Анализ гидрогеологических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга как фактора безопасного строительства и длительной устойчивости подземных сооружений

метки: Петербург, Инженерный, Условие, Геологический, Водоносный, Напор, Изменяться, Проходка

Санкт-Петербургский горный университет

Кафедра гидрогеологии и инженерной геологии

Анализ гидрогеологических условий в подземном пространстве Санкт-Петербурга как фактора безопасного строительства и длительной устойчивости подземных сооружений

Земсков Алексей Игоревич, аспирант

подземное сооружение гидрогеологическое строение

Таблица 1. Химический состав и окислительно-восстановительный потенциал в грунтовых водах островной части Санкт-Петербурга под влиянием стоков [2]

Элементы	Адмиралтей ский	й	Коломенски	й	Васильевски	Заячий	Петроградский	Безымянны й
pH*	6,85-7,23		7,21-7,38		6,84-7,29	6,88-7,47	7,21-7,68	6,85-7,69
Eh, мВ*	(+68) — (-55)		(-61) — (93)		(+63) — (-105)	(-68) — (-107)	(+85) — (+17)	(-61) — (127)
NH 4 + , мг/л	1,4-25,3		2,3-4,0		1,8-33,0	1,9-2,7	2,4-5,0	1,5-9,8
SO 4 2- , мг/л	24,6-65,7		16,0-41,1		16,0-164,4	8,0-57,5	22,0-123,3	13,8-657,6
Cl — , мг/л	39,0-709,6		42,5-60,4		35,4-857,9	35,4-226,9	32,0-71,2	28,7-531,0
HCO 3 — мг/л	122,01384,5		463,6-573,4		244,0-1723,0	183,0-427,0	97,6-488,1	158,61220,0
Минерали зация, мг/л	577,12484,5		895,2-723,6		449,1-2780,4	418,4-897,8	361,2-956,9	482,82725,5
Перманга натная окисляемость, мгО2/л	24,7-112,2		25,6-112,0		13,2-80,0	16,6-64,0	14,8-80,0	19,0-144,0
CO 2 агр., мг/л	17,6-24,2		до 2,2		до 48,8	2,2-13,2	2,2-22,0	2,2-103,4
Нефтепро дукты, мг/л	0,14		0,12		0,04-0,92	0,12-0,26	0,07	0,08-0,91

Верхний межморенный московско-осташковский водоносный горизонт развит в северной и северо-восточной части города и приурочен к озерно-ледниковым и флювиогляциальным мелкозернистым и пылеватым пескам. Горизонт залегает между верхней осташковской и нижней московской моренами. Мощность водовмещающей толщи изменяется в пределах 0,3-33 м. Воды напорные, величина напора варьирует от 2 до 38 метров. Уровень подземных вод устанавливается на глубине 2-5 м и более. В настоящее время фиксируется подъем пьезометрической поверхности водоносного горизонта. На части территории города уровень фиксируется на отметках выше дневной поверхности. На большей части территории города воды пресные, гидрокарбонатные натриевые с минерализацией 0,1-0,5 г/дм ³ . Вода характеризуется повышенным содержанием двухвалентного железа, содержание которого в настоящее время достигает 60 мг/дм³ . Напорные воды верхнего межморенного водоносного горизонта представляют потенциальную опасность с точки зрения подтопления на участках с высоким пьезометрическим уровнем и малой мощностью перекрывающей осташковской водоупорной толщи. В настоящее время фиксируется подъем пьезометрической поверхности водоносного горизонта. На части территории города (в районе Полюстрово — ул. Ключевая, Антоновская, пр. Металлистов, Полюстровский пр-т) уровень фиксируется на отметках выше дневной поверхности, где происходит разгрузка водоносного горизонта в виде родников («грифонов») (Рис. 2).

Кроме того, в пределах таких участков, при производстве строительных работ, возможны прорывы вод в котлованы, образование процессов восходящего перетекания напорных вод по сваям, затопление подвалов и деформации зданий [3, 4].

Рис. 2. Подтопление территории водами Полюстровского водоносного горизонта в районе Пр. Металлистов (слева) и ул. Антоновской (справа)

Нижний межморенный водоносный горизонт распространен в северной и южной частях территории города в толще, между днепровской и московской моренами. Представлен разнозернистыми песками с включениями гравия и гальки, мощностью от 1-2 до 30-70 метров в погребенных долинах. Глубина залегания кровли комплекса составляет 40-60 метров, иногда достигая 70-80 метров. Воды высоконапорные, что имеет принципиальное значение для подземного строительства. Величина напора составляет 20-70 м. Пьезометрическая поверхность фиксируется на глубине 5-10 м. Часто среди водовмещающих отложений встречаются пески, обладающие плывунными свойствами, что делает невозможным даже их частичное осушение. Проходка тоннелей при наличии в разрезе напорных вод данного водоносного комплекса должна вестись с применением проходческих щитов с гидропригрузом, т.к. метод замораживания грунтов не гарантирует устойчивость конструкций на этапе эксплуатации при оттаивании пород. В качестве примера неэффективности применения заморозки в грунтах можно упомянуть аварию 1974 года на участке перегонного тоннеля между станциями «Лесная — Пл. Мужества». Опыт проходки тоннелей Петербургского метрополитена в нижней межморенной толще показал сопряженность с рисками возникновения аварийных ситуаций, влекущих за собой колоссальные материальные потери. Считается, что химический состав обладает низкой степенью агрессивности по отношению к железобетонным конструкциям. Воды в основном гидрокарбонатные, хлоридногидрокарбонатные и сульфатно-гидрокарбонатные натриевые с минерализацией от 0,1 до 0,7 г/дм ³ .

Практически вся толща четвертичных отложений может рассматриваться как неустойчивая среда, что способствует оплыванию или прорыву водонасыщенных песчаных грунтов в подземные выработки при нарушении или неправильном выборе технологии ведения горных работ. Обоснование технологии ведения работ должно быть определено в соответствии с обязательным учетом наличия подземных вод, оценке их гидродинамического режима и коррозионной способности. Для безопасной проходки котлованов, тоннелей и шахтных стволов в зонах развития водоносных горизонтов необходимо иметь точные сведения о возможности прорывов напорных вод и плывунов в горные выработки. Прорывы подземных вод через водоупорную глинистую толщу возникают под действием гидростатического давления и зависят от мощности и прочности водоупора, формы и размеров выработки, а также величины безопасного напора. Для предупреждения подобных явлений необходимо выполнение расчетов возможности прорывов с целью определения безопасной величины заглубления фундаментов или шахтных стволов, либо рекомендации по выполнению предварительного водопонижения. Здесь необходимо отметить, что в условиях плотной городской застройки, возможность осушения водоносных горизонтов исключается. В результате понижения уровня происходит снижение напоров и взвешивающего эффекта воды. Следствием этого является существенный рост эффективных напряжений в грунтах и их последующее уплотнение, что может приводить к значительным деформациям наземных и подземных сооружений, переводя их в предаварийное и/или аварийное состояние при наличии слабых отложений в основании. По результатам расчетов прорывов можно оконтурить зону безопасного проведения работ без устройства дренажных мероприятий, а также разработать рекомендации по предупреждению прорывов в период проходки горных выработок.

В Санкт-Петербурге, согласно общепринятому подходу, трассы глубоких перегонных тоннелей прокладываются в водоупорной толще верхнекотлинских глин, что, теоретически, должно гарантировать отсутствие непосредственного влияния высоконапорных вод нижележащего вендского (нижнекотлинского) водоносного комплекса. Однако, как было отмечено ранее, из-за высокой степени трещиноватости глин тектонической и нетектонической природы, верхнекотлинская толща не может считаться абсолютным водоупором (Рис. 3).

Вендский водоносный комплекс развит на всей территории Санкт-Петербурга и в настоящее время рассматривается как Петербургское месторождение минеральных вод. Его кровля прослеживается на абсолютных отметках от минус 100 м до минус 125 м в центральной части города, с плавным погружением на юго-восток. Водоносный комплекс представлен переслаиванием песчаников, алевролитов и глин суммарной мощностью 45-90 м. Водообильность комплекса зависит от мощности водовмещающей толщи песчаников. Удельные дебиты скважин составляют 1,2-2,5 л/с. Значения коэффициента фильтрации изменяется от 3 до 5 м/сут, возрастая в узлах тектонических разломов. Минерализация воды в пределах территории города изменяется от 3,5 до 5 г/дм ³ , а в зонах тектонических разломов может превышать 5-6 г/дм³ [3].

Рис. 3. Схематический геолого-литологический разрез погребенной долины (с элементами гидрогеологии) [3].

Состав воды хлоридно-натриевый. Под воздействием градопромышленного комплекса в послевоенный период произошло существенное нарушение гидродинамического равновесия водоносного комплекса за счет активной эксплуатации подземных вод в Санкт-Петербурге, что способствовало развитию обширной пьезометрической депрессии. К 1977 году было зафиксировано максимальное снижение уровня до 70 метров при годовом водоотборе 32 тыс. м ³ /сут. С конца 80-х годов водоотбор сократился из-за введения ограничений на использование подземных вод комплекса. Пьезометрическая поверхность начала восстанавливаться и темп восстановления резко усилился после 1990 года. В настоящее время уровень подземных вод устанавливается на глубине 15-20 метров от земной поверхности и продолжает расти со скоростью, предположительно 1,5-2,0 метра в год. Таким образом, при сохранении такого темпа подъема, уровень достигнет дневной поверхности уже через 8-10 лет, а через 2-4 года сравняется с первоначальным естественным положением.

Такое повышение уровня негативно сказывается на наземных и подземных сооружениях, особенно перегонных тоннелях метрополитена и фундаментах глубокого заложения. Взвешивающий эффект, который оказывают напоры, изменяет напряженно-деформируемое состояние пород вышележащей толщи, увеличивает давление на тоннельную конструкцию. При подъеме пьезометрической поверхности взвешивающий эффект будет увеличиваться, что приведет к более интенсивному вертикальному перемещению тоннелей.

Наличие дезинтегрированности в коренных глинах, о чем упоминалось ранее, предопределяет повышение их проницаемости на несколько порядков, снижая их сопротивление сдвигу и увеличивая деформационную способность. Рост водопроницаемости верхнекотлинских глин приводит к возможности восходящего перетекания высоконапорных минерализованных вод нижнекотлинского водоносного комплекса. Особенно остро вопрос восходящей инфильтрации стоит в пределах тальвегов погребенных долин, под которыми проложены некоторые участки трасс метрополитена, где расстояние между кровлей водоносного комплекса и телом выработки перегонного тоннеля минимально и составляет 14-15 м. О высокой проницаемости глин свидетельствуют многочисленные водопроявления в эксплуатируемых перегонных тоннелях (течи, капеж, увлажнение и др.).

Отдельно следует отметить особенности химического состава подземных вод комплекса, которые характеризуются специфической агрессивностью по отношению к конструкционным материалам обделок, гидроизоляции тоннелей и другим материалам, в том числе чугуну. В подземных водах фиксируется высокое содержание хлоридов (от 2,0 до 2,9 г/дм ³ , а также ионов натрия и калия от 1,2 до 1,7 г/дм³ ).

Известно, что даже плотные бетоны при давлении более 3 атм. (30 метров напора) становятся диффузионно проницаемыми для ионов хлора и натрия, приводя к разрушению структуры цементного камня, состоящего из гидросиликатов и гидроалюмосиликатов кальция. Постоянное увлажнение бетонных конструкций тоннелей минерализованными хлоридно-натриевыми водами будет способствовать деградации бетонов и их прогрессирующему разрушению. Кроме того, хлориды относятся к одним из самых сильных активаторов электрохимической коррозии металлов, даже в условиях высокой щелочности жидкой фазы бетона. Таким образом, учитывая благоприятные условия для накопления хлорид-ионов в поровых пространствах бетона, можно предположить, что стальная арматура также будет находиться под постоянным агрессивным воздействием критических концентраций хлоридов.

1. ГОСТ 23732-2011. Вода для бетонов и строительных растворов. Технические условия. М, Стандартинформ, 2012.

2. Дашко Р.Э., Власов Д.Ю., Шидловская А.В. Геотехника и подземная микробиота. СПб. Институт «ПИ Геореконструкция», 2014.279 c.

3. Дашко Р. Э, Александрова О.Ю., Котюков П.В. и др. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга // Развитие городов и геотехническое строительство, выпуск № 1/2011. С.1-34.

4. Дашко Р.Э., Жукова А.М. и др. Инженерная геология и геоэкология подземного пространства СанктПетербурга проблемы его освоения и использования // Геология крупных городов. Материалы международной конференции. СПб, «Геоинформ», 2009. С.18-19.

5. СП 28.13330.2012. Свод правил. Защита строительных конструкций от коррозии.М. Минрегион России, 2012.