Инженерно-геологическое обоснование условий строительства и эксплуатации подземных транспортных сооружений в пределах исторической части Санкт-Петербурга Шатская, Елена Юрьевна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Исследование особенностей инженерно-геологических условий подземного пространства в исторической части города 10

1.1. Инженерно-геологические условия разреза дочетвертичных пород 10

1.2. Инженерно-геологические условия разреза четвертичных отложений 21

1.3. Специфика гидродинамических и гидрохимических условий исторической части города 31

Глава 2. История и состояние проблемы строительства и эксплуатации линий метрополитена в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга 44

2.1. Особенности проектирования и строительства первых трасс метрополитена 44

2.2.Принципы и способы строительства перегонных и эскалаторных тоннелей, пересадочных узлов и станций метрополитена в исторической части Санкт-Петербурга 58

2.3. Анализ развития деформаций земной поверхности при строительстве перегонных, эскалаторных и станционных тоннелей, а также пересадочных узлов в исторической части города 68

2.4. Особенности строительства станционного комплекса ст.м. «Адмиралтейская» PI его влияние на развитие деформаций близлежащих зданий 78

Глава 3. Инженерно-геологические условия расположения эскалаторного тоннеля станции «Площадь Александра Невского-1» 85

3.1. Факторы контаминации подземной среды в пределах территории размещения эскалаторного тоннеля 85

3.2. Особенности разрушения чугунных обделок эскалаторного тоннеля «Площадь Александра Невского - I» по результатам обследования и проведения комплекса эксперементальных работ 96

3.3. Результаты комплексных микробиологических исследований 105

Глава 4. Сравнительный анализ вертикальных перемещений перегонных тоннелей в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий в пределах погребенной долины Пра-Невы. 113

4.1. Особенности развития вертикальных перемещений по трассам исследованных тоннелей 113

4.2. Характер перемещений перегонных тоннелей во времени по трассе «Невский проспект - Горьковская» 116

4.3. Характер перемещений перегонных тоннелей во времени по трассе «Гостиный двор - Василеостровская» 127

Глава 5. Особенности разрушения конструкционных материалов обделок перегонных тоннелей в подземном пространстве исторического центра . 137

5.1. Особенности разрушения конструкционных материалов, наблюдаемых при обследовании перегонов «Невкий проспект - Горьковская» и «Гостиный двор - Василеостровская» 137

5.2. Результаты комплексных микробиологических исследований образцов, отобранных по трассам перегонных тоннелей «Невский проспект — Горьковская» и «Гостиный двор - Василеостровская». 154

5.3. Сравнительная характеристика особенностей разрушения конструкционных материалов по перегонным тоннелям «Невский проспект -Горьковская», «Гостиный двор — Василеостровская» и эскалаторному тоннелю «Площадь Александра Невского-1» 167

Заключение 171

Библиографический список 178

• Инженерно-геологические условия разреза четвертичных отложений
• Анализ развития деформаций земной поверхности при строительстве перегонных, эскалаторных и станционных тоннелей, а также пересадочных узлов в исторической части города
• Особенности разрушения чугунных обделок эскалаторного тоннеля «Площадь Александра Невского - I» по результатам обследования и проведения комплекса эксперементальных работ
• Характер перемещений перегонных тоннелей во времени по трассе «Невский проспект - Горьковская»

Введение к работе

Актуальность работы. Петербургский метрополитен является одним из наиболее глубоких метрополитенов мира. Строительство подземных станций, эскалаторных и перегонных тоннелей в 50^х-60^х гг прошлого века в ряде случаев сопровождалось переходом в аварийное и предаварииное состояние старинных жилых и архитектурно-исторических зданий постройки 18-19 веков. Развитие больших и неравномерных деформаций зданий в пределах исторической (островной) части города было связано с отсутствием в то время безусадочных технологий проходки в сложных инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических условиях.

Большой вклад в изучение влияния строительства метрополитена на устойчивость зданий и сооружений в различные года внесли: Ю.А. Лиманов, В.Ф. Подаков, Д-М. Голицынский, Н.С. Булычев, А.Г. Протосеня,

О.В. Тимофеев, П.К. Тулин и др. Изучением инженерно-геологических условий подземной среды для строительства метрополитена занимались: В.Д. Ломтадзе, Б.Н. Архангельский, Р.Н. Левашова, Р.Н. Кремнева, С.Я. Нагорный и др.

Влияние агрессивности подземной среды на конструкционные материалы в должной мере не учитывалось проектировщиками и строителями, в связи с чем, рассчитанные на 100 лет эксплуатации несущие обделки и гидроизоляция тоннелей в настоящее время требуют капитального ремонта.

Цель работы. Установление закономерностей влияния инженерно-геологических и геоэкологических условий с учетом агрессивности компонентов подземной среды на развитие деформаций и длительную устойчивость несущих конструкций перегонных и эскалаторных тоннелей в пределах исторического центра города.

Основные задачи исследований: 1. Изучение особенностей эксплуатации и разрушения несущей обделки эскалаторного тоннеля ст.м. «Площадь Александра Невского-Т» в условиях развития слабых четвертичных отложений при высокой степени загрязнения компонентов

5 подземной среды. 2. Исследование в ретроспективном и перспективном плане влияния строительства и эксплуатации перегонных тоннелей и подземных станций на устойчивость зданий в исторической части города в зависимости от сложности инженерно-геологических условий и технологии ведения работ.

Изучение влияния инженерно-геологических особенностей верхнекотлинских глин верхнего венда в тальвеге и склоновой части глубокой погребенной долины на условия эксплуатации перегонных тоннелей «Невский проспект - Горьковская» и «Гостиный двор - Василеостровская».

Установление взаимосвязи развития вертикальных перемещений по трассам вышеназванных перегонных тоннелей при их расположении в различных зонах верхнекотлинских глин ниже подземного контура погребенной долины.

Сравнительная оценка коррозионной активности четвертичных отложений (эскалаторные тоннели) с особенностями протекания коррозии обделок перегонных тоннелей в верхнекотлинских глинах венда.

Фактический материал и личный вклад автора. Диссертационная работа подготовлена на основе исследований, проведенных кафедрами гидрогеологии и инженерной геологии и строительства горных предприятий и подземных сооружений СПГГИ(ТУ), в которых автор принимал непосредственное участие, с 2006 года. Участие автора в проведении специализированной съемки эскалаторного и глубоких перегонных тоннелей Петербургского метрополитена с отбором образцов разрушенных конструкционных материалов и натечных форм; проведение экспериментальных исследований для оценки особенностей разрушения несущих обделок, изучения влияния гидродинамического и гидрохимического воздействия напорного водоносного комплекса на деформации тоннелей и разрушение конструкционных материалов; влияние строительства подземных станций на развитие оседания земной поверхности в пределах плотной застройки исторического центра города.

Основные- методы исследований:.' теоретический анализ формирования зонального строения верхнекотлинских глин и агрессивности' подземной среды по» отношению конструкционным материалам; полевые методы опробования разрушенных обделок и гидроизоляционного слоя, а также водопроявлений; экспериментальные исследования¹ биокоррозии; использование компьютерных технологий моделирования деформаций земной поверхности при строительстве подземной станции и обработки результатов.

Объект исследований. Эксплуатируемые эскалаторный и перегонные тоннели в исторической части города ст.м. «Площадь Александра Невского-1», перегоны «Невский проспект - Горьковская» и «Гостиный двор -Василеостровская», а также строящаяся станция «Адмиралтейская».

Объекты внедрения результатов исследований. Научно-практические разработки по особенностям развития перемещений перегонных тоннелей в зависимости от зонального строения трещиноватых верхнекотлинских глин и формирования агрессивной подземной среды будет внедряться рядом организаций: ОАО НИПИИ «Ленметрогипротранс», ОАО «Метрострой», служба ТОИС ГУЛ «Петербургский метрополитен».

Научная новизна работы:

1. Определено* влияние загрязнения водонасыщенной толщи четвертичных отложений на разрушение чугунных обделок и гидроизоляции эскалаторного тоннеля и выявлены деструкторы конструкционных материалов

2. Установлены закономерности развития* вертикальных перемещений перегонных тоннелей в зависимости от зонального строения, степени трещиноватости толщи верхнекотлинских глин под палеодолиной Пра-Невы и гидродинамического воздействия, вендского водоносного комплекса, а также специфика влияния минерализованных хлоридно-натриевых вод комплекса на несущие конструкции перегонных тоннелей.

3. Выполнен сравнительный анализ агрессивности вмещающей среды, в том числе подземных вод, на особенности протекания коррозии конструкционных

7 материалов в разрезе четвертичных отложений (эскалаторный тоннель) и в породах верхнего венда (перегонные тоннели). Защищаемые положения.

Формирование агрессивности подземной среды в зонах интенсивного загрязнения грунтовых вод и четвертичных отложений происходит за счет старинных и действующих кладбищ, погребенных болот и утечек из системы водоотведения, что предопределяет активное коррозионное разрушение чугунных несущих конструкций эскалаторного тоннеля ст.м. «Площадь Александра Невского-!».

Строительство подземных станций при наличии мощной толщи слабых водонасыщенных песчано-глинистых отложений в разрезе исторического центра города приводит к развитию деформаций земной поверхности в условиях плотной застройки 18-19 вв., что должно учитываться при обосновании технологий ведения подземных работ с целью сохранения исторического облика города.

Характер и динамика развития вертикальных перемещений перегонных тоннелей «Невский проспект - Горьковская» и «Гостиный двор — Василеостровская» зависит от их расположения по отношению к тальвеговой либо склоновой части погребенной долины Пра-Невы, определяющей степень дезинтеграции верхнекотлинских глин и интенсивность комплексного воздействия подземных вод вендского водоносного комплекса.

Компонентный состав разрушенных конструкционных материалов и натечных форм в эскалаторном и глубоких перегонных тоннелях зависит от гидрогеохимических условий водоносных горизонтов, воздействующих на обделку, а также техногенных источников загрязнения подземной среды.

Практическая значимость работы. 1. Проведена оценка степени агрессивности подземной среды в толще четвертичных отложений и подземных вод в процессе их загрязнения по

8 отношению к несущим конструкциям и гидроизоляционному слою эскалаторного тоннеля ст. м. "Площадь Александра Невского-1".

Рассчитаны размеры зон влияния и величина деформаций земной поверхности ст.м. «Адмиралтейская» с помощью компьютерного моделирования.

Установлена динамика разрушения конструкционных материалов эскалаторных и перегонных тоннелей в зависимости от компонентного состава подземных вод и агрессивности вмещающей среды.

Установлено отсутствие влияния глубины заложения тоннелей различного назначения на сохранность их несущих конструкций в условиях подземной среды исторического центра.

Достоверность научных положений и выводов. В диссертационной работе использован большой объем научно-практических и экспериментальных исследований по влиянию особенностей инженерно-геологических и геоэкологических условий на разрушение несущих конструкций (бетон, железобетон и чугун) и гидроизоляционных материалов обделки тоннелей. В основу диссертации положены результаты, полученные в ходе проведения хоздоговорных работ, с непосредственным участием автора: «Обследование перегонных тоннелей и контроль напряженно-деформированного состояния обделок на перегоне "Невский проспект — Горьковская" по 1-му и П-му путям Петербургского метрополитена» (2006 г), «Обследование перегонных тоннелей и контроль напряженно-деформированного состояния обделок на перегоне "Гостиный двор - Василеостровская" по 1-му и П-му путям Петербургского метрополитена» (2006 г), «Обследование технического состояния строительных конструкций наклонного хода ст. "Площадь Александра Невского I"» (2009 г).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: Международный форум молодых ученых «Проблемы недропользования» (СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2007г); Всероссийская конференция-конкурс студентов выпускного

9 года (СПГГИ(ТУ), Санкт-Петербург, 2007г); XL VIII международная конференция (Краковская Горная академия, г. Краков, Польша, 2007 г.); Молодежный форум в рамках горно-металлургической конференции (Фрайбергская горно-металлургическая академия, г. Фрайберг, Германия, 2008 и 2009 г.), «III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике», (Белгородский государственный университет, Белгород, 2009г); Конференция молодых специалистов «Дерзость надежд», посвященная памяти доктора геолого-минералогических наук, члена корреспондента РАН Валерия Александровича Мироненко (20 Юг); I Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» (Пермский государственный университет, г. Пермь, 201 Ог).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 9 опубликованных работах, в том числе три статьи в журналах, входящих в Перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки РФ.

Структура работы. Диссертация изложена на 197 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 114 наименований, содержит 57 рисунков, 24 таблицы, 30 фотографий, 3 приложения.

Автор выражает искреннюю признательность за постоянную помощь и поддержку на всем протяжении подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н. профессору Р.Э. Дашко, автор благодарит: заведующего кафедрой ГиИГ СПГГИ(ТУ) д.г.-м.н. проф. Антонова В.В., д.г.-м.н. проф. Иванова И.П., д.г.-м.н. проф. Сударикова СМ., к.г-м.н. доц. Петрова Н.С., к.г-м.н. доц. Шидловскую А,В., к.г-м.н. Александрову О.Ю., и других сотрудников кафедры за обсуждение материалов диссертации; асе. Котюкова П.В., асп. Панкратову К.В., асп. Ковалеву Е.Н. за содействие в проведении полевых и экспериментальных работ. Автор выражает глубокую благодарность д.б.н. Власову Д.Ю. за помощь в проведении микробиологических исследований.

10 : Глава 1. Исследование особенностей инженерно-геологических условий подземного пространства в исторической части города;

Инженерная геология - это отрасль геологии; изучающая состав и свойства пород, а также различные теологические процессы, в связи с освоением и использованием подземного пространства городов в различных целях. Инженерная геология представляет собой комплексную науку, затрагивающую некоторые разделы гидрогеологии, геоэкологии, тектоники и связанную с некоторыми другими отраслями геологии.

В данной работе представлена характеристика инженерно-геологических условий разреза подземного пространства исторической части Санкт-Петербурга, /определяющая особенности эксплуатации: глубоких перегонных тоннелей по исследуемым трассам «Невский проспект — Горьковская» и «Гостиный двор — Василеостровская» и эскалаторному тоннелю ст.м. «Площадь Александра Невского-1». Кроме того, в работе уделено особое внимание строительству в исторической части города станционного комплекса «Адмиралтейская» и его влияние на сохранность здания, расположенных вблизи станции.

1.1: Инженерно-геологические условия разреза дочетвертичных пород.

Формирование особенностей рельефа коренных пород, а также их физико-механических свойств происходило под воздействием тектонических сил. Структурно-тектоническое строение территории Санкт-Петербурга и его окрестностей определяется расположением города в тектонически-напряженной области на стыке двух мегаблоков - Балтийского щита и Русской плиты, в пределах которых, фиксируются геофизические и геохимические аномалии, большое число разломов в породах кристаллического фундамента, повышение сейсмической активности, а также природной радиоактивности. [23] Территория Санкт-Петербурга сечется системой разнонаправленных о.Пв егов

СТАГАЯ дайны \ л^ кШІПИрАДСКИЙ «Т.М.Г

ФніііхнлсьііА W\L** _-і

ГНевс _7/ о. Канон

Условные обозначения

Зоны разрывных тектонических нарушений

Оси региональных зон разломов, проявленных в кристаллическом фундаменте и фрагментарно в магнитном и гравитационном полях.

Активные разломы, проявленные в отложениях платформенного чехла, их номера на карте.

А - выделенные по совокупности геологических и геофизических данных

В - выделенные в основном по косвенным геофизическим и геоморфологическим данным.

Геодинамические активные разломы, нашедшие отражение в разрезе четвертичных отложений.

Тальвеги палеодолин ("размывов") в рельефе предчетвер-тичной поверхности:

А - глубиной более 50 м.

В - глубиной менее 50 м. уступы в рельефе предчетвертичной поверхности. Линии метрополитена.

Обследованные станции и линии метрополитена Места аварий на линии метрополитена. Участки инженерных осложнений на линии метрополитена.

Рисунок 1.1. Фрагмент геолого-структурной карты (Е.К. Мельников, А.Н. Шабаров 2004г)

12 региональных и трансрегиональных разломов субширотного, северозападного и близмеридионального направления (рис. 1.1). Именно эта сеть разломов предопределила основные элементы береговой линии Финского залива, современной и погребенной гидросети доледникового и межледникового времени. Указанные разломы унаследованы от структур пород фундамента и представлены относительно приподнятыми, либо опущенными блоками. При этом наблюдается достаточно быстрое погружение пород архей-протерозойского кристаллического фундамента в юго-восточном направлении, кровля которых в пределах Санкт-Петербурга фиксируется на глубине 185-220 м.

Современные геологические исследования территории Санкт-Петербурга (Ауслендер В.Г., Кабаков Л.Г., 2002) показали приуроченность города к крупной геодинамической системе (блоку) в кристаллическом фундаменте, отличающейся слагающими ее геологическими формациями и сетью локальных разрывных нарушений, которые сформировались в процессе геологического развития земной коры. Санкт-Петербург располагается в пределах Ленинградского блока, выраженного гравитационной положительной аномалией.

В пределах локального разлома, который пересекает трассу тоннелей «Невский проспект - Горьковская» в районе ПК 140 и трассу «Гостиный двор - Василеостровская» в районе ПК 153 (рис. 1.2), породы кристаллического фундамента испытывают опускание с амплитудой от 1,5 до 4,0 мм в год (по данным ФГУП «Севзапгеология» 2000 год). Кроме того, на северо-западе Санкт-Петербургского региона по- ряду геоморфологических признаков отмечаются сдвиговые деформации, величины которых варьируют от долей до 2 мм в год. (Никольский, 1997). По разломам северо-восточного простирания (азимут 30 — 70) фиксируются тектонические трещины, секущие толщу осадочных пород под углом 45 — 75, где нередко наблюдается дробление коренных песчано-глинистых пород, которое приводит к повышению их проницаемости.

Активизация разломов сопровождается эксгаляциями радона, метана, углекислого газа. Коэффициент эманирования горных пород и минералов резко повышается в дезинтегрированных зонах, например при повышении трещиноватости. Механизм переноса глубинных эманации¹ к дневной поверхности определяется особенностями геолого-литологического строения, присутствием тектонических разломов как проводящих зон, наличием напорных водоносных горизонтов, способствующих ускорению подъема газовых эманации. Результаты радоновой и газогеохимической съемки, проведенной в 2003 году ФГУП «Севзапгеология», на территории, приуроченной в плане к трассам исследованных тоннелей, показали, что максимальное содержание радона достигает 54 Бк/дм, метана - 0,8%, углекислого газа — 0,82%. Следует отметить, что в зонах с активным выделением радона (более 150 Бк/дм ) величина СБ (содержание суммарного белка микробного генезиса) в грунтах обычно возрастает в 5-10 раз по сравнению с участками фоновой эксгаляции радона (6-8 Бк/дм³).

Геологический разрез дочетвертичного осадочного чехла в рассматриваемом районе начинается с песчано-глинистых отложений нижнекотлинского горизонта верхнего венда (XMcti), которые повсеместно перекрывают породы кристаллического фундамента архей-протерозойского возраста (AR-PRi). В составе нижнекотлинского горизонта (рис. 1.3.) выделяют три пачки: нижняя — сложенная преимущественно песчаниками грубозернистыми и гравелистыми, средняя - алевритисто-глинистая и верхняя - представленная тонко- и мелкозернистыми песчаниками на глинистом или кремнистом цементе (на разрезе не показаны). Суммарная мощность пород этого горизонта составляет в среднем 85-90 м. Нижнекотлинские отложения сменяются вверх по разрезу толщей переслаивания песчаников и глин, а затем глинами верхнекотлинского горизонта (V2kt₂), в которых проложены перегонные тоннели Петербургского метрополитена центральной части города.

-20 -Ю -о --Ю -22.5

Абсолютные отметки кровли венда

Тектонические разломы

Рассматриваемые станции и трассы метрополитена

Рисунок 1.2. Структурно-тектоническая схема территории исторического центра Санкт-Петербурга с указанием изолиний кровли верхнекотлинских глин и рассматриваемых станций и трасс метрополитена "Адмиралтейская", "Пл.Ал.Невского-I", "Невский проспект -

Горьковская" и "Гостиный двор - Василеостровская" (ФГУП «Севзапгеология» 2000 год).

Масштаб: горизонтальный 1:10000 вертикальний: 1:500 ст.м. Гостиный Z

Кана і / рхи'юстла ст.м. Адмиралтейская -10.0 -1*,D 20,0 -25.0 -30.0 -35.0 ш&я&штяш' ст. м. Василеостровская

ЩЫгтЛЛМл&т^ _т.у_Т.у _т.у......._т-_т._{т т}.--.--._т.._і--.. ,, -,1Г11ГМІИМВВМИМ^^'^^^ -ЖЯ8&ЄВ&йЯ*5№№ЖйЯЯ&.

Условные обозначения

Техногенные суглинки и супеси со строительным мусором Морские и озерные пески и супеси ) \\\\/\ >' Оэерно-ледникоеые ленточные суглинки и глины с линзами песка // и супесей Балтийского ледникового озера І Оаерно-ледникоаые суглинки и супеси rfftiUjr Суглинки лужской морены с включениями гравия и гальки | Озерно-ледниковые суглинки и глины JjjL^ Суглинки реже супеси московской морены с включением гравии, y^ffls гальки и валунов f Озерно-ледниковые суглинки и супеси, пылеаатые пески (Н4п . Флювиогляциальные разнозарнистые пески с включением гравия

Вендские верхнекотлинсхие глины с прослоями песчаника

Нижнєкотлинские песчаники на глинистом или кремнистом цементе, содержащие напорные воды ^{— —} ~ Уровень грунтовых вод

Пьезометрическая поверхность вендского водоносного ~ комплекса . . _ . _ Пьезометрическая поверхность нижнего межморенного водоносного горизонта

Рааломы и юны разломов, унаследованные от структур фундаментов J I ев

Н W Северо-восточный

И W Северо-северо-восточный

Напор

Рисунок 1.3. Геолого-литологический разрез палеодолины пра-Невы центральной части С-Петербурга с элементами гидрогеологии. (по данным изысканий Ленметрогипротранса)

Верхнекотлинские глины (ранее стратеграфировавшиеся^ как нижнекембрийские ламиноритовые глины) представляют собой древние" (возраст более 650 млн. лет) морские мелководные отложения* зеленовато-серого цвета, плотные, трещиноватые; тонкослоистые, часто с бурыми^ пленками водорослей на, плоскостях напластования. По? гранулометрическому составу эти глины относятся к типично алевритовым разностям: содержание пылеватых фракций в них может изменяться от 30 до 80 %, а глинистых от 20 до 60%; песчаные частицы отсутствуют или содержание их очень мало. Тонкодисперсная часть этих глин представлена гидрослюдой и каолинитом. Среди минералов группы, гидрослюды преобладает иллит.

В поздненеогеновое-раннечетвертичное время кровля коренных глин верхнего венда была выведена по поверхность и расчленена речными долины, которые позднее были заполнены четвертичными отложениями. Таким образом, глубина залегания кровли верхнекотлинских глин непостоянна, постепенно увеличиваясь, она достигает своего максимума (100 м и более) в тальвеговой части погребенной долины.

При этом наблюдается совпадение древней эрозионной речной сети с региональными.тектоническими разломами (см. рис. 1.1.). Основное развитие палеодолин происходило по субширотным и северо-восточным разломам. В узлах пересечения разнонаправленных разломов отмечается^ дробление коренных пород, которое приводит к интенсивному вывалообразованиюшри проходке тоннелей метрополитена, дополнительному увлажнению-глинистых отложений и повышению проницаемости пород. При проходке первых трасс Петербургского метрополитена в верхнекотлинских глинах венда были неоднократно встречены крутопадающие почти вертикальные-трещины, имеющие тектоническую природу (Ю.А. Лиманов, 1957, Р.Н. Кремнева, 1960).

Традиционный подход к инженерно-геологической оценке верхнекотлинских глин венда базируется на предположении, что эти

17 отложения являются квазиоднородными по составу и свойствам, как по глубине разреза, так и по площади их распространения. Подобный подход к оценке коренных глин верхнего венда обычно приводит к некорректным выводам о возможной стабильности инженерно-геологических условий функционирования подземных сооружений, взаимодействующих с этими отложениями.

Условия формирования и преобразования верхнекотлинских глин согласно их длительной геологической истории развития, а также визуальные наблюдения в подземных выработках и при бурении скважин позволяют классифицировать эти отложения как трещиновато-блочную среду. Трещиноватость плотных аргиллитоподобных глин сформировалась за счет тектонических и нетектонических факторов, в том числе при выветривании на этапе длительного континентального развития этих отложений, действии четвертичных ледниковых покровов и др. В период активизации тектонической деятельности в пределах Северо-запада Русской платформы образование трещин происходило за счет тектонических факторов. Кроме того, в осадочной толще обычно выделяют литогенетические трещины. Тектоническая и литогенетическая трещиноватость затрагивают всю толщу вендских отложения и создает блочное строение толщи глин. Размер блока при этом зависит от положения разреза по отношению к разлому, а также наличия слоистости пород.

В верхней части толщи верхнекотлинских глин отмечается нетектоническая трещиноватость за счет выветривания, морозобойного растрескивания, гляциотектоники, упругого разуплотнения, которая фиксируется приблизительно до глубины 40 м, вне зон тектонических разломов. С конца палеозоя и вплоть до четвертичного времени (начало оледенения) рассматриваемая толща в пределах северной и центральной части города находилась в разгруженном состоянии, так как была выведена на земную поверхность и подвергалась процессам выветривания. За этот длительный период сформировалась мощная толща разуплотненных глин, которая характеризуется не только повышенной трещиноватостью, но также изменением ряда показателей физико-механических свойств.

Влажность, W, %

Зоны: I - переменной повышенной влажности; II - переменной понижающейся влажности; III - минимальной влажности; ПГ - подзона гляциодислокации. Рисунок 1.4. - Изменение влажности по глубине в толще верхнекотлинских глин (данные СПГТИ(ТУ)).

Изменение параметров физических свойств верхнекотлинских глин подчиняется определенной закономерности в соответствии с зональным строением толщи (вне зон тектонических разломов и палеодолин). На стадиях разгрузки (регрессивного литогенеза) верхнекотлинские глины венда подвергались дополнительной гидратации, что повлекло за собой увеличение влажности в верхней части разреза. Результаты исследования влажности

19 верхнекотлинских глин на территории Санкт-Петербурга, собранные за последние 50 лет и представленные на рисунке 1.4, позволяют выявить четкую зависимость варьирования влажности по глубине. Анализируя собранные данные и базируясь на особенностях условий формирования коренных глин в инженерно-геологическом аспекте, толщу верхнекотлинских глин можно разделить на три зоны:

I верхняя зона, мощностью до 40 м от кровли глин, максимальная зона разуплотнения характеризуется наибольшим разбросом влажности, что связано с процессами дололнительной гидратации, а также изменением гранулометрического состава. Минимальные значения влажности глин на этих глубинах обычно характерны для пород с низким содержанием глинистых фракций, а также окварцованных разностей. В этой зоне при приближении к контакту с четвертичными породами выделяется подзона гляциодислокаций (мощностью от 1,0 до 10,0 м), в которой коренные отложения венда представляет собой толщу дезинтегрированных глин, с включениями четвертичных отложений.

II - переходная зона находится в интервале глубин 40-60 м и отличается сужением разброса величин влажности за счет уменьшения их максимальных значений при общей тенденции уменьшения этого показателя с глубиной.

В III - нижней зоне (глубже 75 м) отмечается сохранение постоянства интервала изменения влажности по глубине.

По выделенным зонам и подзонам (слоям) различаются также размеры блоков глинистых пород (табл. 1.1)

Проницаемость трещиноватой толщи (К_т) связана с проницаемостью отдельного блока (Кб) зависимостью К_т=КбЮ². Коэффициент фильтрации отдельных нетрещиноватых блоков коренных глин составляет 10"⁵-10'⁶м/сут и в массиве проницаемость этих глин будет достигать 10"³-10"⁴м/сут. В пределах тектонических узлов степень раскрытия трещин существенно увеличивается, а размеры блоков, соответственно, уменьшаются, при этом

20 коэффициент фильтрации может возрастать* на один - два порядка, особенно при действии высоких градиентов напора.

Таблица 1.1 — Изменение степени трещиноватости и влажности верхнекотлинских глин венда по глубине [20].

Примечание: подобное разделение верхнекотлинских глин справедливо только вне зон тектонических разломов и вне палеодолин.

Как видно из таблицы 1.2. трещиноватость значительно снижает величину сцепления (с) и в меньшей степени влияет на угол внутреннего трения (ф). При этом, следует отметить, что наличие тектонических разломов оказывает влияние на снижение не только сцепления (с), но и угла внутреннего трения (ф). (см. табл. 1.2) Величина последнего параметра (ф) также зависит от гранулометрического и минерального состава, степени агрегированное, плотности и влажности. Имеющийся материал по оценке прочности рассматриваемых глин обычно базируется на результатах лабораторных исследований образцов породы, отобранных из скважин. Если в верхней зоне основное влияние на механические свойства глин оказывает * их трещиноватость, влажность и плотность, то в нижней зоне, где .глинистые породы характеризуются относительным постоянством физического состояния, решающее значение в оценке прочности и деформационной способности пород приобретает микро- и макротрещиноватость.

Кроме того, необходимо учитывать, что проходка горных выработок существенно меняет естественное напряженное состояние горных пород, приводя к перераспределению напряжений и способствуя повышению степени трещиноватости пород вокруг выработки.

Таблица 1.2 - Параметры сопротивления сдвигу верхнекотлинских глин в различных зонах по глубине с учетом интенсивности их трещиноватости [20]

Примечание: в числителе приведены значения С и ср для пород вне зон, а в знаменателе - в зонах тектонических разломов. * - квазипластичные, ** - непластичные разности с различными параметрами С и (р.

При анализе и оценке прочности литифицированных глинистых пород заметную роль играет их микротрещиноватость, которая часто не фиксируется визуально, но влияет на результаты определения прочности глин при возможности их бокового распора в лабораторных и полевых условиях.

1.2. Инженерно-геологические условия разреза четвертичных отложений.

Особенностью разреза подземного пространства Санкт-Петербурга является наличие погребенных долин древней речной системы, заполненных песчано-глинистыми отложениями двух или трех стадий- оледенения (днепровской, лужской, московской), которые разделены межледниковыми разностями (см. рис. 1.3).

При рассмотрении центральной (островной) части города, необходимо отметить, что палеодолины имеют значительные размеры относительно¹ площади островов; Так, например, палеодолины занимают 95% территория Адмиралтейского острова, 60% Спасского, 60% Васильевского, 50% Казанского.

В тальвеге палеодолины непосредственно на толще верхнекотлинских глин, залегают флювиогляциальные разнозернистые пески днепровского

22 возраста с включениями гравия (flldn), мощностью от 5 до 30 м, содержащие напорные воды. Эти отложения можно рассматривать как древнеалювиальные образования в период деятельности речной системы, которая формировала погребенные долины. Выше по разрезу залегают озерно-ледниковыми отложения (lgll_dn) представленными суглинками, супесями и пылеватыми песками, их мощность составляет 2,0 — 8,0 м. Перекрывает озерно-ледниковую толщу морена московской стадии оледенения (gll_ms), представленная суглинками, реже супесями, с включениями гравия и гальки, мощность которой составляет 8,0 — 10,0 м. Выше по разрезу залегают межморенные озерно-ледниковые суглинки и глины (Igllms) мощностью около 2,0 м, перекрытые толщей моренных отложений лужской стадии оледенения (gIII_vd3 ^zv)> эти отложения представлены суглинками с включениями гравия и гальки, мощность которых варьирует от 12,0 м в тальвеговой части палеовреза, до 20,0-35,0 м на склонах палеодолины. Озерно-ледниковые супеси и суглинки подстилают озерно-ледниковые отложения Балтийского ледникового озера (lgIII_vd3^lzb), представленные ленточными суглинками и глинами с линзами водоносного песка и супесей, средняя мощность которых составляет 10-15 м. Выше по разрезу залегают морские и озерные пески и супеси (mllV) мощностью от 5 до 15 м. Завершают разрез техногенные суглинки и супеси (tlV) со строительным мусором, мощность которых зависит от толщины слоя срезаемых торфов и абсолютной отметки дневной поверхности* до инженерной подготовки территории. Минимальная мощность составляет 1-2 м, максимальная — в разрезе Гостиного двора, где до основания города размещалось глубокое болото, отложения которого были замещены песками.

Общая мощность четвертичных отложений в центральной части города варьирует от 45 до 85 м.

При рассмотрении подземного пространства в пределах развитых городских инфраструктур, жизнедеятельность которых происходит на протяжении нескольких веков, принципиальное значение имеет анализ его

23 геоэкологического состояниям Четвертичные породы в разрезе исторической части города относятся к категории слабых и неустойчивых разностей, либо рассматриваются как отложения? с высокой чувствительностью к воздействию природных и техногенных факторов, определяющих геоэкологическое состояние- подземного пространства города. Длительный период развития и функционирования мегаполисов приводит к значительному и негативному преобразованию всех компонентов подземного пространства. [18]

Основные природные факторы, влияющие на геоэкологическое состояние, рассматриваются ниже, среди них особое значение имеют: практически полная обводненность разреза, наличие двух водоносных горизонтов в четвертичных отложениях исторической' части города {горизонт грунтовых вод и нижний меоісморенньїй водоносный горизонт) и минерализованных высоконапорных вод в коренных отложениях верхнего венда {вендский водоносный комплекс). Полное описание водоносных горизонтов представлено в главе 1.3; наличие засыпанных либо снятых болот и торфяных отложений; присутствие органических остатков* и природной микробиоты как в коренных, так и в четвертичных породах; эксголяция радона в зонах тектонических разломов, способствующая интенсификации микробной деятельности.

История загрязнения территории- современного Санкт-Петербурга насчитывает более 300 лет, начиная с допетровских времен (рис 1.5). Учитывая освоение территории и характер деятельности человека, наибольшее значение в допетровский период имело локальное приповерхностное загрязнение за счет привноса органических и неорганических соединений. [19]

В 1705 г более 20% площади строящегося города было занято непроходимыми или труднопроходимыми болотами, более чем на 50% территории отмечалось развитие торфяников и заторфованных участков, (см.

24 рис 1.5). На островах дельты Невы преобладали болота низинного типа, приуроченные к участкам с минимальными абсолютными отметками земной поверхности с высоким уровнем грунтовых вод, которые затапливались при относительно небольшом подъеме уровня речных вод. В материковой части на более высоких абсолютных отметках широкое распространение имели верховые болота. [31] В 18-19 вв заболоченные участки в Санкт-Петербурге осушались путем создания дренажных каналов, болотные отложения частично снимались, а затем производился подъем территории.

Рисунок 1.5. План местности Санкт-Петербурга, 1698год.

Для этой цели на первых этапах развития города часто использовались загрязненные слабо водо- и газопроницаемые породы, извлеченные при расчистке малых рек, строительстве новых каналов и пр., которые в дальнейшем дополнительно уплотнялись в ходе инженерной подготовки территории. В результате в зонах погребенных болот и заторфованных

25 территорий формировалась своеобразная физико-химическая и биохимическая обстановка, связанная со снижением окислительно-восстановительного потенциала в обводненном разрезе (вплоть до величины Eh - 100 mV и ниже) и активизации микробиологической деятельности.

Зоны погребенных болотных массивов в Санкт-Петербурге при их загрязнении являются потенциально опасными в отношении биохимической газогенерации метана, углекислого газа и сероводорода. Поскольку метан малорастворим в воде, происходит его накопление и при соответствующих давлениях в газонасыщенной толще образование газо-грязевых выбросов и самовозгорание. В свою очередь, повышенное газосодержание и давление в газовых пузырьках способствует разуплотнению дисперсных пород. [31]

Особое внимание следует уделить встречающимся в юго-восточной и северной частях города (вне исторического центра) межледниковым микулинским морским слоистым суглинкам и глинам темно-коричневого цвета. Темную окраску микулинским глинам придает органическая (битуминозная) составляющая (20-25%), которая при прокаливании образцов разлагается с выделением С0₂. При вскрытии таких отложений наблюдается выделение метана, азота и диоксида углерода биохимического происхождения. [21]

При рассмотрении коренных отложений, следует отметить наличие органических остатков в нижнекембрийских глинах (до 4% органической компоненты) и в верхнекотлинских глинах верхнего венда (остатки ламинаритовых водорослей). Органическая составляющая природного происхождения служит питательным и энергетическим субстратом для различных форм микроорганизмов, а также активизирует микробную деятельность и процессы биокоррозии в подземном пространстве на глубину до 100 ми более.

Среди техногенных факторов, определяющих геоэкологическое состояние подземного пространства города следует отметить: влияние утечек из систем водоотведения на загрязнение подземных вод* и пород; присутствие на территории города захороненных свалок; - наличие старинных и действующих кладбищ;

Основным источником загрязнения подземного пространства города в 18 начале 20 вв являлись хозяйственно-бытовые отходы в условиях отсутствия канализационной системы, а позднее несовершенство этой системы и медленный ввод ее в эксплуатацию [19]. Быстрое развитие и расширение города при отсутствии системы отвода хозяйственно- бытовых и промышленных стоков определило степень загрязнения подземного-пространства города.

Первым, в 1935 году, был канализирован Васильевский остров. К 1938 году протяженность канализационной сети достигла 1120 км, однако из них 370 км (33%) оставалась деревянной. При этом сеть подземных труб не была рассчитана на удаление большого количества городских нечистот. [2]' На протяжении всего периода существования города сброс хозяйственно-бытовых стоков производился в речную систему Невы и каналы. Даже в настоящее время в С-Петербурге существует свыше 400 выпусков, по которым производится сброс неочищенных или условно очищенных стоков в водотоки города. [23]

Реализации планов-канализирования города помешала война. В'1950-ых гг была восстановлена деятельность водоотведения, а также началось строительство- коллекторных тоннелей методом щитовой' проходки на средних глубинах 15-20 м.

В^а 1958 г был сдан в эксплуатацию > шестикилометровый тоннельный коллектор в исторической части города и Главная насосная станция. В 1960-г закончено строительство- канализационного коллектора от острова Декабристов.до Василеостровской насосной станции, протяженностью более 2 км (рис. 1.6). В 80ых годах прошлого века началось строительство, и ввод в

27 эксплуатацию глубоких коллекторов, проложенных на глубине около 70 м в< толще коренных верхнекотлинских глин.

Начиная с 1930-ых гг основным материалом для строительства коллекторов и прокладки канализационных труб служил железобетон, реже чугун и сталь. В последние годы появились синтетические трубы. [2]

Протяженность канализационных сетей в Санкт-Петербурге к настоящему времени составляет более 6 500 км. Износ сетей достигает 70%.

Длительное и непрерывное загрязнение подземного пространства города канализационными стоками способствует процессу негативного изменения химического состава грунтовых вод, что влияет на свойства вмещающих и подстилающих пород. Утечки из городской канализационной системы привносят в большом количестве такие загрязнители как сульфаты, хлориды, соединения азота, фосфора, разнообразные органические соединения абиотического (липиды, углеводы, белки) и биотического происхождения - микроорганизмы и продукты их метаболизма.

Химический состав канализационных стоков довольно стабилен: азот аммонийный 60-130мг/л, хлориды 70-190мг/л, фосфаты, сульфаты, соли калия и магния и др. Показатель биохимического потребления кислорода (БПК₂₀) этих вод составляет 85% от величины ХПК (бихроматной окисляемости), которая изменяется в пределах 35-120 мгОг/л. Количество бактерий на 1мг сточных вод составляет 10-10 клеток.

Наиболее неблагоприятная ситуация возникает при воздействии компонентов канализационных стоков на погребенные болота. Загрязнение болотных вод сульфатами сопровождается восстановлением серы, что происходит при участии сульфатредуцирующих микроорганизмов, находящихся в большом количестве в болотных отложениях. Болотная микрофлора чрезвычайно чувствительна к дополнительному поступлению белков, углеводов, липидов, попадающих в захороненные болота и заторфованные отложения вместе с канализационными стоками. - '.. 28 .

Перечисленные органические соединения стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов, ускоряя их развитие и рост в 3—4 раза. [32]'

Следовательно, на участке, где располагается неисправная канализационная¹ > система над захороненными; болотными- массивами^ отмечается наиболее активное преобразование нижележащих пород продуктами жизнедеятельности, микроорганизмов, тонкими фракциями канализационных стоков и органических соединений.

Эти компоненты сорбируются или механически поглощаются дисперсными частицами с образованием органических пленок и биопленок на их поверхности.

Болотные отложения служат активным* сорбентом в отношении'ряда органических; и неорганических загрязнителей. Микробиологическая активность и разнообразие болотных биоценозов приводит, с одной стороны, к деструкции органических поллютантов и, прежде всего, нефтепродуктов, а с другой стороны, деятельность биотической компоненты, определяет специфику негативных изменений состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых пород. '

С допетровских времен по всей территории города размещалось большое количество свалок хозяйственно-бытового мусора, многие из них функционируют до сих пор и оказывают большое влияние на повышение численности и активности микрофлоры в подземном пространстве. Согласно официальным данным концентрация таких отходов на территории исторического центра Санкт-Петербурга достигает 2-3 тыс.т./км? [18] (см;. рис. 1.6). Наибольшая концентрация захороненных отходов наблюдается на территории Центрального, Адмиралтейского и Невского районов (табл. Г.З).

Негативное влияние захороненных свалок по своим' последствиям сравнимо с влиянием засыпанных болот и торфов, а также действием утечек из канализационно-бытовых систем.

Условные обозначения

Биогенные отложения glllLz Ледниковые отложения *^N>^^ Канализационный коллектор \ Морские и озерные отложения

Озерно-ледниковые отложения Iglllb Балтийского ледникового озера

Участки концентрации свалок, точек газопроявления и наличия кладбищ

Рисунок 1.6. Схема расположения различных источников загрязнения на территории

Санкт-Петербурга.

По мере развития автомобильного транспорта, а также использования нефтепродуктов в качестве энергоносителей заметное место среди загрязнителей подземного пространства города заняли нефтепродукты. Поступление этих загрязнителей осуществляется через подземные коммуникации - ливневые и канализационные, а также за счет поверхностных источников загрязнения (автомастерские, хранилища нефтепродуктов, склады горюче-смазочных материалов, автозаправочные станции, постоянные стоянки, автопарки). В условиях Санкт-Петербурга при плохом состоянии подземных коммуникаций (ливневой и канализационной) и высоком положении загрязненных грунтовых вод, происходит распространение нефтяных углеводородов (НУ) по площади. При' снижении напоров нижележащих водоносных горизонтов наблюдается перенос НУ и загрязнение глубоких водоносных горизонтов и водоупорных пород.

Действующие и старинные кладбища служат источниками поступления в подземную среду, богатой микрофлоры, в> том числе сапрофитов, денитрифицирующих, сульфатредуцирующих и аммонифицирующих бактерий, а также органических соединений, прежде всего, белков, соединений азота, фосфора и др. Длительный период функционирования кладбищ в течение 300 лет и более способствует проникновению загрязнения

31 на большую глубину. При этом, особенно интенсивный нисходящий перенос загрязняющих веществ возможен при наиболее низких положениях уровня вендского< водоносного комплекса, который отмечался* при наиболее активном его использовании различными предприятиями в 70ые- годы прошлого столетия.

Сочетание природных факторов (практически полная* обводненность разреза, наличие минерализованных вод, органических остатков и природной микробиоты в четвертичных и коренных породах, специфика структурно-тектонического строения и др.) с неблагоприятной экологической обстановкой (высокий уровень загрязнения верхних водоносных горизонтов биологически активными утечками из канализации и дренажно-ливневых систем, присутствие захороненных свалок, ликвидированных кладбищ и др.) создает условия для развития всех форм агрессивности среды и, прежде всего, наиболее активной и малоизученной — биокоррозии, на глубину более 100м. При этом необходимо учитывать факт освоения территории- с допетровских времен.

1.3. Специфика гидродинамических и гидрохимических условий исторической частигорода.

Исследуемые трассы перегонных и эскалаторных тоннелей проходят под несколькими водотоками - р. Нева, р. Мойка, р. Монастырка, канал Грибоедова и Кронверкский пролив. Рассматриваемые перегонные тоннели проложены ниже русла рек на глубинах от 50 до 115 м, в толще верхнекотлинских трещиноватых глин, выше которых залегают четвертичные песчано-глинистые отложения.

Для разреза исторического центра Санкт-Петербурга характерно наличие мощных водоносных горизонтов, приуроченных к четвертичным отложениям {горизонт грунтовых вод, нижний межморенный водоносный горизонт) и коренным породам (вендский водоносный комплекс).

Горизонт грунтовых вод повсеместно распространен в разрезе рассматриваемой территории и приурочен к техногенным и морским

32 литориновым отложениям, а также к линзам и прослоям песка в озерно-ледниковых отложениях. Уровень грунтовых вод на исследованных территориях устанавливается на глубине около 2,0-2,5 м от поверхности (см. рис. 1.3). Согласно данным опробования грунтовых вод, проведенным на территории Казанского и Адмиралтейского островов, где проходят рассматриваемые трассы, грунтовые воды имеют хлоридно-натриевый состав (табл. 1.4). В пределах городской инфраструктуры гидрохимический и гидродинамический режимы грунтовых вод зависят, в первую очередь, от техногенных факторов и в меньшей степени от природных. В пределах исторической части Санкт-Петербурга, которая располагается в основном на островах, определяющее значение для формирования гидродинамического и гидрохимического режимов грунтовых вод имеют утечки из систем водоотведения, водопровода и теплоцентрали, а также барражный эффект за счет подземных сооружений, шпунтовых ограждений и набережных.

Опробование режимных скважин, оборудованных на грунтовые воды, которое было проведено специалистами Санкт-Петербургского Горного института, дало возможность установить, что в воде присутствует значительное количество органических соединений, относящихся к трудноокисляемым. Содержание органических соединений определялось с помощью двух показателей: перманганатной и бихроматной (ХПК) окисляемости. Как видно из таблицы 1.4, максимальная величина бихроматной окисляемости (химическое потребление кислорода ХПК) составляет 310,4 мкгОг/дм , в то время как перманганатная окисляемость всего 35,2 мкгСЬ/дм (Безымянный остров). Следует отметить, что на Безымянном острове находятся три кладбища Александро-Невской Лавры, одно из которых в настоящее время является действующим, что предопределяет поступление органических компонентов в грунтовые воды.

В грунтовых водах присутствуют также хлориды (710 и 780 мг/дм³ на Адмиралтейском и Казанском островах) и сульфаты (55 и 176 мг/дм³ на Петроградском и Безымянном островах), что свидетельствует о загрязнении

33 подземных вод канализационными стоками за счет их инфильтрации в подземное пространство из несовершенных систем водоотведения, а также поступление жидких стоков свалок, утечек промышленных вод и т.д. (см. табл. 1.4).

Таблица 1.4 - Химический анализ грунтовых вод в исторической части города (по данным СПІТИ (ТУ))

В скважинах наблюдается наличие нефтяных углеводородов (НУ), максимальное содержание которых достигает 0,047 мг/дм- (Васильевский остров). Для гетеротрофных микроорганизмов НУ служат не только питательным, но и энергетическим субстратом.'

Почти во всех пробах наблюдается присутствие агрессивной углекислоты (СОгагрес), что создает условия для развития углекислотной агрессии.

Из приведенных данных (см. табл. 1.4) видно, что состав грунтовых вод на территории исторического центра города весьма неоднородный, что связано с воздействием различных загрязняющих факторов.

Следует отметить о возможности нисходящей фильтрации грунтовых вод при условии, что их зеркало расположено выше пьезометрической поверхности нижележащих водоносных горизонтов.

Ниже грунтовых вод прослеживается нтісний межморенный водоносный горизонт, приуроченный к флювиогляциальным разнозернистым пескам и супесям днепровской стадии оледенения, распространенным в разрезе на локальной территории — в районе тальвега погребенной долины Пра-Невы. Пьезометрический уровень, учитывая величину напора, будет фиксироваться в разрезе исторической части города на глубине 35 м от поверхности.

Анализ химического состава подземных вод в погребенной долине (Васильевский остров) показал, что в воде отмечается высокое содержание хлоридов (1800мг/дм), что можно связать с подтоком подземных вод из вендского водоносного комплекса, минерализация которого превышает 3,0 г/дм³.

Основное влияние на конструкционные материалы перегонных тоннелей, пройденных на глубине более 100 м, оказывает гидрохимический и гидродинамический режимы вендского водоносного комплекса.

Вендский водоносный комплекс на территории города прослеживается на глубине 100-140 м. Горизонт приурочен к выдержанной пачке песчаников на глинистом либо кремнистом цементе с прослоями глин, алевролитов и алевритов, залегающей в нижней части котлинских отложений (нижнекотлинская подсвита), при этом обычно наблюдается увеличение мощности песчаниковых слоев в нижней части разреза. Этот горизонт пользуется повсеместным распространением в Санкт-Петербурге. Верхним водоупором вендского водоносного комплекса служит толща трещиноватых верхнекотлинских глин венда, подстилается горизонт обычно архейско-протерозойскими кристаллическими породами.

Водообильность этого комплекса зависит от относительной мощности песчаной составляющей. Значения коэффициентов фильтрации песчаников изменяются от 3 до 5 м/сутки, возрастая в узлах тектонических разломов, в пределах которых увеличивается степень дезинтегрированности пород не только водоносного комплекса, но и водоупорной толщи.

На территории Санкт-Петербурга вендский водоносный комплекс, содержит напорные воды. В региональном плане выделяется область питания комплекса, расположенная на Карельском перешейке, и область разгрузки — впадина Финского залива. Особенностями естественного режима являлись небольшая (0,3 — 0,5 м) годовая амплитуда колебаний уровня, синхронность кратковременных его изменений с колебаниями атмосферного давления и для прибрежных районов — согласованность с ходом уровня в Финском заливе.

Отсутствие зон активного дренирования верхних водоносных горизонтов в пределах исторической части города за счет существования набережных и шпунтовых ограждений берегов р. Невы, а также многочисленных рек и каналов, предопределяет застойный гидродинамический и гидрохимический режимы подземных вод, в первую очередь, в пределах островной части, что ускоряет процессы их загрязнения и формирования восстановительных анаэробных условий, особенно если в разрезе присутствует природная и техногенная органика.

Анализ гидрогеологических условий вендского водоносного комплекса должен базироваться, прежде всего, на особенностях влияния подземных вод на конструкции тоннелей по следующим позициям: непосредственное взаимодействие химического состава подземных вод и их уровня агрессивности по , отношению к конструкционным материалам несущей обделки и гидроизоляционного слоя. изменение гидродинамического режима напорного водоносного горизонта на напряженно-деформированное состояние толщи пород, которая рассматривается как вмещающая среда перегонных тоннелей, и соответственно на их несущие конструкции;

По химическому составу воды вендского водоносного комплекса на территории исторического центра Санкт-Петербурга, характеризуются хлоридно-натриевым составом. Согласно данным ФГУП Севзапгеология, полученным на территории Васильевского острова, в районе ст. метро «Василеостровская» в течение 30 лет наблюдений за гидрохимическим режимом данного водоносного комплекса, отмечаются варьирование содержания хлоридов (2274 - 2800 мг/дм) при невысоких значениях сульфатов 3,3-7 мг/дм и гидрокарбонатов 137,2-143,2 мг/дм . Подземные воды комплекса имеют щелочную реакцию, величина рН изменяется от 7,5 до 7,9 (табл. 1.5). Значение минерализации колеблется около 4 г/дм³ (рис. 1.7). Минерализация вод в зонах линейных тектонических нарушений может превышать 5-6 г/дм .

Высокие значения минерализации подземных вод вендского водоносного комплекса можно сравнить с водой Азовского моря. Минерализованная вода этого комплекса способствует агрессивному воздействию на конструкционные материалы трассы перегонных тоннелей, тампонажный раствор, бетон, чугун, приводя к нарушению целостности обделки тоннелей и ее коррозии.

Таблица 1.5. -Химический состав вод вендского водоносного комплекса на территории

В воде отмечаются также низкие содержания нитратов до 7,5 мг/дм³, нитритов, редко аммония, селена до 0,04 мг/дм³, цезия-137 и стронция-90 - менее 5 Бк/л. Тяжелые металлы обнаруживаются эпизодически в количестве менее 1 мкг/дм³.

За 30 лет наблюдений величина хлор-иона варьировала в пределах 2 274,0 - 2 800,0 мг/дм . Воды хлоридные калиево-натриевые с заметным содержанием Br'-иона, который относится к числу бальнеологических

37 элементов. Бальнеологическая норма брома составляет 25 мг/дм³. Наличие брома свидетельствует о связи водоносного комплекса с подземными водами кристаллического фундамента, которые по составу классифицируются как хлоридные натриево-кальциевые рассолы, содержащие бром, йод, фтор и другие микрокомпоненты. Гидравлическая связь осуществляется по тектоническим разломам.

Рисунок 1.7. - Гидрогеологическая карта нижнекотлинского водоносного горизонта (По данным Петербургской экспедиции, 2001 год)

Масштаб 1:200 000

По разломамі возможны подтоки более минерализованных вод, эксгаляция радона и других глубинных компонентов. В водах горизонта обнаруживаются также фтор в количестве 0,47-0,6 мг/дм . Мониторинг химического состава подземных вод вендского водоносного комплекса, на различных участках Петербургского месторождения минеральных вод, дал возможность установить, что кроме выше названных микроэлементов (брома и фтора), были обнаружены бораты в форме Н₃В0₃ в количестве 4,2 мг/дм³, кремниевая кислота до 9,2 мг/дм , а также редкий элемент в подземных водах - селен; присутствует железо в небольших количествах (см. табл. 1.5).

В водах вендского водоносного комплекса установлено несколько повышенное содержание природных радионуклидов радиевого ряда, варьирование значений которых по данным ФГУП «Петербургской комплексной геологической экспедиции» (скв. 78666) составляло в 1999г — 3,76 ± 0,49 Бк/л, а в 2002г - 3,18 ± 0,92 Бк/л, норматив на минеральную воду (ГОСТ 13273-88) 18,5 Бк/л

Особенности изменения гидродинамического режима вендского водоносного комплекса следует рассматривать с точки зрения его влияние на напряженно-деформированное состояние толщи пород, являющихся, вмещающей средой перегонных тоннелей, и соответственно, на их несущие конструкции.

Гидродинамический режим вендского водоносного комплекса характеризуется чередованием спадов и подъемов пьезометрической поверхности, что связано с его эксплуатацией для технических и в меньшей степени бальнеологических целей. В ненарушенных эксплуатацией условиях величина напора над кровлей водоносного комплекса составляла 80-160 м, в отдельных зонах наблюдался самоизлив. Созданная ФГУП «Севзапгеология» сеть наблюдательных скважин на вендский водоносный комплекс, в пределах Санкт-Петербурга и его окрестностей, позволяет фиксировать динамику изменения уровневого режима рассматриваемого горизонта.

Эксплуатация вендского водоносного комплекса в довоенный период привела к образованию депрессионной воронки с понижением уровня в ее центре до 22 м. (см. рис. 1.7). Необходимо отметить, что снижение напоров на каждые 10 м вызывает рост эффективных напряжений (а_эф) на 0,1 МПа, что может вызвать развитие осадок наземных и подземных сооружений.

За период войны 1941 - 1945 гг. уровни восстановились практически до первоначальных отметок. В дальнейшем, интенсивная эксплуатация подземных вод водоносного комплекса (1945 - 1946 гг) оказывала существенное влияние на изменение пьезометрического уровня (рис. 1.8). Увеличение водоотбора промышленными предприятиями города способствовало систематическому понижению уровня горизонта. В Ленинграде среднегодовой водоотбор с 1946 по 1955 гг. увеличился в 12 раз (от 3 до 38 тыс. м³/сут). В 1966-69гг в связи с введенными ограничениями, учитывающими необходимость охраны подземных вод от истощения, ряд крупных водопотребителей перешли на использование поверхностных вод, отбор подземных вод значительно сократился и, вплоть до 1970гг, происходило восстановление уровня.

Рисунок 1.8. Общий дебит скважин, работающих с 1861 по 2001 года на вендский водоносный комплекс.

Длительная эксплуатация вендского водоносного комплекса в пределах города, продолжавшаяся до середины 70^Ь1Х годов 20 века, привела к формированию глубокой депрессионной воронки на площади свыше 20 тыс.кв.км, вытянутой в северо-восточном направлении, центр которой располагается в пределах исторической части города, захватывая

40 Адмиралтейский и Казанский острова, а также часть Петроградской стороны. В 1976-77 гг. в связи с опытно-эксплуатационной откачкой с большим расходом подземных вод пьезометрическая поверхность достигла в городе наиболее низких абсолютных отметок (рис. 1.9). В центральной части депрессии в 1978г понижение от первоначальных уровней достигло 72-74 м. Максимальные понижения, достигающие 8 мм/год, фиксировались в левобережной части р. Невы вблизи завода «Ливиз» (Синопская набережная, д. 56-58).

В 1980-х гг наблюдалось сокращение водоотбора, а в 1990годы произошел общий спад производства, что вызвало резкое уменьшение водоотбора из скважин и как следствие - подъем уровня пьезометрической поверхности водоносного комплекса.

Следует отметить, что в период наиболее низкого положения пьезометрической поверхности вендского водоносного комплекса, которая располагалась значительно ниже кровли водоупора - верхнекотлинских глин венда, наблюдалась нисходящая фильтрация загрязненных грунтовых вод в нижележащие горизонты: нижний межморенный и вендский водоносный комплекс.

Рисунок 1.9. График изменения напоров вендского водоносного комплекса за период

1861-2001гг.

В 1995 году по сравнению с 1976годом суммарный водоотбор из вендского водоносного комплекса сократился в 8 раз, а количество действующих скважин уменьшилось от 60 до 20. В 2001 году на фоне сокращения глубины депрессии в ее центре общие контуры ее распространения сохраняются, но в очень слабой степени (рис. 1.10). Подъем уровней за 1995год составил 0,1-1,8 м, а по сравнению с 1977годом уровни в центре воронки восстановились на 39 м.

В настоящее время вендский водоносный комплекс рассматривается как высоконапорный, пьезометрическая поверхность которого устанавливается на глубине 15-20 м от земной поверхности. Таким образом, действующий напор приближается к естественному (довоенному) значению со скоростью 1,5-2м/год и составляет около 100 метров, что необходимо учитывать при анализе влияния вод вендского водоносного комплекса на тоннельные конструкции. Хотя водоносный комплекс в этом районе вскрывается на глубине около 100-140 м, под действием высоких напоров может происходить восходящее перетекание вод по трещинам в верхнекотлинской толще глин, которую следует рассматривать как относительный водоупор

Шепелево

Мартышкино

Абс. отм., м 10 пьезометрический уровень вендского водоносного комплекса

1*SS то же на соответствующий год при понижении г. Санкт-Петербург

НИ то же при повышении

242 | номер скважины ~У I пьезометрический уровень комплекса на стадии проектирования исследуемых тоннелей

Рисунок 1.10. - График развития пьезометрической депрессии вендского водоносного комплекса в районе г. Санкт-Петербурга и его западных окрестностей (по материалам ФГУП «Севзапгеология»).

Интенсивное восстановление ранее сниженных напоров вендского водоносного комплекса негативно сказывается на напряженно-

42 деформированном состоянии толщи вышележащих пород, что приводит к появлению взвешивающего эффекта для четвертичных и коренных пород, повышению порового давления в слабых водонасыщенных грунтах четвертичного возраста. Учитывая, что трассы перегонных тоннелей частично проходят под тальвегом погребенной долины, где под подошвой тоннеля наблюдается снижение мощности верхнекотлинских глин венда, достигающее 10 м, а также принимая во внимание повышенную трещиноватость глин в тальвеговой зоне и как следствие пониженную прочность и характеристики деформационных свойств, можно предполагать, что данный участок трасс будет находиться в наиболее неблагоприятных условиях по притокам вод вендского водоносного комплекса и их агрессивному воздействию.

В настоящее время действующие высокие напоры вендского водоносного комплекса, с одной стороны, препятствуют поступлению загрязненных грунтовых вод из межморенного водоносного горизонта в нижележащие слои, в том числе и в верхнекотлинские глины венда, в которых пройдены тоннели, а с другой стороны, определяют повсеместное восходящее перетекание минерализованных вод через толщу трещиноватых глин в дренирующие выработки — перегонные тоннели при прогрессирующем разрушении их обделки и гидроизоляции. Интенсивность перетекания определяет гидрохимическое влияние подземных вод на изоляционные и конструкционные материалы за счет следующих факторов: проницаемость дезинтегрированных верхнекотлинских глин и величина действующего напорного градиента фильтрации. Поднимаясь по трещинам, напорные воды оказывают на верхнекотлинские глины венда механическое, физико-химическое и химическое действие, что приводит к изменению их состояния и свойств.

Согласно общепринятому подходу, проложение трассы тоннеля в глинистой толще коренных пород (верхнекотлинский горизонт верхнего венда), которая рассматривалась на стадии проектирования как водоупорная

43 толща, должна была гарантировать отсутствие непосредственного воздействия подземных вод нижележащего высоконапорного водоносного горизонта на обделку тоннелей. Следует также отметить, что в период проектирования трасс перегонных тоннелей «Невский проспект — Горьковская» и «Гостиный двор — Василеостровская» пьезометрический уровень вендского водоносного комплекса находился на отметках -40 —45 м (см. рис. 1.10).

Учет трещиноватости в коренных глинистых породах требует пересмотра концепции надежности региональных водоупоров и соответственно требований к защищенности водоносных горизонтов от загрязнения.

Решающее значение на безопасное функционирование перегонных тоннелей «Василеостровская - Гостиный Двор» и «Горьковская - Невский проспект» оказывает гидродинамический режим вендского водоносного комплекса и его химический состав.

Инженерно-геологические условия разреза четвертичных отложений

Основным источником загрязнения подземного пространства города в 18 начале 20 вв являлись хозяйственно-бытовые отходы в условиях отсутствия канализационной системы, а позднее несовершенство этой системы и медленный ввод ее в эксплуатацию [19]. Быстрое развитие и расширение города при отсутствии системы отвода хозяйственно- бытовых и промышленных стоков определило степень загрязнения подземного-пространства города.

Первым, в 1935 году, был канализирован Васильевский остров. К 1938 году протяженность канализационной сети достигла 1120 км, однако из них 370 км (33%) оставалась деревянной. При этом сеть подземных труб не была рассчитана на удаление большого количества городских нечистот. [2] На протяжении всего периода существования города сброс хозяйственно-бытовых стоков производился в речную систему Невы и каналы. Даже в настоящее время в С-Петербурге существует свыше 400 выпусков, по которым производится сброс неочищенных или условно очищенных стоков в водотоки города. [23]

Реализации планов-канализирования города помешала война. В 1950-ых гг была восстановлена деятельность водоотведения, а также началось строительство- коллекторных тоннелей методом щитовой проходки на средних глубинах 15-20 м.

Ва 1958 г был сдан в эксплуатацию шестикилометровый тоннельный коллектор в исторической части города и Главная насосная станция. В 1960-г закончено строительство- канализационного коллектора от острова Декабристов.до Василеостровской насосной станции, протяженностью более 2 км (рис. 1.6). В 80ых годах прошлого века началось строительство, и ввод в эксплуатацию глубоких коллекторов, проложенных на глубине около 70 м в толще коренных верхнекотлинских глин.

Начиная с 1930-ых гг основным материалом для строительства коллекторов и прокладки канализационных труб служил железобетон, реже чугун и сталь. В последние годы появились синтетические трубы. [2] Протяженность канализационных сетей в Санкт-Петербурге к настоящему времени составляет более 6 500 км. Износ сетей достигает 70%. Длительное и непрерывное загрязнение подземного пространства города канализационными стоками способствует процессу негативного изменения химического состава грунтовых вод, что влияет на свойства вмещающих и подстилающих пород. Утечки из городской канализационной системы привносят в большом количестве такие загрязнители как сульфаты, хлориды, соединения азота, фосфора, разнообразные органические соединения абиотического (липиды, углеводы, белки) и биотического происхождения - микроорганизмы и продукты их метаболизма. Химический состав канализационных стоков довольно стабилен: азот аммонийный 60-130мг/л, хлориды 70-190мг/л, фосфаты, сульфаты, соли калия и магния и др. Показатель биохимического потребления кислорода (БПК20) этих вод составляет 85% от величины ХПК (бихроматной окисляемости), которая изменяется в пределах 35-120 мгОг/л. Количество бактерий на 1мг сточных вод составляет 10-10 клеток. Наиболее неблагоприятная ситуация возникает при воздействии компонентов канализационных стоков на погребенные болота. Загрязнение болотных вод сульфатами сопровождается восстановлением серы, что происходит при участии сульфатредуцирующих микроорганизмов, находящихся в большом количестве в болотных отложениях. Болотная микрофлора чрезвычайно чувствительна к дополнительному поступлению белков, углеводов, липидов, попадающих в захороненные болота и заторфованные отложения вместе с канализационными стоками. Перечисленные органические соединения стимулируют жизнедеятельность микроорганизмов, ускоряя их развитие и рост в 3—4 раза. [32] Следовательно, на участке, где располагается неисправная канализационная1 система над захороненными; болотными- массивами отмечается наиболее активное преобразование нижележащих пород продуктами жизнедеятельности, микроорганизмов, тонкими фракциями канализационных стоков и органических соединений. Эти компоненты сорбируются или механически поглощаются дисперсными частицами с образованием органических пленок и биопленок на их поверхности. Болотные отложения служат активным сорбентом в отношении ряда органических; и неорганических загрязнителей. Микробиологическая активность и разнообразие болотных биоценозов приводит, с одной стороны, к деструкции органических поллютантов и, прежде всего, нефтепродуктов, а с другой стороны, деятельность биотической компоненты, определяет специфику негативных изменений состояния и физико-механических свойств песчано-глинистых пород. С допетровских времен по всей территории города размещалось большое количество свалок хозяйственно-бытового мусора, многие из них функционируют до сих пор и оказывают большое влияние на повышение численности и активности микрофлоры в подземном пространстве. Согласно официальным данным концентрация таких отходов на территории исторического центра Санкт-Петербурга достигает 2-3 тыс.т./км? [18] (см;. рис. 1.6). Наибольшая концентрация захороненных отходов наблюдается на территории Центрального, Адмиралтейского и Невского районов (табл. Г.З). Негативное влияние захороненных свалок по своим последствиям сравнимо с влиянием засыпанных болот и торфов, а также действием утечек из канализационно-бытовых систем.

Анализ развития деформаций земной поверхности при строительстве перегонных, эскалаторных и станционных тоннелей, а также пересадочных узлов в исторической части города

В начале 20 века было обнаружено, что инженерная деятельность человека, связанная с откачкой подземных вод, а также строительством подземных сооружений приводит к значительному оседанию земной поверхности, вследствие чего повреждаются городские сооружения, канализационные коллекторы, трубопроводы и пр.

Как уже отмечалось, перегонные тоннели Петербургского метрополитена исторической части города, располагаются в коренных глинах - верхнекотлинских отложениях верхнего венда, выше по разрезу находится толща четвертичных отложений, мощность которой может достигать 80м и более. Четвертичные отложения представляют собой слабые и неустойчивые породы по отношению к различным воздействиям (глава 1). Инженерно-геологическая характеристика пород, слагающий толщу всего массива - от подошвы тоннеля до земной поверхности такова, что малейшее нарушение равновесного состояния горных пород, окружающих тоннельные выработки, и развитие деформаций крепления этих выработок, влечет за собой оседание вышележащих пород вплоть до земной поверхности. Сооружение же станций и тоннелей Петербургского метрополитена сопровождается проходкой выработок значительных размеров (диаметр станционных тоннелей 9,8 — 11,0м, перегонных - 5,6м), вследствие чего происходит нарушение состояния равновесия пород кровли, что влечет за собой повреждение конструкций жилых зданий и исторически-ценных сооружений. Подобные осадки в некоторых случаях достигают таких величин, при которых становится невозможной нормальная эксплуатация, как наземных сооружений, так и систем подземного городского хозяйства (водоотведения, водо- и теплоснабжения). В связи с чем, проведение работ по строительству подземных сооружений должно сопровождаться прогнозированием и минимизацией возможных деформаций земной поверхности в условиях городской застройки с целью сохранения существующих объектов. [94]

Наибольшие деформации земной поверхности происходят при возведении станций метрополитена закрытым способом в районах с плотной застройкой. Несмотря на то, что выработки закрепляются постоянной крепью (тюбинговой бетонной или чугунной обделкой) в начальный период возведения сооружения контур выработки некоторое время оказывается незакрепленным или закрепленным временной податливой крепью. Необходимо отметить, что проходка перегонных тоннелей протяженностью более 1км ведется с помощью горнопроходческого щита (скорость проходки от 100-350 м/мес. до 1250 м/мес), станционные тоннели сооружаются горным способом (вручную) при помощи отбойного молотка, общее время проходки и укрепления одного железобетонного кольца шириной 75см, составляет более 1,5суток (средняя скорость при проходке станционных тоннелей вручную составляет 15 м/мес). В то же время, размер выработки несколько превышает размер постоянной обделки, при этом между выработкой и обделкой образуется зазор, который в последующем заполняется гидроизоляционным раствором. Сама обделка, смонтированная из сборных железобетонных либо чугунных тюбингов, под действием нагрузки (горного давления), за счет податливости стыков - деформируется., Вследствие указанных причин вокруг выработки возникают значительные напряжения, которые могут превосходить временные сопротивления на сжатие верхнекотлинских глин венда, являющихся вмещающими тоннель породами. В связи с этим, существенно меняются величины и характер деформаций по контуру выработок при проходке тоннелей. Перемещение и деформирование горных пород и земной поверхности в результате нарушения равновесия под влиянием горных разработок или различных естественных (природных) процессов называется сдвижением. Часть породного массива, подвергшуюся сдвижению под влиянием горных разработок, принято называть областью сдвижения горных пород, а соответствующую часть деформируемой земной поверхности — мульдой сдвижения. [92] При исследовании развития деформаций земной поверхности под влиянием проходкитоннелей необходимо учитывать: инженерно-геологические и гидрогеологические условия расположения тоннелей; изменение напряженно-деформированного состояния массива вмещающих пород при проходке выработок; глубину заложения тоннелей; характер и материал конструкций тоннельных сооружений, их геометрические размеры, а также объем пустот за обделкой, жесткость (податливость) крепей, время от начала разработки грунта в забое до вступления крепи в совместную с окружающим грунтом работу; способы организации и ведения, а также скорость горнопроходческих работ и вид применяемого оборудования. При рассмотрении инженерно-геологических характеристик коренных пород (глава 1), следует отметить, что систематизированные результаты исследования влажности верхнекотлинских глин на территории Санкт-Петербурга, собранные сотрудниками СПГГИ(ТУ) за последние 50 лет, позволили выделить в коренных породах при приближении к контакту с четвертичными отложениями переходный слой (подзона гляциодислокации см.рис.1.4.) мощность которых может быть от нескольких метров до 10 м, реже больше. Такой слой выделялся еще на ранних стадиях изучения этих пород (Ю.А. Лиманов, В.Ф. Подаков).

Породы переходного слоя по своим физико-механическим свойствам значительно отличаются от верхнекотлинских глин: модуль упругости по данным Ленметропроекта ЮОМПа (1000 кг/см ), модуль общей деформации ЗОМПа (300кг/см2), породы находятся в тугопластичном состоянии. [64]

При этом, следует выделить тоннелепроходческие работы по сооружению станционных и перегонных тоннелей, проходка которых происходит в переходном слое либо в верхнекотлинских глинах, в связи с различием величины и скорости развития деформаций земной поверхности (табл. 2.3.). Проходка станционных тоннелей, диаметр которых составляет от 9 м до 11м, в переходном слое влечет за собой быстрое увеличение деформаций контура выработки, которые активно передаются на земную поверхность, вызывая ее оседание до 680 мм и возникновение опасных деформаций в зданиях (раскрытие трещин до 100-110 мм). Минимальная мощность слоя вмещающих коренных пород над шелыгой свода выработок должна быть не менее 10 м. В этом случае деформация земной поверхности от сооружения станционных тоннелей достигают 600 мм. Иное наблюдается при сооружении тех же станционных тоннелей на более низких отметках в верхнекотлинских глинах венда на глубине более 20 м от кровли глин. В этих случаях развитие деформаций земной поверхности с оседанием до 170мм и ее влиянием на здания проявляется плавно и не вызывает значительных повреждений (см. табл. 2.3).

Сооружение перегонных тоннелей, диаметром 5,5 м, в переходном слое приводит к деформациям земной поверхности от 160 до 220 мм. В то время как проходка аналогичных тоннелей в верхнекотлинских глинах сказывается незначительно, деформация земной поверхности составляет всего 30мм (см. табл. 2.3.). Однако такая величина деформации весьма опасна для старинных зданий и архитектурно-исторических памятников. Наиболее благоприятная мощность целика коренных верхнекотлинских глин венда, в том числе и слоя гляциодислокации, над горными выработками, следует считать мощность более 20 м.

К наиболее тяжелым условиям ведение горнопроходческих работ следует отнести случаи, когда над шелыгой свода выработок остаются всего несколько метров перемятых верхнекотлинских глин переходного слоя. В этих случаях горное давление проявляется сразу же при разработке породы в забое, а деформации земной поверхности могут достигать 800 мм и более, что приводит к тяжелым последствиям для наземных сооружений.

Особенности разрушения чугунных обделок эскалаторного тоннеля «Площадь Александра Невского - I» по результатам обследования и проведения комплекса эксперементальных работ

Обследованный эскалаторный тоннель ст.м. «пл. Александра Невского I» расположен в юго-восточной части Безымянного острова в пределах низкой Литориновой террасы с абсолютными отметками земной поверхности 105-106 м. Эскалаторный тоннель ст.м. «Площадь Александра Невского-1» функционирует более 40 лет в неблагоприятных инженерно-геологических и геоэкологических условиях, под действием которых наблюдается разрушение конструкционных материалов несущих обделок. Основные факторы, формирующие коррозионную обстановку по отношению к конструкционным материалам, можно разделить на природные и техногенные (табл. 3.1). Следует отметить, что рассматриваемый участок располагается в непосредственной близости от тектонических разломов (глава 1), в зоне влияния которых отмечается наибольшая степень дезинтеграции коренных пород.

Обследованный эскалаторный тоннель пересекает толщу водонасыщенных песчано-глинистых отложений четвертичного возраста с включениями органического вещества и верхнюю часть разреза коренных пород — верхнекотлинских глин верхнего венда в пределах наиболее дислоцированной зоны (рис 3.1). Эскалаторный тоннель приурочен к склону погребенной долины Пра-Невы, кровля верхнекотлинских глин верхнего венда отмечается на глубине 42 м от поверхности. Средние значение содержания основных фракций и ряда физико-механических свойств пород в разрезе эскалаторного тоннеля приведены в таблице 3.2.

В верхней части эскалаторный тоннель (тюбинги 1-7) пересекает озерные и морские отложения Литоринового моря, представленные серыми пылеватыми водонасыщенными супесями и песками, в которых отмечается содержание пылеватой фракции до 33 % и наличие органического вещества. Мощность литориновых отложений в зоне размещения наклонного хода составляет 5 метров. Наличие органического вещества способствует возможному их преобразованию и переходу в плывунное состояние. Для таких отложений характерны низкие значения угла внутреннего трения, величина которого может снижаться до 16 град и менее и сцепление 0 МПа (табл.3.2).

Далее- эскалаторный тоннель (тюбинги 7-16) проходит в ленточных глинах и суглинках Балтийского ледникового озера. Глины имеют высокую пылеватость, максимальное содержание пылеватой фракции 0,05-0,002 мм в отдельных случаях достигает 67 %, а глинистой 37%. Величина естественной влажности для данных отложений составляет 36 %. Угол внутреннего трения составляет менее 6, а сцепление ниже 0,017 МПа. Данные экспериментальных исследований в условиях трехосного сжатия подтверждают, что озерно-ледниковые отложения следует рассматривать как квазипластичную среду, обладающую незначительной прочностью и высокой способностью к развитию пластических деформаций. В пределах,тюбингов 16-59 тоннель располагается в толще моренных образований лужской стадии, оледенения — суглинках и супесях неоднородных по- составу с включениями гравиино-галечникового материала. Суглинки по составу легкие сильно пылеватые (60%). В морене встречаются линзьь пылеватых песков и супесей мощностью от 0,3 м до 3-4 м, содержащих напорные воды. Угол внутреннего трения моренных отложений, находящихся- в, полутвердом состоянии (Іь ОДЗ), по данным стабилометрических испытаний, снижается до 5 град, а сцепление составляет 0,080 МПа. Согласно исследования, выполненным на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ(ТУ) такое несоответствие между показателями консистенции и параметрами сопротивления сдвигу, обычно характерно для пород с высокой микробной пораженностью.

Наклонный тоннель (тюбинги 59-65) проходит в межморенных отложениях, представленных озерно-ледниковыми суглинками мощностью 1 метр и гравийно-галечниковыми флювиогляциальными образованиями мощностью 2 метра, к которым приурочен напорный напорный-водоносный горизонт (межморенный). Озерно-ледниковые суглинки относятся к сильно пылеватым разностям (63 % пылеватых фракций) с плотностью 1,97 г/см3. Согласно показателю консистенции (IL=0,46) суглинки классифицируются» как тугопластичные разности с коэффициентом пористости равным 0,762.

Начиная-с тюбингов 65 до 74, тоннель проходит в толще второй от поверхности морены» московского возраста мощностью» около 5,0-метров, представленной суглинками и супесями с высоким содержание гравия и гальки 15-25 % реже до 50-70 %. Суглинки относятся к тяжелым разностям, имеют влажность 13 % и достаточно высокую плотность 2,22 г/см .

Нижняя часть наклонного тоннеля- «Пл. Александра Невского I», начиная, с тюбингов 74 до 107, расположена в толще коренных пород — дислоцированных разуплотненных верхнекотлинских глинах верхнего венда с прослоями песчаника. Следует отметить, что прослои песчаника содержат напорные хлоридные натриевые воды.

Эскалаторный тоннель погружается в коренные глины на глубину 20 метров, в пределах которых наблюдается: наличие тектонической и, нетектонической трещиноватости, которая определяет повышенную проницаемость коренных пород, при этом коэффициент фильтрации может повышаться до 10" -10" м/сутки и более. Трещиноватость глин сказывается на снижении величины сцепления на 50% и мало влияет назначении угла; внутреннего трения: (см. табл.3.2). Величина плотности глин достигает 2,11 г/см3.

Как уже отмечалось в главе 1 определяющее значение на степень и характер разрушения конструкционных материалов5 обделок (в том числе чугуна, бетона и; тампонажного раствора) оказывает агрессивное воздействие подземных вод и вмещающих водонасыщенных пород. Во вмещающей тоннель четвертичной толще пород присутствуют два водоносных горизонта (грунтовые воыд и межморенный водоносный горизонт), в нижней части разреза, эскалаторного тоннеля в коренных глинах прослеживаются обводненные прослои песчаников, содержащие напорные воды.

Согласно результатам опробования скважин режимной сети, расположенной вблизи рассматриваемого участка, а также исследованию химического состава воды при бурении скважин в районе моста Александра Невского, грунтовые воды в районе наклонного тоннеля характеризуются высокими уровнями загрязнения, что определяется наличием источников контаминации подземных вод. На рассматриваемом участке уровень грунтовых вод устанавливается достаточно близко от поверхности, на глубине 1-1,5 (2,0) м. Высокое положение грунтовых вод, по всей видимости, связано с утечками из подземных коммуникаций — систем водоотведения. Грунтовые воды имеют пестрый химический состав и минерализацию, достигающую 1800-2700 мг/дм (табл. 3.3).

Характер перемещений перегонных тоннелей во времени по трассе «Невский проспект - Горьковская»

К первой зоне (Ї) тоннеля относится участок, расположенный между ПК 124+00 - ПК 132+00 (см. рис. 4.1.). Тоннель имеет железобетонную обделку, кроме участка (ПК 124+50 - 125+50) с чугунной обделкой. В пределах первой зоны, тоннель проложен под склоновой частью погребенной долины на различной глубине от кровли верхнекотлинских глин венда: от 17,0 м на ПК 124+00 и до 40,0 м на ПК 132+00. Вендский водоносный комплекс от подошвы тоннеля размещается на глубине 50,0 м на ПК 127+00 и 15,0 м на ПК132+00, величины градиентов напоров перетекания и действия на тоннельную обделку варьируют в пределах от 1,9 - 7,0. Учитывая, что вмещающие тоннели верхнекотлинские глины являются трещиноватыми породами, минерализованные воды вендского водоносного комплекса в процессе перетекания воздействуют на обделку тоннелей с различной интенсивность, в зависимости от глубины заложения тоннелей.

В пределах первой зоны наблюдается постепенное опускание тоннеля с небольшой амплитудой перемещения по отдельным точкам. Минимальная величина оседания была зафиксирована в 2004 году и составила 38 мм (ПК 129+00), максимальное значение оседания отмечалось в 2003 году на ПК 131+00 и не превышала 50 мм. Показания перемещения по реперам в 2005 году мало отличаются от 2004 года, незначительный подъем может быть вызван ростом взвешивающего действия напорного водоносного комплекса при постоянном повышении его пьезометрической поверхности. Относительные деформации в первой зоне близки к нулю.

Вторая зона (її) протягивается от ПК 132+00 до ПК 136+50, тоннель располагается под нижней частью склона и тальвегом погребенной долины на максимальной глубине от дневной поверхности до 115 м. Обделка тоннеля на участке ПК 132+00-139+20 - железобетон, ПК 139+20-139+80 - чугун. Минимальная мощность коренных пород над сводом тоннеля составляет 4,5 м (ПК 135+50 - 136+50). В этой зоне мощность целика между подошвой тоннеля и кровлей напорного водоносного комплекса также минимальна — 7,5 м, градиент напора 11,3. Следовательно, в этой зоне должно отмечаться максимальное взвешивающее давление от действия напорных вод. Поскольку глубина вреза палеодолины в верхнекотлинские глины венда в пределах второй зоны достигает 65,0 м, то, следовательно, долина прорезает значительную мощность водоупорной толщи верхнекотлинских глин и подошва тоннеля располагается в пределах переходного слоя котлинского горизонта. Наличие песчаников в подошве тоннелей предполагает снижение деформаций оседания (S4), чему может способствовать также взвешивающий эффект, возникающий при восходящем перетекании минерализованных вод вендского водоносного комплекса. Следует отметить, что максимальная величина оседания, равная 55 мм зафиксирована на ПК 133+00 в 2003 г., после чего наблюдалось уменьшение оседания тоннельной конструкции за счет противодавления при перетекании напорных вод. Во времени характер снижения оседания совпадает с периодом высокой интенсивности роста напоров в вендском водоносном комплексе. Минимальная величина оседания установлена в 2005 году на участке тоннеля с чугунной обделкой ПК 135+78 - ПК 136+79 и составила 22 мм. В этом же 2005 году относительные перемещения на участке длиной 170 м (ПК 134+50 -ПК 136+20) практически достигли величины 6,5 10"5. Такое значение относительной деформации может быть критическим при высокой степени разрушения целостности конструкций за счет коррозионных процессов. При визуальном обследовании тоннеля в этой зоне прослеживалась наиболее интенсивная коррозия железобетонных тюбингов, а также их смещение, отмечалось большое количество просачиваний воды по швам и из болтовых соединений, образование наростов, а также фильтрация воды через тюбинги с последующим образованием высолов.

Третья зона (ІШ имеет протяженность от ПК 136+50 до ПК 146+50 и проходит в пределах склоновой части погребенной долины. На участке ПК 139+20-139+80 для обделки тоннелей применялись чугунные тюбинги. В подошве тоннеля залегает толща переслаивания песчаников с аргиллитоподобными глинами. По мере подъема тоннеля и продвижения от ПК 136 к ПК 146 отмечается незначительное варьирование перемещений оседания. Максимальное значение фиксировалось в 2003 году на ПК 142+80, которое составило 42 мм, минимальное - 18 мм в 2004 году на ПК 147+00, соответственно относительное перемещение между ПК 144+00 — ПК 145+00 достигло 10"5 в 2003 г. Перетекание минерализованных вод сопровождается их интенсивным воздействием на обделку тоннелей, разрушение которых приводит к высачиванию вод, образованию течей, сталактитов. При активном выщелачивании цемента из бетонов обделок образуются высолы и генерация почкообразных натечных форм черного цвета с кристаллами соли и выносом разрушенного материала между тюбингами. Отмечаются трещины в банкетке.

Первая зона (Г) тоннеля протягивается от ПК 124+00 до ПК 131+00. Эта зона тоннеля целиком располагается в верхнекотлинских глинах венда на глубине от 25,0 м на ПК 125+00 до 35,0 м на ПК 130+00 считая от кровли вехнекотлинских глин, трещиноватость и низкая прочность которых отмечалась еще на стадии изысканий. В первой зоне отмечается незначительное варьирование величины оседания тоннеля. Максимальное значение было зафиксировано в 2005 г: на ПК 129+50 оно составило 55 мм, минимальное - 44 мм в 2003 г.

По мере углубления тоннеля по направлению к тальвегу палеодолины, подошва перегонных тоннелей приближается к кровле вендского водоносного комплекса, в связи с чем, интенсифицируются процессы перетекания и коррозионного воздействия минерализованных вод. На ПК 126+21 кровля водоносного горизонта располагается на глубине 55,0 - 57,0 м и градиент напора составляет 2,0, в то время как на ПК 131+00 градиент напора возрастает до 6,8, поскольку глубина залегания кровли горизонта от подошвы тоннеля равна 23,0 м. Вмещающие породы сильно дезинтегрированы за счет тектонической и нетектонической трещиноватости при формировании? палеодолины.

В" пределах первой5 зоны отмечаются многочисленные высачивания- из болтовых соединений; высокая проницаемость, железобетонных тюбингов; выщелачивание тампонажного раствора, образование высолов и сталактитов.

Вторая зона, (її) приурочена к нижней части погребенной-долины и ее тальвегу в пределах ПК 131+00 — ПК 138+00. Следует отметить, что от ПК 132+55 до ПКЛ36+34 обделка тоннеля состоит из чугунных тюбингов, в то время как на протяжении остальной трассы отмечается железобетонная обделка:

Вмещающими-породами служит толща переслаивания песчаников,и-глин, деформационная- способность которой, характеризуется более высокими показателями, чем деформационные параметры трещиноватых верхнекотлинских глин, соответственно величины оседания должны иметь меньшие значения, чем в пределах первой зоны. На ПК 136+00 минимальная мощность верхнекотлинских отложений над сводом тоннеля (участок тальвега) составляет 4,5 м, что предопределяло в прошлом возможность поступления загрязняющих компонентов в трещиноватую толщу коренных пород в период максимального снижения пьезометрического уровня вендского водоносного комплекса. Кровля вендского водоносного комплекса-располагается на глубине 8,0м от подошвы тоннеля, градиент напора при этом возрастает до 11,3 (ПК 136+00).