. Зато расположение шлюзов над горизонтом воды наиболее безопасно, а потому это расположение чаще всего применяется. Шлюзы бывают однокамерные, двух- и трехкамерные. Первые употребляются лишь тогда, когда они назначаются исключительно для передвижения рабочих, причем выемка грунта производится через другие трубы. Если производить выноску грунта через ту же трубу, по которой передвигается рабочий, то для возможности беспрерывного вынимания грунта необходимо дать шлюзу такие размеры, чтобы в нем можно было складывать некоторое количество грунта, который временами выбрасывают наружу, закрыв на это время сообщение шлюза с шахтной трубой. При этом вытаскивание грунта на некоторое время прерывается. После каждого выбрасывания грунта необходимо снова нагнетать в шлюз сжатый воздух (мост через Оку на Ряжско-Вяземской железной дороге). В двух камерных шлюзах при выбрасывании грунта из одной камеры подъем его во вторую камеру не прекращается (Ковровский мост через Клязьму на Нижегородской железной дороге). Трехкамерный шлюз имеет то преимущество, что вынимание грунта производится непрерывно; пока опоражнивается одна боковая камера, вынимаемый грунт складывается во вторую боковую камеру (мосты через Днепр у Кременчуга, Литейный мост через Неву). На фиг. 4 и 5 представлен трехкамерный шлюз системы Гертнера.

Фиг. 4. Трехкамерный шлюз системы Гертнера. Вертикальный разрез.

Фиг. 5. Трехкамерный шлюз системы Гертнера. План.

Средняя камера B служит для входа и выхода рабочих, а две боковые C, не сообщающиеся с камерою B, — для подъемки и складывания грунта. Главная камера A находится в постоянном сообщении с шахтной трубой, а следовательно, и с рабочей камерой. Подъем грунта производится с помощью помещенной в шахтной трубе нории, причем содержимое черпаков вываливается в лоток d, который можно передвигать с помощью рукоятки так, что грунтом наполняется попеременно то правая, то левая боковая камера. Для вываливания грунта из камеры открывают на дне ее клапан p, которым можно управлять извне. Рабочие могут спускаться в шахту через люк b в дне камеры B, не препятствуя подъемке грунта. Кроме того, эта камера имеет две двери, из которых одна наружная, а другая служит для сообщения с главной камерой шлюза A. Через такой шлюз можно вынуть из К. до 40 куб. м грунта в сутки. Существенную принадлежность шлюзов составляют затворные двери и краны. Для открывания и закрывания их устроены особые механизмы. Кранами управляет рабочий, помещающийся в шлюзе (крановщик). Одним из этих кранов шлюз сообщается с наружным воздухом и, после закрытия двери, ведущей из рабочей камеры в шлюз, пользуются этим краном для выпуска сжатого воздуха из шлюза. Второй кран соединяет шлюз с воздуходувной машиной и служит для наполнения шлюза сжатым воздухом после входа рабочих в шлюз и затвора наружной двери. Шахтные трубы делаются круглого или овального сечения, причем под шлюз помещается одна широкая труба или две трубы малого диаметра. Если грунт добывается нориями, то размеры шахтных труб бывают довольно значительны, в зависимости от диаметра шкивов и размера черпаков. Воздухопроводные трубы бывают медные или чугунные. Ввиду того, что К. постоянно опускается, а воздуходувная машина часто помещается на барках, металлический воздухопровод соединяется с К. и с воздушным резервуаром машины каучуковыми трубами со спиральной проволокой внутри. Трубка, соединенная со шлюзом, снабжена открывающимся внутрь клапаном, так что воздух, которым наполнен К., не может выйти обратно при повреждении воздуходувных труб и машины. Вообще необходимо принимать всевозможные меры, чтобы давление воздуха внутри К. не могло опуститься ниже определенного предела, так как в таком случае рабочая камера может быть моментально затоплена, причем погибают находящиеся в ней рабочие. Вынимание грунта производится иногда с помощью нории в открытой трубе, опущенной нижним концом в вырытую в рабочей камере яму, так что труба всегда наполнена водой и сжатый воздух не имеет к ней доступа (Кельнский мост через Рейн). Неудобство этого способа состоит в том, что при разрыве нории приходится исправлять ее с помощью водолаза, прекращая работы на значительное время. Поэтому обыкновенно предпочитают шлюзовать грунт, устанавливая норию в шахтной трубе (Аржантейльский мост через Сену, мост через Днепр у Кременчуга), или вынимая грунт ведрами, поднимаемыми рабочими с помощью лебедки, установленной внутри шлюза (мосты через Оку на Ряжско-Вяземской железной дороге, через Клязьму у Коврова на Нижегородской железной дороге), или мешками (мост через Волгу у Сызрани). Сыпучий и жидкий грунты можно также удалять из К. механически, действием сжатого воздуха, при помощи песочного насоса. Он состоит из заложенной в кладке вертикально газовой трубки (диаметром 4—9 см), верхний конец которой выведен наружу и загнут вниз, чтобы сыплющийся из него песок мог быть спущен в воду или в подставленный сосуд. В рабочей камере трубка оканчивается краном, не доходя на 0,5 м до дна. Для удаления грунта открывают кран, и тогда сжатый воздух, устремляясь в трубу, увлекает с собой подбрасываемый лопатами песок, а иногда под трубкой подставляется воронка, в которую сыплют песок (мост через Ист-Ривер у Нью-Йорка). Для этой же цели в некоторых случаях употребляют струйные насосы, в которых размельченный грунт увлекается быстрым током водяной струи под действием высокого давления (мост через Миссисипи у Сент-Луиса). Спуск К. на воду при небольшой глубине, до 4 м, производится с постоянных подмостей (фиг. 6), при более же значительной глубине устанавливают К. на барже или на плашкоуте, судно затопляют посредством нагрузки его камнями и всплывший К. подводят между двумя баржами к назначенному для погружения его месту.

Фиг. 6. Погружение кессона в грунт.

Иногда же для спуска К. пользуются плавучими подмостями (набережные Антверпенского порта) или понтонами (Тейский мост в Шотландии). Во всех этих случаях движение К. направляется цепями, с помощью которых он подвешен к постоянным или плавучим подмостям. После спуска К. на воду начинают возводить над потолком его каменную кладку, и по мере ее возвышения К. опускается, причем движение его направляется все время поддерживающими его цепями. Достигнув дна, К., вместе с находящейся на потолке его кладкой, оседает на более или менее значительную глубину. Заблаговременно устанавливают на шахтных трубах шлюзы и соединяют воздухопровод с воздуходувной машиной, которая может быть установлена или на берегу, или на судне, поставленном на якорях возле кессонных подмостей, и немедленно приступают к накачиванию воздуха (фиг. 7).

Фиг. 7. Спуск кессона с постоянных подмостей.

Сжатый воздух вытесняет воду из рабочей камеры, так что дно в ней обнажается. Тогда в К. входят рабочие и подкапываются под нижнюю кромку К., который вследствие этого садится глубже. Вынутый из-под К. и по всей поверхности дна, занятого К., грунт поднимается наверх в шлюз, оттуда выбрасывается наружу, на баржи или в воду. В то же время над потолком К. каменщики продолжают кладку. По мере углубления К. кладка растет, шахтовые трубы наращиваются, и когда наконец К. погрузится до нужной глубины, закладывают камнем всю рабочую камеру, а также и шахтовые трубы — и основание сооружения готово.

В прежнее время к применению К. решались прибегать лишь при необходимости устройства оснований на глубинах от 9 до 10 м под водой, в настоящее время этот способ применяется уже для глубин от 3 до 4 м. Пределом, при котором употребление К. становится уже выгодным, считают глубину от 4 до 5 м. Наиболее значительные кессонные работы в России исполнены были при постройке Киевского железнодорожного моста (первые кессонные работы в России, в 1867 г., строитель инженер-генерал-майор А. Е. Струве), Кременчугского моста через Днепр и моста Императора Александра II (Литейного) через Неву, в СПб. Затем следуют Александровский мост через Волгу у Сызрани и многие другие железнодорожные мосты. Сгущенный иногда до 3 и более атмосфер, воздух К. оказывает на человеческий организм известное влияние, которое вызывает необходимость принятия некоторых мер осторожности для сбережения здоровья работающих в К. людей. К работам этим должны допускаться лишь вполне здоровые и крепкие люди, причем над ними должен быть установлен врачебный надзор. Рабочая смена должна продолжаться не более 6 часов. С возрастанием давления продолжительность смены должна быть соответственно уменьшена. Выпускать рабочих из К. следует осторожно. Для точного контроля давления в рабочей камере К. должны быть установлены манометры.

Литература. В. И. Березин, "Устройство оснований под водой с помощью сжатого воздуха" ("Инженерный Журнал", 1876); "Кессонные работы при постройке постоянного через реку Неву моста Императора Александра II, на месте Литейного" ("Журнал Министерства путей сообщения", 1883); К. Рейнер, "Кессон, его изготовление, спуск и погружение" (М., 1892); курсы строительного искусства Института инженеров путей сообщения; А. Debauve, "Fondations" (Paris, ch. Dunod); Heusinger von Waldegg, "Handbuch der Ingenieurwissenschaften" (1 т., Лейпциг, 1884); Brennecke, "Der Grundbau" (Берлин, 1887).

А. Таненбаум.