Кессоны

Кессоны, см. приложение.

Кессоны и кессонные работы.

Кессон (caisson; Caisson, Senkkasten: caisson) и кессонные работы служат для возведения фундаментов при подводных работах. В том случае, когда фундамент под какое-либо сооружение возводится на суше, то особые затруднения встречаются сравнительно редко. Совершенно другое дело, когда приходится закладывать фундаменты или вообще производить работы под водой, либо в разжиженном и пропитанном водой грунте на значительной глубине; при таких обстоятельствах приходится прибегать к кессону — кессон, как показывает самое слово, представляет из себя опрокинутый вверх дном, без крышки, ящик, опускаемый под воду. Еще в глубокой древности человек стремился овладеть подводным пространством; так, у Аристотеля упоминается о том, что греки при добыче губок со дна моря пользовались опрокинутыми бочками, в которых они брали с  собой воздух на дно моря. Бэкон (1620 г.) упоминает о  металлических бочках на трех ногах в рост человека, опускавшихся с воздухом на дно моря; работавшие под водой люди могли входить в эти бочки, чтобы запасаться воздухом. С. Клер (1655 г.), упоминает о колоколе, опускавшемся под воду с одним человеком. Халдей (1716 г.) предложил вместе с колоколом опускать бочонки с воздухом, из которых воздух вытесняли в колокол при помощи воды.

Рис.1

Первое применение усовершенствованных колоколов было выполнено (1779 г.) известным строителем Эдистонского маяка Смитоном (первый изготовивший роман-цемент). Он опускал на цепи на дно моря чугунный колокол (рис. 1), в котором помещались двое рабочих; в колокол нагнетался воздух по трубе С. Упомянутые до сих пор приспособления принадлежали, однако, к типу водолазных колоколов, идея которых была практически усовершенствована и применена много позднее; эти последние получили название съемных кессонов. По опускании кессона, введенные в строительное дело ранее съемных кессонов, были впервые применены инженером Трижером (1841 г.), опустившим при помощи сжатого воздуха шахту в долине Луары на глубину 20 м для добычи каменного угля, а затем (1851 г.) французский инженер Флер-Сант-Денис, воспользовавшийся методом Трижора, первый опустил кессон под опоры моста через реку Рейн у Кель близ г. Страсбурга. Несколько позже (1857 г.) тоже французский инженер, Сезанн, применил первым в России кессон, при постройке моста через р. Неман на Петербургско-Варшавской железной дороге у г. Ковно. Опоры больших мостов в России (Волга, Днепр, Нева и др.) и в прочих странах (Америка — через Ист-Ривер и др.) закладываются на кессонах. Точно так же опоры маяков могут быть заложены на дне моря при помощи кессонов.

Рис. 2

На рис. 2 представлен в разрезе маяк, построенный на мели, называемой «Красный песок», в гавани Бремен. На рис. 3 изображен в разрезе бык моста, основанный на кессоне, а на рис. 4 показано основание американских небоскребов, заложенное на кессоне. Впервые в Америке кессоны, при постройке домов, были применены в 1893 г.; глубина заложения небоскребов доходит до 40 м в плывуне. В Москве памятник императору Александру II в Кремле, недалеко от реки Москвы, заложен тоже на кессоне. На рис. 5 виден разрез кессона, примененного в Нью-Йорке при сооружении подземной железной дороги, проходящей под улицами и под дном реки Гудзон.

Рис. 3. 4.

На всех четырех рис. (2, 3, 4 и 5) можно проследить показанный в разрезе кессон, имеющий вид ящика с потолком, врезавшегося в грунт. На рис. 2 и 3 видны внутри массива труба, а снаружи его род обшивки; эти части вместе с особой частью, представленной на рис. 6, составляют главнейшие части всего устройства, применяемого при кессонных работах. Таковых главных частей всего четыре: 1) рабочая камера, 2) шахты, 3) воздушные шлюзы и 4) наружная обшивка (рубашка, понтон). Рабочая камера собственно и представляет из себя кессон; она бывает очень разнообразного очертания в плане (круглая, кольцеобразная, прямоугольная с округленными углами, удлиненная яйцеобразная, в виде туфли – мост через Волгу под Самарой): очертание это примерно согласуется с планом споры, основанием которой должен служить кессон. По роду материала рабочая камера, или собственно кессон, может быть железная, деревянная, каменная и железобетонная.

Рис. 5

Наичаше применяются кессоны железные, они состоят (рис. 6) из жесткой сильной рамы из двутавровых железных балок; раме этой дают форму и размеры, соответствующие плану основания, и к ней по ее периметру укрепляют железные консоли; в последнее время образующие стенки кессонной консоли  — снаружи и изнутри, а также служащая потолком кессонная рама — снизу обшиваются листовым железом, и все пространство между консолями под обшивкой и между балками рамы заполняется бетоном; усиленная внизу железными полосами часть обшивки называется ножом, который помогает кессону углубляться (врезаться) в грунт. Рабочая камера делается высотой в  среднем в 2,20 м, а в плане площадь кессона бывает до 500 кв. м и более.

Рис. 6

Деревянные кессоны были впервые применены в Америке при постройке опор Бруклинского нью-йоркского моста через р.  Ист-Ривер (1870 г.), кессоны эти были длиной 51,24, шириной 31,11 м и высотой в 3 м. Стенки были из сотовых массивных брусьев, укрепленных внизу железом и перекрытых сверху потолком толщиной в 6,71 м, выполненным тоже из массивных сосновых брусьев. В дальнейшем в деревянных кессонах толщина деревянного потолка была уменьшена заменой части брусьев бетоном, которым заполнялись и стенки, имевшие в разрезе вид клина. Инженер Бренеке в  Германии предложил особую конструкцию деревянных кессонов, а русский инженер Кнорре применил и усовершенствовал эту последнюю конструкцию при постройке мостов великого Сибирского железнодорожного пути. Деревянные кессоны получили наибольшее распространение в Америке и в России, где дерево дешево.

Рис. 7

На рис. 7 показан разрез деревянного кессона; в середине виднеются скрепляющие кессон брусья. Кессон  уже несколько взошел в разжиженный грунт, снизу показан твердый слой грунта. Каменные кессоны имеют обычно вид каменных купольных сводов, опирающихся на железное кольцо с ножом внизу. Каменные кессоны, но с железобетонным потолком, впервые были устроены русским инженером Лентовским  при постройке мостов Восточно-Китайской железной дороги. Позже, с большим развитием железобетона, стали выполнять из этого последнего кессоны полностью (ряс. 8).

Рис. 8

Шахты представляют из себя железные клепаные трубы, надежно укрепленные к потолку кессона. На рис, 2, 3, 6, 7, 8 видны эти трубы. По мере опускания кессона под горизонт  воды шахты наращиваются. Шахты служат для опускания в кессон рабочих и для передвижения в них грунта и материалов. Шахта обычно отделяется от кессона клапаном, герметически закрывающим выход из кессона в шахту. В  шахте устраиваются лифты для людей и материалов. Воздушные шлюзы представляют из себя железные клепаные камеры; они бывают однокамерные и многокамерные. В находящийся под водой кессон нагнетается насосами воздух, который вытесняет из него воду. Шлюз имеет назначение удерживать в кессоне повышенное давление; каждый шлюз имеет не менее двух дверей, открывающихся в сторону пространства с повышенным давлением; кроме того, имеются в шлюзах особые краны, служащие для уравнивания давления воздуха в шлюзе то с давлением (повышенным) в кессоне, то с наружным воздушным. Шлюз служит для входа людей в кессон, и для выхода их из него обратно при постепенно изменяющемся давлении, так как иначе организм не может выдержать внезапное изменение давления; кроме того, через шлюзы выносится извлекаемая земля из кессона, и, обратно, через них вносится в кессон материал, служащий для заполнения кессона. Многокамерные шлюзы служат при этом для беспрерывного шлюзования людей и материала. Наружная обшивка (рубашка, понтон) представляет из себя достаточно прочную стенку, составляющую продолжение стенок рабочей камеры вверх над потолком кессона. Рубашка, назначение которой будет указано ниже, делается из железа (рис. 2, 3, 6), из дерева (рис. 7) и из железобетона (рис. 8). Сборка кессона происходит либо на суше на подмостках, либо на судах, барках и плотах; в последнем случае готовый кессон доставляется к месту опускания его на плаву; в первом же случае кессон опускается прямо на месте. Опускание и погружение кессона в воду или в грунт происходит в зависимости от многих обстоятельств. Если кессон опускается на суше или он не имеет рубашки (понтона), то опускание кессона происходит на особых мощных цепях, звенья которых наращиваются по мере погружения кессона. Вместе с тем при опускании кессона производится каменная кладка. При этом, однако, вследствие трения кладки о грунт, может произойти разрыв еще недостаточно затвердевшей кладки. Для устранения этого обстоятельства применяется рубашка, составляющая надежную оболочку каменной кладке. Со стороны применения цепей имеются тоже некоторые недостатки: при неодинаковом опускании кессона по его периметру нагрузка на цепи может распределиться неравномерно, почему наиболее нагруженные цепи могут лопнуть и повлечь за собой катастрофу. С этой стороны применение полтопа (рубашки) тоже является в большинстве случаев более удачным. Опускаемый кессон с понтоном может находиться на плыву, несмотря на значительную нагрузку его каменной кладкой; кессон и соединенный с ним понтон поддерживают кладку, как судно. Необходимо при этом удерживать все на своем верном месте с тем, чтобы кессон был опущен именно там, где это требуется проектом. Когда опускаемый тем или иным способом кессон достигнет  под водой дна, тогда начинают воздуходувными машинами нагнетать в него воздух; по вытеснению из кессона воды начинаются углубительные работы на необходимую глубину, покуда кессон, врезавшись в дно, не дойдет до того грунта, на котором можно надежно заложить все основание. Вынимание грунта происходит и вручную, и механически. Шлюзы ставятся либо внизу, либо вверху шахты. В первом случае шахты называются открытыми, а во втором закрытыми; последние предпочтительнее. Размещение шлюза внизу выгоднее, так как меньше объем воздуха, поддерживаемого при большом давлении, но зато такой шлюз обслуживает кессон один раз и должен быть оставлен в нем навсегда. Между тем как шлюз, помещенный наверху шахты, может обслуживать много кессонов, но зато утечка сжатого воздуха при этом значительнее. После того, как кессон доведен до требуемой глубины, рабочую камеру заполняют бетоном и каменной кладкой. Рубашка (понтон) и верх шахты могут быть удалены, но рабочая камера, шлюз при открытой шахте и нижнее звено шахты остаются навсегда в  фундаменте. Способ подводных работ при помощи водолазных колоколов был практически осуществлен в 1881 г, когда французский инженер Монтанье предложил способ кессонных работ при помощи съемных кессонов, с тем, чтобы представлялось возможным возводить несколько опор при помощи одного и того же кессона.

Рис. 9

На рис. 9 представлен такого рода кессон, который также состоит из рабочей камеры, шахты и шлюза, соединенных все вместе при помощи железной конструкции в одно прочное целое. Работы начинаются с того, что кессон сперва ставят  под воду на дно, углубляют кессон на должную глубину в грунт, возводят в кессоне кладку  и затем постепенно поднимают весь съемный кессон при помощи видных на рис. 9 домкратов и клеток из деревянных брусьев. Таким образом, работа продолжается до тех пор, пока с каменной кладкой не выйдут выше уровня воды. Затем кессон снимается и перемешается на новое место. Но при этого рода кессонных работ  глубина проходимого грунта должна быть не более высоты рабочей камеры. Можно соединять способ работ с опускным и поднимаемым кессоном таким образом, что кладка может опускаться в грунт при подрывании грунта под нижним кессоном и в то же время находящийся съемный кессон дозволяет производить каменную кладку на суше и быстро подвигаться кверху, поднимая верхний съемный кессон.

Освещение кессона. Прежде кессоны освещались стеариновыми свечами, керосиновыми лампами и газом; недостаток такого рода освещения выражался в том, что горение отнимало кислород воздуха, продукты горения и копоть оставались в кессоне, попадали в нос, рот и легкие рабочих; температура в кессоне, и без того высокая, еще более поднималась; пламя дрожало, коптило и не давало много света. С распространением применения электричества этого рода освещение было введено и при кессонных работах,  где оно является безукоризненным и обязательным. Снабжение кессона воздухом достигается при помощи воздуходувных машин, устанавливаемых либо на берегу, либо на особых судах. Воздух нагнетается либо прямо в кессон, либо предварительно в особый уравнительный резервуар, откуда уже вводится в кессон. Так как сжатие воздуха сопряжено с значительным повышением его температуры, то следует озаботиться о его увлажнении и охлаждении. Что касается до давления воздуха внутри кессона, то оно зависит от глубины погружения кессона под воду. Давление воздуха в кессон в 3 атм. выдерживается людьми очень трудно. Однако давление в добавочных 4,5 атм. принимается как предельное, допустимое для людей при кессонных работах. Давлению этому соответствует примерно 45 метров погружения. Наибольшее погружение кессона в России было достигнуто в опорах моста через Бузан (р. Волга), где высота от ножа кессона до межени была 30,5 м, при глубине воды в реке в 19,8 м и при глубине ножа кессона под дном реки в 10,7 м; мри этом наибольшее давление в кессоне было добавочных 3,11 атм.

Условия безопасности кессонных работ. Вследствие нарушения атмосферного давления внутри организма человека и вне его при переходе как от обыкновенного давления к повышенному, так особенно при переходе обратном, происходят разные болезненные явления в ушах, сердце, легких и в голове; причем выход из повышенного давления еще тем рискованнее, что ко всем прочим болезненным явлениям присоединяется сильное охлаждение организма, простуда и лихорадка. Для обеспечения безопасности людей, принимающих участие при кессонных работах, разработаны Русским Обществом охраны народного здравия особые подробные правила, заключающие 34 параграфа. Кессонные  работы проводятся помимо технического надзора еще под строгим наблюдением врачей.

Стоимость кессонных работ и успешность опускания кессона. По данным сведениям инженера-археолога Сальмановича в «Руководстве к составлению смет в технической отчетности» для 77 кессонов, опущенных по 1895 г. в России, средняя успешность за сутки опускания кессона составляет 0,27 метров, а стоимость кессонных работ, включая работу по опусканию и железо для всего устройства, но без каменной кладки выражается суммой в 412 руб. за кубическую сажень объема кладки опор моста от ножа кессона до горизонта воды в реке; в последнее время стоимость эта понизилась до 15%. Стоимость кессонных оснований американских небоскребов выражается 8—9% стоимости всего здания.

Н. Лахтин.