Шпунт Ларсена: что это и для чего применяется?

Свое название шпунт получил в честь инженера Тригве Ларсена – он в 1902 году предложил использовать стальную U-образную полосу с краями, сцепляемыми между собой. В 1910 году Ларсен запатентовал металлический профиль в форме корыта с замками по краям. Это решение позволило объединять сваи в единую сплошную конструкцию, которую и назвали по имени изобретателя – шпунт Ларсена. Принцип возведения защитных стенок с помощью свай применялся и ранее (за века до Ларсена – сначала с использованием деревянных щитов), однако именно создание стального профиля с замковым соединением произвело революцию в строительстве.

Замки на краях шпунтовых свай (т. н. «ларсеновский замок») позволяют стыковать отдельные профили между собой, образуя сплошную стенку. Благодаря этому свайное ограждение получается прочным и практически водонепроницаемым. За более чем вековую историю к шпунтам Ларсена стали относить и другие виды шпунтовых свай. Сейчас этим термином обозначаются не только классические стальные U-профили, но и шпунты иной формы и даже из других материалов – общее для них наличие боковых замков, соединяющих элементы между собой в цельную стенку. Ниже рассмотрены основные разновидности шпунтов Ларсена, их характеристики и применение.

А теперь давайте рассмотрим основные разновидности шпунтов Ларсена, их характеристики и применение.

• U-образный профиль. Классический корытообразный шпунт с двумя стенками и замками по их краям. Обладает высокой жесткостью и универсальностью применения.
• Z-образный профиль. Профиль в форме буквы Z, у которого замки расположены на противоположных краях листа. Такие шпунтины перекрывают друг друга, что повышает стойкость стены к изгибающим нагрузкам. Z-профили легче и экономичнее U-образных при сопоставимой несущей способности.
• I-образный профиль (плоский шпунт). Плоские стальные панели с замками по краям. Обладают повышенной прочностью, но не образуют герметичного соединения. Применяются для усиления конструкций.
• O-образный профиль (трубошпунт). Трубчатые сваи с приваренными замками. Максимальная жесткость, но высокая стоимость и сложность монтажа.

Существуют также шпунтовые профили других конфигураций — например, W-образные и Ω-образные (омега-профили). Последние представляют собой корытообразные элементы с гладкими замками, снижающими трение при погружении; они менее прочные, зато эффективны для длительных береговых ограждений. В целом форму и толщину шпунта подбирают под расчетные нагрузки грунта. Однако в практике важна не только оптимальная прочность, но и доступность профиля в регионе проведения работ. Предположим, что вам под ваш случай идеально подойдет шпунтовой профиль Л4 за счет своих характеристик и цены, но из-за внешнеполитической ситуации (этот шпунт производился на заводе ДМК в Украине), данный шпунт сейчас представлен далеко не везде, поэтому имеет смысл остановить свой выбор на шпунтах Л5, Л5-УМ, либо на новом, но уже хорошо зарекомендовавшем себя шпунте Ларсена ECO.

• Л4. Ранний отечественный профиль U-сечения. Ширина по замкам около 436 мм, высота сечения ~204 мм, масса ≈74 кг/м. Обеспечивает упругий момент сопротивления порядка 2200 см³/м. Л4 считается устаревшим и в новое строительство почти не поставляется; из-за трудностей с его закупкой используется шпунт Л5-УМ или импортные эквиваленты.
• Л5. Стальной шпунт, наиболее распространенный на российском рынке. Ширина профиля около 466 мм, масса ~100 кг на погонный метр. За счет увеличенной толщины металла (до ~21 мм в стенке) обладает повышенной прочностью: момент сопротивления ~2960 см³/м. Применяется во всех основных сферах – от ограждения котлованов до берегоукрепления.
• Л5-УМ. Усовершенствованный шпунт повышенной прочности (аббревиатура означает «усиленный модифицированный»). Производство Л5-УМ ведется на нижнетагильском металлургическом комбинате (НТМК).Профиль изготавливается из стали высоких марок прочности (C345Д и выше по ГОСТ). По сравнению с Л5 имеет большую ширину (~543 мм) при массе ≈114 кг/м, что дает более высокий момент сопротивления, а именно ~3550 см³/м. Л5-УМ рассчитан на тяжелые нагрузки и позволяет огораживать более глубокие выемки грунта.
• Серия ECO. Новая линейка шпунтов, появившаяся в 2022 году как замена импортному прокату. Компания «Экоторг М» запустила собственную марку ECO, включающую около 40 типоразмеров шпунтов, производимых на контрактных заводах. К серии ECO относятся профили, аналогичные Larssen 618 и 622T – монтажная ширина 600 мм, масса порядка 76–87 кг/м, момент сопротивления ~1800–2200 см³/м.
• Серия AZ. Горячекатаные Z-образные шпунты, разработанные компанией ArcelorMittal (бывш. Arbed, Люксембург). Стандартные профили AZ имеют ширину 600–800 мм и высоту около 400–500 мм. В зависимости от типоразмера, их момент сопротивления лежит в диапазоне ~1800–4800 см³/м (для примера, AZ 18 ≈ 1800 см³/м, AZ 48 ≈ 4800 см³/м).Благодаря высокой жесткости и большой покрываемой ширине, шпунты AZ широко используются в гидротехническом строительстве – возведение причалов, молов, доков, плотин и т.п.
• Серия VL. Шпунтовые сваи, выпускаемые по европейскому стандарту EN 10248 (в частности, заводом Vitkovice Steel, Чехия). Например, профиль VL 606 имеет монтажную ширину 600 мм и высоту сечения 430 мм при массе 93,9 кг/м. Его момент сопротивления составляет ~2500 см³/м, что сопоставимо с Л5-УМ. Особенность серии VL – несколько меньшая толщина стенок за счет применения сталей повышенной прочности (классы S270GP, S355GP), при этом по прочностным характеристикам профили VL не уступают отечественным аналогам.
• Серия PU/GU. Семейство стальных шпунтов U-образной формы от ArcelorMittal. Профили PU (устаревшая линия) и более новые GU-N/AU имеют стандартную ширину 600 мм и высоту порядка 400–450 мм. Их несущая способность аналогична шпунтам типа Л5. Например, шпунт GU 18N обладает моментом ~1920 см³/м, GU 22N – 2200 см³/м, GU 32N – 3200 см³/м. Эти значения перекрывают диапазон от Л4 до Л5-УМ. Профили GU широко применяются в тех же сферах, что и Ларсеновские шпунты, и являются взаимозаменяемыми с отечественным сортаментом.
• Серия SP. Обозначение шпунтов по японскому стандарту JIS, выпускаемых компанией Nippon Steel и другими производителями в Азии. В эту серию входят, например, профили NS-SP-45H, NS-SP-50H и др. шириной 400–500 мм. По своим параметрам они близки к европейским и российским шпунтам аналогичной массы. В самом отечественном строительстве японские шпунты применяются редко, однако их аналоги из Юго-Восточной Азии могут поставляться под разными марками.

Помимо стальных шпунтов, на рынке присутствуют изделия из других материалов.

• Композитные и ПВХ-шпунты. Полимерные профили с замковым соединением, они не подвержены коррозии и отличаются долговечностью и экологичностью, поэтому востребованы для постоянных ограждений (особенно в агрессивных средах). Однако несущая способность композитных и пластиковых шпунтов значительно ниже, чем у стальных, что сильно ограничивает их применение.
• Железобетонные шпунты. Жёсткие стойки с пазовым соединением, применяемые в капитальном гидростроительстве. Железобетон не ржавеет, но такие элементы очень массивны и склонны к растрескиванию.
• Деревянные шпунты. Исторически применялись для защиты котлованов и берегов; они дёшевы и просты в установке, но являются наименее прочными и долговечными из всех вариантов. Во всех случаях шпунты оснащаются стандартными замками, что обеспечивает совместимость при стыковке элементов разных серий и партий.

Шпунтовые профили применяются для создания временных или постоянных ограждающих конструкций в самых разных ситуациях. Основные области использования:

• Укрепление стенок котлованов и траншей. При разработке грунта на глубине >2 м необходимо обеспечить безопасность работ. Шпунт Ларсена устанавливается по периметру котлована, предотвращая обрушение вертикальных стенок и снижения объема ручной доработки откосов. За счет этого сокращаются сроки и объемы земляных работ.
• Берегоукрепление и гидроизоляция водоемов. Шпунтовые стены служат для укрепления береговой линии рек, каналов, озер и прудов, а также позволяют отгородить воду при строительстве в русле. Замковое соединение шпунта обладает высокой водонепроницаемостью; при дополнительной герметизации стыков достигается практически полная гидроизоляция ограждения. Это позволяет возводить причалы, дамбы и даже искусственные водоемы в грунтах с высокими грунтовыми водами.
• Гидротехнические сооружения. В строительстве плотин, шлюзов, портовых причалов и волноломов металлический шпунт используется как быстровозводимая и экономичная альтернатива монолитным стенам. Применение шпунта Ларсена ускоряет работы и снижает материалоемкость и стоимость возведения таких сооружений, обеспечивая при этом необходимую несущую и противофильтрационную способность.
• Открытые бункеры и хранилища сыпучих материалов. Из шпунтовых свай возводят временные и постоянные стены силосов, отсеки для хранения грунта, песка, щебня и т.п. Высокая несущая способность стальных шпунтовых ограждений позволяет им выдерживать давление большого объема насыпных материалов. При необходимости такие стены можно демонтировать и переместить по мере развития площадки.
• Ограждение полигонов отходов. Шпунтовые ограждения применяются для изоляции свалок и шламонакопителей, предотвращая расползание грунта и распространение фильтратов за пределы отведенной территории. Стальные шпунты образуют противофильтрационную завесу в грунте вокруг полигона, защищая окружающую среду от загрязнения.

Помимо перечисленного, шпунтовые профили используются и для других инженерных задач. С их помощью упрощается строительство подземных тоннелей, устройство подпорных стен на склонах при террасировании ландшафта, укрепление оползнеопасных откосов, возведение эстакад, подземных паркингов и т.д. Большое преимущество металлического шпунта – многоразовость (оборачиваемость): одну и ту же стальную шпунтину можно использовать повторно до 6–8 раз на разных объектах. Это существенно сокращает расходы на строительство, особенно в условиях плотной городской застройки, где шпунт выгоднее брать в аренду или по договору обратного выкупа, чем покупать для разового применения

Существует четыре основных метода установки (погружения) шпунтовых свай:

• Динамическая забивка. Погружение ударным способом (копром или дизель-молотом). Это самый быстрый и экономичный метод, но и самый “грубый”: ударные вибрации разгружают и встряхивают грунт, что может привести к просадкам и повреждению близлежащих построек. Забивку допускается выполнять только вдали от существующих зданий – как правило, не ближе 50–100 м, на открытых площадках или пустырях.
• Вибропогружение. Метод погружения с помощью вибропогружателя, передающего колебания шпунту. За счет вибрации временно снижается сопротивление грунта, и свая “тонет” под собственным весом и усилием вибромолота. Вибропогружение создает существенно меньшую ударную нагрузку на грунт, чем забивка, поэтому может применяться в черте города (допустимое расстояние до зданий – порядка 25–50 м). Современные вибропогружатели обычно совмещают вибрационное воздействие с прижимным усилием, что повышает эффективность метода.
• Статическое вдавливание. Погружение шпунта методом вдавливания (прессования) гидравлической установкой. Сваевдавливающая машина захватывает верх шпунтины и постепенно вжимает её в грунт без ударов и вибраций. Это наиболее безопасная технология вблизи существующих сооружений – допустимо работать в 0,5–1 м от соседнего фундамента. Статическое вдавливание часто применяется в стесненных условиях плотной застройки, а также в оползневых и сейсмоопасных районах. Недостаток метода – относительно низкая скорость и высокая стоимость работ.
• Комбинированные способы. Включают предварительное ослабление грунта на траектории шпунта, совмещенное с одним из вышеперечисленных методов погружения. Например, лидерное бурение – проходка узких скважин (шурфов) буром или шнеком по линии шпунтового ряда. Шпунт опускается в готовые направляющие скважины, что уменьшает сопротивление плотных грунтов при последующем забивании или вдавливании. Гидроподмыв – подача воды под давлением через специальные форсунки у наконечника шпунтины. Размыв грунта струей воды снижает трение и облегчает погружение профиля, особенно в плотных связных грунтах. Комбинированные технологии требуют тщательной инженерной проработки и согласования с проектной организацией.

Выбор способа монтажа шпунтов осуществляется на основании результатов инженерно-геологических изысканий и с учетом окружающей застройки. В ряде случаев (например, при очень плотных грунтах) погружение шпунтового ряда выполняют в два этапа: сначала шпунтины погружаются частично (на 2/3 длины) с временными шагами между ними, затем ряд доводится до проектной отметки – это позволяет равномерно распределить нагрузку и избежать перекосов замковых соединений.

В большинстве случаев шпунтовое ограждение после завершения работ демонтируется, а сами шпунтины идут в повторное использование. Извлечение шпунта Ларсена производится, как правило, методом вибровытаскивания: к свайному профилю крепится виброэкстрактор, который при включении передает колебания в тело шпунта. Вибрация вызывает тиксотропный эффект – временное снижение сопротивления грунта за счет разжижения прилегающего слоя. После этого шпунт свободно выходит из земли подъемным краном. Практика показывает, что вибрационный метод наиболее эффективен для извлечения шпунтовых свай любой длины.
Каждая вынутая шпунтовая свая подлежит осмотру и экспертизе перед повторным применением. Если профиль не деформирован и замки не повреждены, шпунт очищают и отправляют на хранение или сразу на новую стройплощадку. При обнаружении трещин, изгибов, расслоений металла и других дефектов сваи бракуются и утилизируются как металлолом.

Без шпунта Ларсена многие виды строительных работ были бы попросту невозможны. Это сравнительно простое изобретение – стальной профиль с замком – позволило строить в условиях плотной городской застройки и на воде. Шпунтовые ограждения защищают котлованы и берега от обрушения, удерживают грунтовые воды, служат основой для временных и постоянных гидротехнических конструкций. При этом металлошпунт является многоразовым ресурсом: профили можно извлекать и использовать повторно до нескольких раз без потери свойств. Благодаря такой оборачиваемости у строительных компаний есть возможность не приобретать шпунт в собственность, а брать в аренду на период работ или продавать обратно поставщику после завершения проекта. Это дает существенную экономию и ускоряет нулевой цикл строительства при сохранении надежности и безопасности.