БОГДАНОВ ИГОРЬ АНАТОЛЬЕВИЧ
Работы по заземлению в подвале административного здания
по адресу Москва, Трубниковский пер.,19
Москва 2013г.
Содержание
Выбор места для глубинного заземления
Изучение конструктивных особенностей здания и геоподосновы
Проведение предварительных рассчётов
Расположение заземляющего и измерительных электродов
Технологический анализ ситуации
Исследование электрофизических свойств грунта и постройка заземлителя
Аннотация
Проект «Работы по заземлению в подвале административного здания по адресу Москва, Трубниковский пер.,19» разработан на основе экспериментального изучения электрофизических свойств грунта под зданием, изучения документов обследования здания в 1982 году, расчётов и собственного обследования перекрытий цокольного этажа. Проект содержит 24 страницы, 4 таблицы, 53 иллюстрации.
В ходе разработки и технической реализации проекта построено высококачественное долговечное глубинное модульное заземление в подвале административного здания. Использованы новейшие технологии, комплектующие изделия и материалы. Получена ценнейшая информация по электрофизическим свойствам грунта в Центре Москвы на глубине до 18 метров от поверхности земли. Экспериментальные данные получены на основе прецизионных измерений сопротивления растекания заземления. Проведённый анализ экспериментальных данных дал информацию о специфике электрофизических свойств грунта в условиях плотной городской застройки. Результаты работы выложены в общедоступную базу данных
Благодарности
Автор выражает благодарность Сергею Валерьевичу Повшедному и Андрею Валерьевичу Яковлеву за помощь в разработке и реализации проекта.
Общее описание объекта
Административное здание в Центре Москвы. Год постройки - 1912. 5 этажей и подвал.
В подвале изначально располагался Винзавод.
Поскольку подвал задумывался как производственное помещение, высота сводчатых потолков превышает 4 метра. Сводчатые потолки находятся на уровне до -0.6 метра от современного уровня поверхности земли.
Здание очень экзотическое и выразительное, особенно в подвале, там часто снимают фильмы и видеоклипы. Когда я сказал, что работаю по вечерам и ночам, администрация не возражала. Единственное, просили за 1…2 дня позвонить и убедиться, что ночью или в выходные не будет съёмок.
По словам старожилов, когда снимали культовый фильм «Место встречи изменить нельзя», Владимир Семёнович (Глеб Жеглов) склонившись к этому, деликатно загороженному окну, взывал к Армену Борисовичу (главарь банды): «А теперь Горбатый! Горбатый, я сказал!!!»
и Армен Борисович, эксклюзивно ссутулившись, выходил в это окно откуда-то снизу
Возможно, это всего лишь легенда, но очень хорошая и добрая.
Винзавод работал в этом подвале до 1992 года. О масштабах производства можно судить по двум сохранившимся винным бочкам
Ранее севернее здания находился пустырь, поэтому там было оборудовано заземление, представляющее собой несколько уголков, вбитых в землю на глубину 2.5 метра по периметру круга диаметром 8 метров и один уголок – в центре. Уголки были сварены между собой и проводник заведён в здание. Поиск электрических параметров заземления во всей технической документации на здание и оборудование, результатов не дал. Иначе говоря, сопротивление растеканию никто не мерил. Судя по всему, интуитивно приняли его удовлетворительным. Поскольку заземление было построено с использованием уголков из проката Сталь 3 более 30 лет назад, можно считать, что коррозией было уничтожено не менее 60% металла. При самых благоприятных условиях коррозия уничтожает не менее 0.1 мм толщины железа в год.
Несколько лет назад, при застройке пустыря, заземление было уничтожено как сооружение, т.е. его попросту никто не заметил – как говорят в Одессе – «похезали». Я считаю, что об этом сожалеть не следует, поскольку оно было малопригодным для выполнения своей прямой функции.
Кроме того, параметры такого заземления зависят от времени года, и при промерзании грунта сопротивление растеканию увеличивается в 2…5 раз.
Здание имеет 3-фазный ввод 380 В.
Техническое задание было следующим – построить модульное глубинное заземление и подвести проводник к указанному заказчиком месту в помещении ВРУ, восстановив существовавшую до 2008 г. систему заземления TN-C-S.
Согласно ПУЭ-7 сопротивление растеканию заземления должно быть не более 4 Ом
Выбор места для глубинного заземления
Выбор места для глубинного заземления с сопротивлением растеканию менее 4 Ом в неопределённых условиях – дело, требующее прежде всего, много места. Для большей эффективности заземления, зоны действия электродов по возможности не должны пересекаться. В двухмерной интерпретации из теории множеств это аналогично дизъюнкции A и B, т.е. пересечение A&B в сумме фигурирует только один раз.
Иначе говоря, A + B – A&B.
Так вот этот гомолог A&B для пары взаимодействующих электродов должен быть наименьшим. В идеальном случае взаимоудалённость должна быть порядка 10 длин электродов, в реальном надо стремиться к сумме длин + 10%, т.е. для 12-метровых электродов это порядка 25…26 метров. Электроды надо чем-то соединять. Стальная омеднённая проволока диаметром 8мм (50 мм2) или 10мм (80мм2) – наиболее бюджетный вариант. Медный провод с аналогичными электрическими свойствами в несколько раз увеличивает бюджет.
В любом случае надо было выбирать место для вбивания первого электрода, а также – для вбивания в случае необходимости ещё одного или двух электродов на расстоянии до 25 метров. Я считаю, что надо стремиться строить линейный двухлучевой контур, т.е. в вершине прямого угла вбивать основной электрод, и от него делать два луча, направленные диаметрально противоположно или под углом 900. Смысл такого расположения – экономия на соединительных проводниках – при сильно удалённом третьем электроде желательно увеличить сечение проводника, что вполне логично.
Начались поиски
Не подойдёт – киношники будут спотыкаться о соединительные проводники. Но для фоновой картинки на сайт http://www.groundconnection.ru/ – самое ОНО !
Тоже не подойдёт – далеко от ВРУ.
А вот здесь – вполне уютное местечко. И ВРУ где-то почти над головой.
Останется только найти место для сверления архаичных перекрытий, чтобы не пересверлить какую-нибудь трубу или не обрушить своды – мощный перфоратор – штука коварная, ибо придаёт нездоровое чувство вседозволенности.
Стиль исполнения прецедентно задан тем, что было сделано до меня – заказчики люди серьёзные, деловые, евроремонта никто не требует
Как сказал Ле Карбюзье: «Функционально – значит прекрасно»
Используемые материалы
Для заземления использовались стержневые модульные стальные омеднённые электроды диаметром 14.2мм, длиной 1.5 м. Слой меди – 250 мкм.
Электроды соединяются резьбовыми втулками из латуни. Резьба 5/8 дюйма. В местах соединения закладывается токопроводящая графитная смазка.
На первый заглубляемый электрод навинчивается стартовый наконечник.
Для передачи энергии удара от молота к заглубляемому электроду используется специальный боёк из прочной стали. Часть электрода, резьбовая втулка, боёк и рабочий орган электромолота показаны на технологической подсборке
Изучение конструктивных особенностей здания и геоподосновы
Ознакомление с планом коммуникаций местности показало, что под северо-западной частью здания ничего нет. Поскольку в цокольном этаже северо-западной части здания находится ВРУ, было принято решение заглубляться в соответствующем месте в подвале (верхний правый сектор на иллюстрации).
Никаких данных по электрофизическим свойствам грунта не было, по наличию возможных механических помех (валуны, остатки старой каменной кладки) – тоже. Единственное, что вносило сдержанный оптимизм, сведения о том, что до постройки здания в 1912 году на этом месте был плодовый сад. Геологическое описание скупо гласит – древнеаллювиальная терасса реки Москвы.
В начале 80-х годов, когда дом был выведен из жилого фонда, проводилось подробное исследование стен, перекрытий и фундамента на предмет проведения капремонта с заменой деревянных перекрытий на современные.
В бетонном полу подвала были взяты шурфы на глубину до 12 метров и относительно подробно описаны. Ближайший к предполагаемому месту заглубления Шурф №13 находится в 6 метрах.
Из описания шурфа следовало, что на расстоянии более 0.6 м от стен толщина бетонного основания составляет 0.2 м. Затем идёт крупный песок.
Далее возможна прослойка строительного и хозяйственного мусора средней плотности, влажная толщиной 1.4…1.6 метра. Затем «древнеаллювиальные пески пылеватые, мелкие, средней плотности и крупные, местами глинистые, с редким включением гравия и гальки, средней плотности, маловлажные, влажные и насыщенные водой, прослеженной мощностью слоя 12.0 м ….
подстилаются юрскими глинами… В изучаемой толще четвертичных отложений залегает первый основной водоносный горизонт, приуроченный к древнеаллювиальным пескам. Водоупором служат юрские глины. При бурении на участке скважин в сентябре 1982 г. на глубину 16 метров основной водоносный горизонт был вскрыт на глубине 9.3…9.7 м, что соответствует абсолютным отметкам 140.92…140.96 м».
Абсолютная отметка в выбранном нами месте для бурения 144.6 м.
Это значит, что водоносный горизонт должен начаться через 3.65 м. Обнадёживало, что на технологически доступной глубине начинается водоносный горизонт, но, учитывая линзовый характер водоносов на небольшой глубине и удалённость пробных скважин от места заглубления электрода, брать данные 1982 года за расчетные не представлялось возможным. Условно возможно было использование для предварительных рассчётов справочного параметра удельного электрического сопротивления грунта:
Таблица 1.
|
Тип грунта |
Удельное сопротивление, Ом*м |
|
Глина влажная |
20 |
|
Глина полутвёрдая |
60 |
|
Песок, сильно увлажнённый грунтовыми водами |
10…60 |
|
Песок, умеренно увлажнённый |
60…130 |
|
Песок влажный |
130…400 |
|
Песок, слегка влажный |
400…1500 |
|
Супесь |
150 |
|
Суглинок, сильно увлажнённый грунтовыми водами |
10…60 |
|
Суглинок, полутвёрдый, лёссовидный |
100 |
Проведение предварительных рассчётов
Поскольку в геологическом описании присутствуют все перечисленные выше компоненты, проведение рассчётов более, чем ориентировочное. Поэтому примем удельное электрическое сопротивление грунта равным 100 Ом*м. При прохождении заземляющего электрода через водоносный горизонт удельное сопротивление грунта можно принять равным 50 Ом*м.
R= ρ (ln (2L/d) + 0.5 ln3) / 2πL (1)
где
ρ – удельное сопротивление грунта (Ом*м)
L – длина заземлителя (м)
d – диаметр заземлителя (м)
Для диаметра заземлителя 14.2 мм формула приобретает вид:
R= ρ(lnL+5.51) / 2 πL (2)
Для используемого нами заземляющего электрода диаметром 14.2мм ориентировочные сопротивления растеканию по мере заглубления приводятся в таблице 2:
|
Глубина, м |
3 |
6 |
9 |
12 |
15 |
18 |
||
|
Сопротивление растеканию, Ом (при ρ = 100 Ом*м) |
35.0 |
19.3 |
13.6 |
10.6 |
8.7 |
7.4 |
||
|
Сопротивление растеканию, Ом (при ρ = 50 Ом*м) |
17.5 |
9.7 |
6.8 |
5.3 |
4.4 |
3.7 |
||
|
Сопротивление растеканию, Ом (при ρ = 25 Ом*м) |
8.8 |
4.9 |
3.4 |
2.7 |
2.2 |
1.9 |
||
Если ориентироваться на эти рассчётные данные, выходило, что для получения желательного сопротивления растеканию менее 4 Ом необходимо достигнуть глубины до 18 метров, что довольно проблематично в малопредсказуемых условиях. Вбивать второй электрод, а возможно, и третий на взаимном удалении 25…40 метров, после чего соединить их между собой - уже никак не укладывалось бы в жёстко ограниченный бюджет, т.к. трёхкратно увеличилась бы стоимость работы и расходных материалов по заземлителям и десятикратно – по соединительным проводникам. В действующих ныне «Правилах устройства элетроустановок» есть пространное допущение отступать от нормы сопротивления растеканию не более чем в 10 раз, но следовать ему очень не хотелось бы. Оставалось надеяться на водоносный горизонт.
Расположение заземлителя и измерительных электродов
Была принята следующая схема – максимально-возможное заглубление первого электрода с проведением прецизионных измерений сопротивления растеканию через каждые 1.5 метра. По технологии измерений дополнительные электроды должны располагаться с шагом 5…10 метров. Был принят шаг 6 метров. В бетонном основании пробурены два дополнительных отверстия диаметром 28 мм.
Технологический анализ ситуации
Поскольку ситуация с заглублением электрода внутри здания неестественна, полученные результаты должны представить большой практический интерес.
При естественном заглублении сопротивление растеканию меняется от поверхности по относительно определённой зависимости. На первых полутора метрах может быть выброс низкого сопротивления от верховодки и химически-активного гумусового горизонта, а затем всё становится на свои места, и сопротивление меняется плавно от 40…60 Ом до нужного, или до полученного при встрече электрода с непроходимым препятствием.
В данном случае мы имеем сухой подвал. Очевидно, поверхностные воды не попадают в контуры проекции здания благодаря работе отмостки, дренажной системы и ливневой канализации. Остаётся сухой или капиллярно-увлажнённый песок, неопределённый строительный мусор и капиллярно-увлажнённая глина.
Но, в любом случае, мы встречаемся с водоносным горизонтом на глубине 5.5 метров от уровня бетонного основания, что соответствует 9.5 метрам от поверхности земли.
Полученный материал имеет большую практическую ценность, т.к. в доступных источниках данных по электрофизическим свойствам грунта в Арбатских переулках обнаружено не было.
В случае, если электрод упрётся в непроходимое препятствие до получения нужного сопротивления растеканию ( меньше 4 Ом ), возникнет необходимость в заглублении следующего электрода на расстоянии порядка 18…25 метров от первого, что будет затруднительно при ограниченном финансировании. Поэтому было принято решение пробиваться на максимально возможную глубину за счёт применения дополнительных технических средств для максимального заглубления первого электрода.
Исследование электрофизических свойств грунта и постройка заземлителя
Итак, место для заглубления было выбрано вдоль опорных колонн параллельно северной стене здания. Через дополнительные технологические отверстия были воткнуты в грунт дополнительные электроды для измерений.
Для измерений использовался специальный прибор SEW 2120 ER, ежегодно проходящий метрологическую поверку
До начала измерений была проведена калибровка прибора – установка нуля.
После вбивания первого сегмента на глубину полтора метра сопротивление растеканию составило 558 Ом, что было неожиданно много.
После вбивания второго сегмента на глубине 3 метра сопротивление растеканию составило 432 Ом, что тоже не радовало.
Но измерение на глубине 4.5 метра привнесло оптимизм в работу – 41.9 Ома – значит водоносный горизонт где-то близко!
12.9 Ом на глубине 6 метров окончательно успокоили – даже если на этой глубине возникнет препятствие, ещё 2…3 шестиметровых электрода, взаимоудалённые на 12…15 метров решат техническую проблему. Но с чего бы им упираться во что-то, тем более, что вода совсем рядом.
Замер на глубине 7.5 метров – 7.2 Ом. Электромолот уже работал на пределе, хотя отдача ещё не ощущалась.
Замер на глубине 9 метров – 3.7 Ом показал, что выполняемая работа укладывается в бюджетные ограничения. Хотя в договоре величина в 4 Ома не фигурирует – все прекрасно понимали, что бюджет недостаточен
.
Вполне естественно, может возникнуть вопрос: «А надо ли вбивать электроды дальше, если сопротивление меньше 4 Ом уже получено?».
На военной кафедре нам прочно «вдолбили» – если батарее приказано уничтожить цель 200 снарядами, они должны быть выпущены, независимо от того, с какой по счёту снаряд попал непосредственно в цель. За невыполнение в военное время – трибунал.
Аналогично здесь. Если бюджет позволяет – надо делать лучше.
Технический ресурс основного молота (слева) был исчерпан – энергии удара 25 Дж недостаточно для дальнейшего заглубления. Были подтянуты резервы – электромолот с энергией удара 48 Дж (справа). Весит 18 кг.
Итак, глубина 10.5 метров – 3.5 Ом
Глубина 12 метров – 2.3 Ом. По мере дальнейшего вбивания электрода начала ощущаться отдача.
Глубина 13.5 метров – 2.27 Ом.
Далее глубины 14.2 метра продвижение электрода прекратилось – очевидно, возникло непреодолимое препятствие в виде валуна, остатков старой кладки, какого-нибудь сооружения, не значащегося на карте коммуникаций. Но сопротивление растеканию достигло 2.07 Ом.
Сразу оговорю, при уминании периферических слоёв сформировавшегося канала, при просачивании воды по вертикальным неплотностям, в течение недели сопротивление растеканию обычно уменьшается. Когда спустя 7 дней работа сдавалась представителю Заказчика, замер показал 1.9 Ом.
Эта цифра ушла во всеобщую базу данных: http://goo.gl/maps/fCED5
Полученные результаты приведены в таблице 3. Здесь и далее уровень бетонного основания подвала условно принят -4 метра от поверхности земли, экспериментально полученные данные выделены цветом (результат конечного замера выделен жирным шрифтом):
Таблица 3.
|
Абсолютная отметка, м |
143.1 |
141.6 |
140.1 |
138.6 |
137.1 |
135.6 |
134.1 |
132.6 |
131.1 |
130.4 |
|
|
Условная глубина от поверхности земли, м |
5.5 |
7.0 |
8.5 |
10.0 |
11.5 |
13.0 |
14.5 |
16.0 |
17.5 |
18.2 |
|
|
Глубина технологическая, м |
1.5 |
3.0 |
4.5 |
6.0 |
7.5 |
9.0 |
10.5 |
12.0 |
13.5 |
14.2 |
|
|
Сопротивление растеканию фактическое, Ом |
558 |
432 |
41.9 |
12.9 |
7.2 |
3.7 |
3.50 |
2.30 |
2.27 |
2.07 1.90 |
|
|
Сопротивление растеканию рассчётное, Ом |
Для 100 Ом*м |
|
35.0 |
|
19.3 |
|
13.6 |
|
10.6 |
|
>8.7 |
|
Для 50 Ом*м |
|
17.5 |
|
9.7 |
|
6.6 |
|
5.3 |
|
>4.4 |
|
|
Для 25 Ом*м |
|
8.8 |
|
4.9 |
|
3.3 |
|
2.7 |
|
>2.2 |
|
В нижней части таблицы 3 цветом выделены рассчётные данные, наиболее близкие к экспериментальным.
Далее приводятся результаты расчётов удельного сопротивления грунта на различных глубинах относительно поверхности земли и относительно поверхности бетонного основания подвала по формуле (2):
ρ = 2πLR/(5.51+lnL) (2)
Таблица 4.
|
Абсолютная отметка, м |
143.1 |
141.6 |
140.1 |
138.6 |
137.1 |
135.6 |
134.1 |
132.6 |
131.1 |
130.4 |
|
Условная глубина от поверхности земли, м |
5.5 |
7.0 |
8.5 |
10.0 |
11.5 |
13.0 |
14.5 |
16.0 |
17.5 |
18.2 |
|
Глубина технологическая, м |
1.5 |
3.0 |
4.5 |
6.0 |
7.5 |
9.0 |
10.5 |
12.0 |
13.5 |
14.2 |
|
Удельное сопротивление, Ом*м |
889 |
814 |
169 |
66.6 |
45.1 |
27.1 |
29.4 |
21.7 |
23.7 |
22.6 20.8 |
Из полученных экспериментальных данных следует, что до технологической глубины измерения 3 метра залегает «песок, слегка влажный». Затем начинает сказываться влияние капиллярного подсоса от водоносного горизонта и на глубине 4.5 метра отмечается «песок влажный», переходящий в «умеренно влажный». Далее начинается водоносный горизонт, на технологической глубине 9 метров определяющий интересующие нас электрофизические свойства грунта. Дальнейшее заглубление заземляющего электрода увеличивает площадь поверхности, контактирующей с сильно увлажнённой средой, и улучшает качество заземления.
Вывод
Глубина 14 метров от бетонного основания фактически, соответствует глубине 18 метров от поверхности земли. Однако, типичный характер зависимость изменения сопротивления растекания от глубины принимает только вблизи водоносного слоя. В описываемом случае на глубине около 10 метров от поверхности земли. Это следует учитывать, планируя заземлительные мероприятия в условиях плотной городской застройки. Поскольку почти вся дождевая вода может уходить в дренажную систему и ливневую канализацию, верхние слои грунта останутся недостаточно увлажнёнными. Чем ближе оказывается грунт к водонасыщенному слою, тем выше становится его влажность за счёт капиллярного подсоса. Поэтому в условиях плотной городской застройки следует признать целесообразным применение модульного глубинного заземления с заглублением заземлителя на 12…18 метров от поверхности земли.
Сборка системы
Обычно для присоединения заземлителя используют стальной проводник сечением 80…120 кв.мм. Было решено в качестве проводника использовать параллельно два стальных омеднённых проводника диаметром 8мм, что соответствует общему сечению 100 кв.мм. Слой меди – 0.07мм.
При проведении обследования здания в 1982 году перекрытия между цокольным этажом и подвалом не обследовались, поэтому пришлось подобрать место протаскивания проводника, предварительно проведя дополнительные обследования.
Протаскивание проводника через каналы прохода силовых кабелей было невозможно, поскольку они оказались заполнены уплотнителем и непроходимы.
Поэтому место прохода было выбрано после нескольких пробных бурений с применением для внутреннего обследования перекрытия эндоскопической телекамеры. Слои перекрытия располагаются на некотором расстоянии друг от друга (20…30 см) в следующем порядке:
Бетон
Дерево
Что-то похожее на стеклоблоки
После обследований было выбрано место для протаскивания ПНД трубы с проводниками
Проводники продёрнуты в трубу ПНД, заранее вставленную в отверстия через несколько слоёв архаичных перекрытий и строительного мусора.
В местах прилегания трубы с электродами к плоскости стены в подвальном помещении, труба прикреплена к стене двухлапковыми стальными хомутами.
Заземлитель соединён с проводниками через сжимы соответствующего размера (диаметр заземлителя 14.2мм). Все места соединения покрыты токопроводящей графитной смазкой.
Свободные от соединений места, во избежание механического повреждения медного слоя, закрыты винипластовой трубой диаметром 20 и 25мм.
Сегменты проводника также соединены между собой сжимами с использованием токопроводящей смазки.
Места для втыкания в грунт измерительных электродов помечены краской и отрезками серой винипластовой трубы.
В месте основного присоединения проводников приварены два болта М10.
Использование омеднённой стальной проволоки исключает непосредственное сварное соединение. Для соединения болтов М10 с омеднёнными проводниками использованы два отрезка медного провода с медными лужёными наконечниками.
Для этого на концах стальных проводников нарезана резьба М8. Строго говоря, резьбу надо было нарезать пресловутыми плашками 3/8 дюйма. Помните, Слесарь-интеллигент возмущался: «До чего дожились, вчера весь город обегал, плашек три восьмых дюйма достать не мог. Нету. Нет! А трамвай собираются пускать!..» Пришлось с трудом "натягивать" плашку М8. Но зато гаек 3/8 дюйма добывать не понадобилось.
Таким образом, отрезки медного провода соединяют проводники с болтами, приваренными к стальным конструкциям.
Места сварки и резьбовых соединений покрыты краской. В местах, свободных от соединений, во избежание повреждения медного слоя, проводники помещены в трубы из ПНД и винипласта и прижаты к стене двухлапковыми стальными хомутами. Окончательно собранная система в помещении ВРУ выглядит так:
Общий вид заземлителя, соединённого с проводниками в подвальном помещении:
|
Предостережение!!! Заземляющий электрод собран на резьбовых соединениях. При каждом наращивании длины электрода новый сегмент был протянут специальным ключом. Весь электрод в сборе также протянут в направлении правой резьбы. Во избежание истирания покровного слоя меди не вращайте электрод. Во избежание разъединения электрода не прилагайте усилий в сторону против часовой стрелки, т.е. развинчивания правой резьбы. Расстыковка на глубине приведёт электрод в негодность! |