Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Инженерно-геологическое обеспечение наземного и подземного строительства в условиях активного техногенеза компонентов подземного пространства Приморского района Санкт-Петербурга

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Инженерно-геологическое обеспечение наземного и подземного строительства в условиях активного техногенеза компонентов подземного пространства Приморского района Санкт-Петербурга"

На правах рукописи

КАРПОВА ЯНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИМОРСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология,

мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551501

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель -

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Дашко Регина Эдуардовна

Официальные оппоненты:

Шашкин Алексей Георгиевич доктор геолого-минералогических наук, доцент кафедры Основания и фундаменты ФГУП ВПО «Петербургский государственный университет путей и сообщения Императора Александра I», доцент

Конюшков Владимир Викторович кандидат технических наук, доцент кафедры Геотехники ФГУП ВПО «Санкт-Петербургский архитектурно-строительный университет», доцент

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет».

Защита диссертации состоится 27 июня 2014 г. в 9.30 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 25 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ЛЛ^-) ШИДЛОВСКАЯ

диссертационного совета О? Анна Валерьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Приморский район, расположенный в северозападной части Санкт-Петербурга, рассматривается как один из самых крупных, динамично развивающихся районов города, в пределах которого размещается природоохранная территория - Юнтоловский региональный комплексный заказник, в состав которого входит Лахтинское болото площадью 7,1 км2. Следует отметить, что до начала освоения территорию современного Приморского района покрывали болота различного типа, которые при инженерной подготовке территории частично снимались либо засыпались (намывались) глинисто-песчаными грунтами. Наличие болотных отложений предопределяет специфичность физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве - формирование восстановительной обстановки и активизацию деятельности микроорганизмов в подстилающих отложениях.

Согласно генеральному плану освоения и использования территории города Санкт-Петербурга, в пределах Приморского района, наряду с массовым строительством жилых зданий, ведется возведение уникального 86-ти этажного высотного здания «Лахта центра», местом расположения которого выбран западный берег Лахтинского разлива Невской губы. Планируется проходка трёх веток метрополитена, две из которых являются продолжением 5-ой и 2-ой линий, а третья - новая трасса, которая будет располагаться вдоль западного побережья Лахтинского разлива. Кроме того, в рассматриваемом районе осуществляется прокладка сети тоннельных канализационных коллекторов средней глубины заложения, ведется строительство центрального участка скоростной автодорожной трассы Западного скоростного диаметра (ЗСД), а также новых транспортных магистралей.

При оценке инженерно-геологических условий Приморского района необходимо принять во внимание наличие региональных тектонических разломов различного направления, определяющих степень трещиноватости верхнекотлинских глин и нижнекотлинских песчаников. Субширотный тектонический разлом трассирует положение глубокой палеодолины с эрозионным врезом в коренные глины более 90 м. В тальвеге этой погребенной долины локально вскрывается высоконапорный вендский водоносный комплекс, содержащий воды с повышенной минерализацией, и отмечается их

восходящее перетекание через трещиноватую толщу глин, что следует учитывать, в первую очередь, при проходке перегонных тоннелей метрополитена под тальвегами палеодолин и устройстве свайных фундаментов глубокого заложения.

Кроме того, необходимо также рассматривать экологическое состояние района, в пределах которого располагается большое количество свалок различного состава и возраста, оказывающих негативное влияние на все компоненты подземного пространства до глубины 50-70 м, прежде всего, на состояние и свойства песчано-глинистых грунтов и состав подземных вод, а также на активизацию и/или развитие инженерно-геологических процессов.

Проблемами инженерно-геологического повышения

безопасности строительства и эксплуатации наземных и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях занимались Е.М. Сергеев, В.Д. Ломтадзе, В.И. Осипов, P.C. Зиангиров, В.Т. Трофимов, Ф.В. Котлов, В.А. Королев, В.М. Кнатько, Г.С. Голодковская, И.П. Иванов, Р.Э. Дашко, Ю.А. Норватов, Е.М. Пашкин, А.Г. Протосеня, В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин и др.

Инженерно-геологическое обеспечение безопасности строительства и длительной эксплуатации наземных и подземных сооружений в пределах Приморского района следует рассматривать как одну из важных задач в связи с проектированием и возведением объектов высокого класса капитальности в условиях активного техногенеза компонентов подземного пространства и развития слабых водонасыщенных песчано-глинистых грунтов.

Цель работы. Повышение безопасности строительства и длительной устойчивости наземных и подземных сооружений на основе комплексного анализа и оценки инженерно-геологических условий с учетом широкого развития болотных отложений и свалок различного состава, негативное воздействие которых отражается на состоянии и физико-механических свойствах песчано-глинистых грунтов, составе подземных вод и развитии инженерно-геологических процессов.

Основные задачи исследований

1. Оценка влияния болот и контаминации подземной среды на изменение состава, состояния и физико-механических свойств водонасыщенных песчано-глинистых грунтов и их микробной пораженности в разрезе четвертичной толщи и верхнекотлинских глин верхнего венда.

2. Обоснование инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических факторов для оценки длительной устойчивости наземных и подземных сооружений, взаимодействующих с четвертичными и верхнекотлинскими глинами верхнего венда в разрезе подземного пространства Приморского района Санкт-Петербурга.

3. Разработка научно-практических принципов инженерно-геологической типизации Приморского района для строительства наземных и подземных сооружений

4. Инженерно-геологическое обеспечение расчетов длительной устойчивости подземных и наземных сооружений в условиях многокомпонентного подземного пространства.

Фактический материал и личный вклад автора

Диссертация является продолжением научных исследований инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, в том числе Приморского района, проводимых на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии Горного университета. Автором работы выполнен анализ большого объема фондовых материалов по инженерно-геологическим условиям Приморского района Санкт-Петербурга, включая его структурно-тектонические, гидрогеологические и экологические условия. Кроме того, автором производилась полевая документация скважин, а также экспериментальные исследования состава, состояния и физико-механических свойств грунтов четвертичной толщи с целью установления влияния болотных отложений на прочность и деформационную способность дисперсных грунтов Приморского района, а также прогнозирования развития опасных инженерно-геологических процессов в подземной среде, в том числе под влиянием деятельности микроорганизмов. Выполнена инженерно-геологическая оценка условий строительства для обеспечения эксплуатационной надежности перегонных тоннелей метрополитена в Приморском районе Санкт-Петербурга при различной глубине их заложения (в четвертичных грунтах и в верхнекотлинских глинах) с использованием метода аналогий на основе анализа опыта функционирования подземных выработок Петербургского метрополитена.

Основные методы исследований. Теоретический анализ формирования и изменения инженерно-геологических условий территории, экспериментальные исследования состава, состояния и

физико-механических свойств четвертичных и верхнекотлинских глин верхнего венда с применением современного оборудования, исследование компонентного состава подземных вод в полевых и лабораторных условиях в разрезах отдельных участков Приморского района с изучением микробной составляющей; применялись прямые методы микробиологических исследований для установления численности и видового состава аэробных, факультативных и анаэробных форм микроорганизмов, в том числе генерирующих биохимические газы, а также косвенный биохимический метод М.Бредфорд для определения закономерностей изменения содержания микробной массы по глубине разреза; использование модели квазипластичной среды для обоснования расчетов устойчивости сооружений, возводимых на пластичных грунтах с высокой микробной пораженностью.

Научная новизна работы

• На основании теоретического анализа формирования и преобразования моренных отложений под воздействием физико-химических процессов и активизации микробной деятельности и выполненных экспериментальных исследований установлены закономерности их деформационного поведения для оценки изменения несущей способности грунтов в основании сооружений.

• Впервые исследованы физиологические группы микроорганизмов в разрезе Лахтинского болота (краевая зона) и установлены особенности изменения их численности по глубине в различных типах грунтов с использованием прямых и косвенных методов, а также изучено влияние микробиоты на состояние и физико-механические свойства песчано-глинистых разностей.

• Разработаны научно-практические основы и произведена инженерно-геологическая типизация территории Приморского района для оценки взаимодействия наземных объектов и ответственных подземных сооружений с компонентами подземного пространства с учетом особенностей структурно-тектонических условий, определяющих рельеф кровли верхнекотлинских глин верхнего венда и степень их трещиноватости, гидродинамический и гидрохимический режимы водоносных горизонтов, а также специфики контаминации подземной среды.

Защищаемые положения

1. Безопасность строительства и эксплуатации подземных

и наземных сооружений различного уровня сложности в Приморском районе должна базироваться на комплексном подходе к оценке взаимодействия сооружений с многокомпонентным подземным пространством при обязательном учете влияния природных и техногенных контаминантов на песчано-глинистые грунты и подземные воды.

2. Наличие органической компоненты в верхней части разреза природного и техногенного генезиса (торфяных отложений, свалок различного состава и других контаминантов) предопределяет глубокую трансформацию окислительно-восстановительных и биохимических условий в подземной среде, что приводит к развитию опасных инженерно-геологических процессов, в том числе плывунов, биохимической газогенерации и биокоррозии конструкционных материалов во вмещающей среде.

3. Инженерно-геологическая типизация территории Приморского района с учетом сложности, многокомпонентности и контаминации подземного пространства дает возможность повысить уровень надежности и достоверности инженерно-геологической информации для проектирования, строительства и обеспечения длительной устойчивости конкретных наземных и подземных сооружений.

Практическая значимость работы

• Разработаны новые методические подходы при проведении инженерно-геологических исследований в пределах территорий с широким развитием болот и заболоченных участков для строительства и эксплуатации наземных сооружений.

• Выделены основные инженерно-геологические факторы, определяющие эксплуатационную надежность перегонных тоннелей в четвертичных и дочетвертичных песчано-глинистых отложениях.

• Учтена специфика инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических условий для обоснования типизации подземного пространства Приморского района с целью его освоения и использования при строительстве сооружений различного назначения.

Достоверность научных положений и выводов,

сформулированных в диссертационной работе, базируется на анализе большого объема фондовых материалов по изучению инженерно-геологических, гидрогеологических и экологических особенностей

разреза территории Приморского района, а также полевых и лабораторных исследованиях прочности и деформационной способности песчано-глинистых пород различного возраста. В диссертационной работе широко применялись теоретические, научно-практические и экспериментальные исследования по воздействию абиотической органической компоненты (растительных остатков различной степени разложения) и биотической составляющей (микроорганизмов) на свойства песчано-глинистых грунтов в разрезе Приморского района Санкт-Петербурга. Кроме того, в работе также были использованы результаты, полученные в ходе проведения научно-исследовательских работ при непосредственном участии автора: «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Инженерная геология» (2011г.), «Геотехническое прогнозирование влияния микробиотической деятельности на безопасность освоения и использования подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2012 г.), «Научно-методическое и информационное обеспечение специализированной лаборатории инженерно-геологической

диагностики компонентов подземного пространства мегаполисов и горнопромышленных регионов» (2013-2014 гг.), а также при поддержке персональных грантов для студентов и аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2012, 2013 гг.).

Реализация результатов исследований. Результаты, полученные при подготовке диссертации, рекомендуются к применению при проектировании подземных и наземных сооружений не только в пределах территории Приморского района Санкт-Петербурга, но и в аналогичных инженерно-геологических условиях мегаполиса и других городов. Полученные результаты работы будут использованы при совершенствовании нормативных документов по проведению инженерных изысканий и территориальных строительных норм, а также рядом организаций, таких как СПб НИИ градостроительного проектирования, ОАО «Ленниипроект», ЗАО «Институт Ленпромстройпроект», ООО «Горниипроект», ООО «ГК Геореконструкция» при подготовке проектов для строительства сооружений. Кроме того, разработки по обеспечению эксплуатационной надежности перегонных тоннелей могут быть использованы ОАО «Ленметрогипротранс, ОАО «Метрострой».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» («Горный университет» Санкт-Петербург, 2012, 2013, 2014 гг.), «Науки о Земле: устойчивое развитие территорий - теория и практика» (ЧувГУ, г.Чебоксары, 2012г.), Международная конференция во Фрайбергской горной академии (Фрайберг, Германия, 2013 г.), «Пятнадцатые Сергеевские чтения. Устойчивое развитие: задачи геоэкологии (инженерно-геологические, гидрогеологические и геокриологические аспекты)» (Научный совет РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, Москва, 2013 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 статьях, из которых 3 опубликованы в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК Минобрнауки Российской Федерации.

Структура работы. Диссертация изложена на 271 странице, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из' 125 наименований, содержит 96 рисунков, 35 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность за постоянную помощь и поддержку на всех этапах подготовки диссертационной работы научному руководителю д.г.-м.н., проф. Р.Э.Дашко. Автор благодарит всех сотрудников и членов кафедры гидрогеологии и инженерной геологии за обсуждение материалов диссертации. Автор выражает благодарность д.б.н., проф., заведующему лабораторией микологии и альгологии СПбГУ Д.Ю. Власову за помощь в проведении микробиологических исследований.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Безопасность строительства и эксплуатации подземных и наземных сооружений различного уровня сложности в Приморском районе должна базироваться на комплексном подходе к оценке взаимодействия сооружений с многокомпонентным подземным пространством прп обязательном учете влияния природных и техногенных контаминантов на песчано-глинистые грунты и подземные воды.

В настоящее время Приморский район рассматривается как один из наиболее перспективных районов Санкт-Петербурга с позиции

освоения и использования его подземного пространства для размещения объектов массового гражданского строительства, а также уникальных зданий и сооружений, характеризующихся повышенным уровнем ответственности и сложности.

На современном этапе строительства сооружений различного типа подземное пространство необходимо рассматривать как многокомпонентную систему, в состав которой, наряду с грунтами и горными породами, подземными водами, газами различного генезиса и подземными конструкциями (фундаментами различного типа, подземными сооружения метрополитена, канализационными коллекторами и др.), входят микроорганизмы, оказывающие непосредственное влияние на другие составляющие этой сложной системы.

До начала освоения территория современного Приморского района характеризовалась высокой заболоченностью, чему способствовали низкие абсолютные отметки дневной поверхности (от О до 9 м), близкое к ней залегание грунтовых вод и водоупорного слоя, гумидный климат (рисунок 1). В ходе инженерной подготовки территории болотные отложения частично снимались (при мощности менее 2 м) или засыпались техногенными грунтами. В настоящее время на территории района располагается Лахтинское болото, которое неоднократно подвергалось масштабному осушению и последующей

разработке торфа.

Наличие болот в верхней части разреза предопределяет специфичность физико-химических, биохимических и инженерно-геологических условий в подземной среде, что отражается на состоянии и свойствах подстилающих грунтов. Песчано-глинистые разности, залегающие под торфами, характеризуются зеленовато-серой, темно-серой или голубовато-серой окраской за счет присутствия закисных соединений железа (цвета восстановительной среды).

Следует отметить, что освоение территории действующего Приморского района насчитывает более тысячи лет. На первоначальном этапе загрязнение подземного пространства наблюдалось за счет развития мелкой промышленности и хозяйственно-бытовых отходов при отсутствии канализационной сети. В дальнейшем, активизация промышленного производства привела к усложнению состава отходов. В XX веке значительный вклад в общую контаминацию подземной среды внесли: строительство железной

дороги, стремительный рост промышленных предприятий, широкое развитие кладбищ, свалки, утечки из канализационной системы, а также региональное загрязнение нефтепродуктами. Комплексность и длительность действия различных типов контаминантов определяют техногенную пораженность компонентов подземной среды.

В разрезе территории Приморского района прослеживаются региональные тектонические разломы северо-западного, субширотного и субмеридианального простирания, предопределяющие расположение палеодолин, а также трещиноватость глин и песчаников вендской толщи. К субширотному тектоническому разлому приурочена самая глубокая погребенная долина в Санкт-Петербурге, протягивающаяся от пл. Мужества через весь Приморский район и далее на запад (рисунок 2). В тальвеге палеодолины кровля вендских глин вскрывается на глубине более 90 м, а мощность четвертичных отложений достигает 100 м.

Четвертичная толща представлена переслаиванием песчано-глинистых разностей различного генезиса (сверху вниз): техногенными (намывными или насыпными) и болотными грунтами, озерно-морскими песчано-глинистыми отложениями, озерно-ледниковыми суглинками и глинами Балтийского ледникового озера, моренными разностями осташковского, московского и вологодского горизонтов, а также межморенными песчано-глинистыми отложениями (рисунок 3). При этом, отложения вологодской морены имеют локальное развитие только в тальвеге глубокой палеодолины.

Под четвертичными отложениями до глубины 220 м в разрезе района встречаются дочетвертичные отложения вендского возраста: верхнекотлинские глины и нижнекотлинские песчаники. К песчаникам приурочен высоконапорный вендский водоносный комплекс, воды которого имеют хлоридный натриевый состав. В настоящее время величина напора этого комплекса в пределах района составляет 90 м и продолжает подниматься.

В разрезе подземного пространства Приморского района вскрывается три водоносных горизонта, приуроченных к четвертичной толще: грунтовый, верхний и нижний межморенные горизонты. Грунтовый водоносный горизонт развит повсеместно и наиболее подвержен техногенному воздействию. Верхний и нижний межморенные водоносные горизонты - напорные, распространены локально и достаточно хорошо защищены от загрязнения.

Безопасность строительства и эксплуатации сооружений различного типа в пределах Приморского района должна обеспечиваться на основе полученной информации о структурно-тектонических условиях, генетических типах отложений, степени их контаминации, активности микроорганизмов, а также гидродинамическом и гидрохимическом режимах подземных вод и их агрессивности по отношению к конструкционным материалам.

2. Наличие органической компоненты в верхней части разреза природного и техногенного генезиса (торфяных отложений, свалок различного состава и других контаминантов) предопределяет глубокую трансформацию окислительно-восстановительных и биохимических условий в подземной среде, что приводит к развитию опасных инженерно-геологических процессов, в том числе плывунов, биохимической газогенерации и биокоррозии конструкционных материалов во вмещающей среде.

Поступление органической компоненты в подземное пространство Приморского района происходит за счет природных и техногенных источников (рисунок 4). К природным источникам отнесены болотные отложения (торфа). Величина ХПК в водах низинных, переходных и верховых болот составляет 159,5 мг02/дм , 136,7 мг02/дм и 67 мг02/дм3 соответственно. Максимальные значения перманганатной окисляемости характерны для верховых болот (до 80,9 мг02/дм3), менее - для переходных (76,4 мЮ2/дм ) и наиболее

низкие - в низинных (54,2 мг02/дм ).

Основными техногенными источниками органических веществ служат утечки из региональной канализационной сети, жидкая фаза свалок различного состава, кладбища и др. Данные химического состава грунтовых вод, отобранных вне и в зоне контаминации подземной среды Приморского района на различных участках, приведены в таблице 1. Лесопарковые территории являются относительно чистыми. Наибольшее содержание органических соединений характерно для разреза, в верхней части которого прослеживаются погребенные болота, свалки и кладбища. Грунтовые воды в зоне снятых болот и свалок (скв. 9934), а также кладбищ (скв.44279) имеют повышенные содержания соединений серы, азота, хлоридов, и органических соединений, устанавливаемых по величине перманганатной окисляемости.

Рисунок 3 - Геолого-литологический разрез к рисунку 2 Приморского района вкрест простирания субширотной палеодолины

1 - заболоченные леса

- открытые болота

Рисунок 1 — Карта окрестностей Санкт-Петербурга с обозначением современных границ Приморского района (1792 год)

Условные обозначения:

| ti V 1 Техногенные огложете*

| Ш1У| Ожрно-ыорские oí

| IglII 1 Окршика

f gJLll | OcjauiKOBCuu (Лужам) ыорснд

| lgll I 0«pHO-.it4HHKu«Kit отложения uocw

glLoia Москонсюи морена

| f,| Tf | Флювиоплхцнадьние осюжшня

ННЦ Вл книце гая морена

| V2klgl Нсртнсигаинскис глины яерхнаою

| т т | Болотные отложения

| | Ленточная глина

| •. * | Песок средний

| ., ■ | Песок мелкий Суглинок

— | Супесь

Рисунок 2 - Положение кровли верхнекотлинских глин верхнего венда с обозначением разломов по данным А.Н. Шабарова и Е.К. Мельникова, 2004 год

Таблица 1 - Содержание основных компонентов в грунтовых водах Приморского района на различных

территориях

I II III IV V VI VII

Элементы анализа Скв. Скв. Скв. Скв. Скв. Скв. Скв. Скв. Скв.

425* 450* 488* 449* 440* 9934** 237*** 45369** 44279**

Са2+, мг/дм3 12,0 10,0 32,0 34,0 240,0 238,5 168,3 50,1 88

Mg2+ мг/дм3 4,9 7,3 3,6 40,1 38,9 118,0 49,9 63,2 49,2

Na++K+, мг/дм3 66,0 34,5 173,0 199,5 410,2 411,6 274,4 124,4 147,3

S042", мг/дм1 80,2 18,1 212,3 239,1 672,4 226,2 48,0 6,0 63,1

СГ, мг/дм3 14,2 21,3 14,2 56,7 326,2 284,3 245,9 341,2 164,7

НСОз", мг/дм' 109,8 128,1 231,8 536,8 646,6 1632,8 1006,8 567,3 531,2

N03", мг/дм3 1,12 5,77 8,73 8,73 12,80 1,1 след . .

N02\ мг/дм3 0,24 0,00 0,45 0,00 0,00 0,00 отс. - .

NH4+, мг/дм3 2,1 3,45 54,0 25,9 10,92 5,42 отс. - 15

Fei++Fe3+, мг/дм1 6,8 10,5 5,6 11,3 10,2 8,9 4,5 10,0 30

Минерализация, мг/дм3 248,0 184,0 1196,0 1002,0 3694,0 2105,0 1294,2 1361,2 1036,2

Общая жесткость, мг-экв/дм3 1,0 1,1 1,9 5,0 15,2 60,5 35,0 21,6 20,7

Перманганатная окисляемосгь, мг02/дм3 9,70 32,0 121,21 38,4 412,0 80,3 52,3 73,6 24,8

СО2 агрес, мг/дм3 0,0 11,0 0,0 4,4 22,0 13,4 5,3 2 11

pH 6,52 5,77 8,62 6,65 6,63 7,25 6,24 6,8 6,4

Примечание: по данным: * - ООО «СУ №299», ** - Трест ГРИИ, ***- по данным автора; I - лесопарковая зона; II -неосвоенная территория вблизи свалки; III - строительная площадка; IV - промзона, V - участок ликвидированной свалки (функционировала более 25 лет); VI - жилые массивы на засыпанных территориях ранее существовавших болот; VII — участок вблизи кладбища.

Таблица 2 - Микробиологический анализ проб грунтов в разрезе краевой зоны Лахтинского болота

Глубина отбора Генезис и тип отложений КОЕ* микромицетов ОМЧ** бактерий в 1 г грунта

в 1 г грунта Факультативы Анаэробы

0,9-1,0 ЫУ, торф 600 4,0 х 106 3,4 х 105

4,0-4,1 ш,1 IV, суглинок 350 2,5 х 106 1,0 х 106

10,0-10,2 300 2,5 х 106 1,5 х 106

15,0-15,2 суглинок 200 1,6 х 105 2,0 х 106

16,1-16,2 ЕШ, 700 8,0 х 10" 4,0 х 10б

20,0-20,2 супесь 600 4,5 х 10" 2,0 х 106

Примечание: КОЕ*- колонеобразующие единицы; ОМЧ**- общее микробное число.

С1-о2, МПа

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0

Рисунок 6 - Характер развития осевой деформации морен осташковского горизонта в зависимости от осевого давления в условиях трехосного сжатия

Глубина, м

— 17,0-17,2 16,0-16,2

-—15,0-15,2 -—■18,0-18,2

— 21,0-21,2 -♦-20,8-21,0

— 18,5-18,7 -—19,0-19,2

— 16,5-16,7

— 16,7-16,9

— 20,0-20,2

Всестороннее давление назначалось в зависимости от глубины отбора образцов

Таблица 3 - Гранулометрический состав и некоторые физико-механические свойства осташковской морены в разрезе Приморского района (участок Каменка)

Глубина, м Гранулометрический состав, % Параметры прочности

>2 мм 2-0,05 мм 0,05-0,002 мм < 0,002 мм % Консистенция с, МПа Ф, град.

16,0-16,2 8,9 53,6 28,0 9,5 17 Пластичная 0,043 5

17,0-17,2 1,5 30,8 54,2 13,5 22 Мягкопластичная 0,024 4

21,0-21,2 5,6 54,0 23,0 7,4 15 Пластичная 0,040 3

Условные обозначения:

- линейная погребенная гидроссть

- заверенные скважины

- погребенные болота | # | - разгрузочные скважины

- погребенная площадная гидросеть | ^^ | - граница Приморского района

- области экологически опасного развития биогаза " ликвидированные свалки

Рисунок 7- Зоны проявления биохимического газообразования на территории Приморского района по данным ФГУП «ВИРГ - Рудгеофизика»

Рисунок 4 - Схематизация основных источников поступления органики абиогенного и биогенного генезиса в подземное пространство Приморского района Санкт-Петербурга

Исследования микрофлоры болотных отложений, впервые выполненные в краевой зоне Лахтинского болота, позволили установить интродукцию микроорганизмов различных физиологических групп по глубине разреза песчано-глинистой толщи: в верхней части преобладают факультативные формы бактерий, численность которых с глубиной снижается и наблюдается рост | анаэробных групп (таблица 2). По данным косвенных определений микробной пораженности грунтов с помощью биохимического метода М. Бредфорд в разрезе действующего болота величина микробной массы за счет живых и мертвых клеток микроорганизмов, а также продуктов их метаболизма характеризуется высокими значениями (300400 мкг/г) (рисунок 5).

Содержание анаэробных форм бактерий по всей глубине разреза служит индикатором восстановительной среды, что подтверждалось замерами величин окислительно-восстановительного потенциала, которые имеют отрицательные значения (ЕЬ<0 гпУ).

Экспериментальные исследования моренных отложений осташковского горизонта, сформировавшихся в восстановительной среде, показали пластический характер их деформирования вне зависимости от консистенции (рисунок 6). В образцах морены

13

тугопластичной и мягкопластичной консистенции при естественной влажности чаще всего не наблюдалось образование площадок разрушения, образцы «бочковались» или характеризовались углом наклона площадки разрушения 45-48° по отношению к горизонтальной плоскости.

Рисунок 5 - Характер распределения микробной массы (ММ) по глубине в краевой части Лахтинского болота Приморского района Санкт-Петербурга

Наличие микроорганизмов, адсорбированных на минеральных и органических частицах дисперсных грунтов, в том числе моренных отложений, приводит к снижению параметров сопротивления сдвигу глинистых грунтов - угла внутреннего трения до 5° и менее, сцепления до 0,02 МПа (таблица 3), пески, при этом, переходят в плывунное состояние. Развитие пластических деформаций глинистых разностей способствует уменьшению модуля общей деформации до 5-7 МПа. Результаты экспериментальных исследований подтверждают ранее установленные данные о пластическом характере деформирования моренных отложений осташковского горизонта в восстановительной среде (Р.Э. Дашко, 1968 г. - по настоящее время).

Анаэробные формы микроорганизмов (метанообразующие, сульфатредуцирующие, водородообразующие) и факультативные (денитрифицирующие) генерируют газы с различной степенью растворимости. Метан (СН4), азот (N2), водород (Н2) относятся к малорастворимым газам, их накопление вызывает формирование газодинамического давления и, соответственно, разуплотнение песчано-глинистой толщи. Хорошо растворимые газы - диоксид

8ашжЩ шг/г

в т а т газ № т ш т

углерода (СОг), как продукт дыхания микроорганизмов, и сероводород (НгЗ) - следствие деятельности сульфатредукторов создают агрессивность водной среды по отношению к бетонам и металлам и рассматриваются как составляющие метаболиты процесса биокоррозии. Активная генерация метана и диоксида углерода в подземной среде Приморского района отмечается в зонах засыпанных болот, кладбищ, свалок (рисунок 7). Формирование Н23 зафиксировано в верхней 20-25-ти метровой толще четвертичных отложений.

Уменьшение размеров микроорганизмов в зонах повышенной контаминации предопределяет возможность их дальнейшей интродукции вниз по разрезу (Л.В. Лысак, 2010 г) и, соответственно, генерации газов и развития биокоррозии наиболее заглубленных подземных сооружений.

3. Инженерно-геологическая типизация территории Приморского района с учетом сложности, многокомпонентности и контаминации подземного пространства дает возможность повысить уровень надежности и достоверности инженерно-геологической информации для проектирования, строительства и обеспечения длительной устойчивости конкретных наземных и подземных сооружений.

В основу типизации территории Приморского района для наземного и подземного строительства заложена глубина залегания кровли верхнекотлинских глин, рассматриваемых в качестве несущего горизонта для высотных зданий, в том числе и уникальных, а также среды размещения перегонных тоннелей и станций метрополитена (рисунки 8 и 9). Глубина погребенной долины определяет подземный рельеф верхнекотлинских глин, мощность четвертичных отложений и многообразие их инженерно-геологических типов, количество водоносных горизонтов, их гидродинамический и гидрохимический режимы.

Дополнительное выделение зон и подзон инженерно-геологических типов для наземного строительства производилось с учетом геоморфологических особенностей, определяющих специфику разреза четвертичной толщи (зон), а также количества источников контаминации подземной среды (подзона) (рисунок 8). Наличие контаминантов различной природы способствует преобразованию основных компонентов подземной среды - песчано-глинистых грунтов и подземных вод.

В соответствии с этим, территорию Приморского района можно разделить на три типовых разреза по степени благоприятности условий для наземного и подземного строительства. Около 45 % от общей площади района характеризуются относительно благоприятными условиями для наземного и подземного строительства (оттенки зеленого цвета), 35 % - менее благоприятными условиями (оттенки оранжевого цвета), остальная часть - неблагоприятными (красный цвет) (рисунки 8 и 9).

Рациональность такого подхода для обеспечения длительной устойчивости объектов наземного и подземного строительства рассматривается на конкретных примерах.

В пределах Приморского района ведется строительство уникального здания «Лахта центр» на плитно-свайном фундаменте с длиной свай в центральной части 65 м. Несущим горизонтом служит 15-ти метровая часть толщи верхнекотлинских глин верхнего венда, ниже которой прослеживается высоконапорный вендский водоносный комплекс, содержащий хлоридные натриевые воды. Восходящее перетекание таких вод через трещиновато-блочную глинистую толщу, в которой размещаются сваи, будет приводить к снижению трения по их боковой поверхности как наиболее ослабленной зоне, а также уменьшению прочности глинистых блоков на 40-50 % за счет протекания диффузионно-осмотических процессов. Кроме того, при гидростатическом давлении вод водоносного комплекса, достигающем 3 атм. и более, даже плотные бетоны рассматриваются как диффузионно-проницаемые для ионов хлора и натрия, что приводит к формированию растворимых соединений в цементах и их постепенному выщелачиванию из бетонов свай, способствуя снижению их прочности во времени.

Котлован высотного здания «Лахта центр» пройден в неустойчивых четвертичных микробно-пораженных песчано-глинистых грунтах (ММ=80,9-120 мкг/г), к которым приурочен горизонт загрязненных грунтовых вод, что необходимо учитывать при обосновании выбора защитных покрытий для снижения биокоррозионного воздействия подземной среды на постоянные конструкции в разрезе четвертичной толщи.

На примере функционирующих перегонных тоннелей, пройденных в толще вендских глин по трассе «Черная речка -Пионерская», следует проводить прогнозирование развития

Условные обозначения:

■ //-/-кровля глин залегает ю г/цбине до V м б зае гг* нижней Оиторщ/юи террасы Н ист*** кэюспмции!

■ ¡¡-1-хроблн глинзалегает на г.у&не до 20м б зое пи нижней /Ъторшзбси террасы И истых кэтнишии/

■ кробля гпш залегает л глубине сЬ 20м б за* г—

1 берхней Атрищбой террасы !1 исто*** катониоции!

■ //-2 - крсбпя г,хн залегает на глу&яе до 20 м б зоне нижней /УтсршиЬои террасы 12 истсг+**а контаищии!

■ /¡-2 - кройля г/гн за^гсеп на гпйле до 20 мй зсхе г— Верхней АщхнЛи террасы !2 иопшка юнтннииз!

2 Административные границы Приморского района

■ /¡-3 - кроЬля глин залегает на глуби« до 20 м В зоне

' шжнеи ЛитриниВси террасы 13 истзчнлиз катмикиии! 1 3 крабля глк залегает ю глубие до 20 м В зон? ' Верхней Атрии&и террасы 13 истсч**о конташцил

■ {-I - кробля глин залегает на глубине до 30 н 6 зоне

' нижней А/критбой ¡перрссы Н истом* контаминации)

■ 4"-.'-крзбля глин залегает на г/фме до X) м б зоне

' берхней Л/пороибой террасы И истом* кситапиаиш! I {-2 - <рабт глн залегает но ?/цбше до Ю м б зоне 1 шжнеи /Ъторинибси юерросы 12 истома пнтшнии/

ЕИЗ

шш

■ ¡¿-2 - крпбля глш залегает т г/фне до 30 к б зоне ^^ 1 Верхна/ Ллпоринибои террасы (2 источника коштяаиии!

■ 3 еробля глл заггает на глубис до 30 м В зоне

' нижней //итзринибой ¡тщасы О иеггвыха /оланшации)

■ /¿-3 - кробля гян залегает на г/убше до 30 м б з&е II ' берхней Ллпсршзбой террхы /3 ист&никс контгшзцои)

Йс-1 - <ребла глх запегает из ггфяе до ЬО м б эонз ГЩ^Р]

нижней /ктрилЛей террасы П истом* хонтошюцш/ й:-1- кробля ?лн залегает но глубине ¿Ом б зоне г——I

6ер,хнеи /УгсршЛх! террхы П источи* кемпаминазии!

1е-2- кробля гпзн залегает но г/удине до ¿Ом б зоне нижней /Ьторшибой террасы 12 истсшха кенкняаши! /с-2 - крзбля г/ин залегает на глубине доЬОмб зене Серхней /¡ипориибай террасы 12 иеттха мнпа-исиии/ ¡¡-3 - кробля глин залегает на глуби*? до 40 м В за* тхнеи /ЬтцынАй тщюсы О иемжка конлттми! К-3 - кробля глин залегает но глубине до 40 м б зоне берхней /ЬгщмАзй террасы 13 источнха катгшиш' /¡-' - кробля гън ллегоет ш г/убие до 50 м 6 зон? нижней /ипаринибой яеррзсы 11 иеттх хамтаинаиш!

СИ]

I /¡¡'-!-кробля гпзн залегает^ г/удине до50мб хне ' берхней /Утсри</хю террасы / / испхг-нх компоншециь' !}-2 - кро&ля гю1 залегает тг/фиг до50м 6 зоне нижней Атеришбси террхы (2 истсчкха контзъкцш! Ц-2- кробля глп залегает щ глубине да 50 м б лае Верхней' /ЬщхмАои террасы 12 иатотха кснгшншиЛ /¡-3- кробля глн закгает не глубие до 50 м б зене ниж^й Алхринибаз террасы (3 исп&нха калтмиии/ ¡¡-3 - продля глин залегает т г>%диче дс 50 м 6 зое Верхней /Уяоринибой террасы в источника коюзмцноиии!

]Я-1 ~ кребля гп»< зглегаегн: глуби* до 60 м б зоне няней ■ЪгорщДой террасы /' историк контапн&ии!

]/!'-!-иробля г/ин зачгает но глубине до 60 м б зоне Серюеи /кгершбой террасы Нистшх кстстнаиш!

■ и-2-крайля глн залегст на глуйине да 60 м б за*

I шжнеи /1тр1н/юи террасы (2 истш*а кантткиии!

]Ч '-2 - кробля глин забегает на глубже до 60 м б зоне верхней Лжршибой террасы !2истрчы*с хонлтиющи/

] Я -3 - кробпя глин залегает на глубине до 60 н б зоне нижней ЛугцшАх/ террасы /3 ислюыхо юнпхшнххм)

■ Х'-З - кробпя гпзн залегает щ глубине до 60м б зоне

I берх/ей 'ащинЛпй террасы /3 шкннкп отимгли/

Рисунок 8 - Схематическая карта типизации территории Приморского района для наземного строительства

орская

Юнтодов

Комендантский —^аэро^ро^,^

ьгин

Финский залив

Условные обозначения:

Кровля верхнекотлинских глин верхнего венда залегает на глубине: 4 Юм; ^Л 40-50 м

(, 10-20 м; НН '» 50-60 м

/, 20- 30 м; /,;. 30- 40 м;

более 60 м

ЕЕЗ

Установленные активные разломы, проявленные б отложениях платформенного чехла

БЕЗ

0 отложениях платформенного чехла ТальОеги палеодалин глубиной более 50 и 6

___| Гальбеги полеодолин глубиной пенее 50 н

ЕЕЕЗ

_1_

| | Геодинанически октбные разлапы. нашедшие сбое 1 1 отражение б четвертичных отложениях _ Оси региональных зон разломоб. проявленных

Рисунок 9 - Схематическая карта типизации территории Приморского района для подземного строительства

деформаций проектируемых тоннельных конструкций и мероприятия для предотвращения преждевременного разрушения несущих обделок в период их эксплуатации в аналогичных инженерно-геологических и гидрогеологических условиях.

Перегон «Черная речка - Пионерская» пересекает тектонический разлом субширотного направления, трассирующий положение погребенной долины. По трассе «Черная речка - Пионерская» можно выделить три типа расположения тоннеля относительно палеодолины: I - вне; II - в её склоновой части; III - под её тальвегом.

По данным геодезической службы ТОИС ГУП «Петербургский метрополитен» перегонные тоннели, пройденные под тальвегом, испытывают максимальные деформации подъема. Такие деформации связаны с влиянием растущих напоров вендского водоносного комплекса (рисунок 10). В пределах склоновой части долины деформации подъема тоннеля минимальны, а вне зоны палеодолины, в условиях незначительного влияния вендского комплекса, тоннели или конструкции испытывают деформации оседания.

Усл.

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 -20,0 -40,0

3 5

II

3 о Условные обозначения: с е-

.1 - толща четвертичных отложений; К-аи?! - верхнекотлинские глины верхнего венда., в нижней части разреза переслаиваются с песчаниками;

§£§в! - кижнекотшшские песчаники, содержание высоконапорные минерализованные хлоридные натриевые воды вендского водоносного комплекса: - положение пьезометрической поверхности вендского водоносного комплекса, цифра над стрелкой - величина напора, м.

1976 г.

'1000 11500 Расстоянием

Рисунок 10 - Схематический геолого-литологический разрез по трассе «Черная речка - Пионерская» с графиками перемещений перегонных тоннелей

Коррозия несущих обделок перегонных тоннелей связана с воздействием микроорганизмов и хлоридных натриевых вод комплекса,

17

что подтверждается анализом компонентного состава водных вытяжек, приготовленных из разрушенных материалов несущих обделок тоннелей и натечных форм, а также специализированными микробиологическими исследованиями (посевы на питательные среды в аэробных и анаэробных условиях). В составе вытяжек преобладали хлориды (4254,0-92170,0 мг/дм3) и ион натрия (5195,2-34704,3 мг/дм3), подчиненное значение имели сульфаты (1364,2-4545,0 мг/дм3). Отмечалось высокое содержание органики, значение ХПК достигало 1612 мгОг/дм3. Кроме того, по результатам прямых микробиологических исследований были выявлены различные группы микроорганизмов, в том числе, микромицеты, анаэробные и аэробные формы, способствующие развитию биокоррозии несущих обделок.

При проходке тоннелей в четвертичной толще особое внимание должно уделяться характеру и степени контаминации подземной среды, а также влиянию действующих и погребенных болотных отложений. Поскольку прокладку перегонных тоннелей в четвертичной толще планируется осуществлять с помощью щита ТПМК «НеггепкпесЫ», позволяющего проходить выработки практически без осадок земной поверхности, в том числе в пределах сложных участков, основное внимание в вопросе обеспечения эксплуатационной надежности перегонных тоннелей следует уделять оценке агрессивности подземной среды. В связи с этим, наряду с традиционными методами ее изучения, в состав инженерно-экологических работ необходимо включать: определение органической компоненты в подземных водах по величине ХПК и БПК5, изучение микробиотической составляющей с учетом метаболизма конкретных групп микроорганизмов для обоснования использования соответствующих способов предотвращения и/или снижения активности биокоррозионных процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой решается актуальная научно-прикладная задача обеспечения длительной устойчивости наземных и подземных сооружений в Приморском районе Санкт-Петербурга на основе комплексного анализа и оценки его инженерно-геологических условий с учетом широкой заболоченности района и высокой степени контаминации его подземной среды.

1. Приморский район Санкт-Петербурга на современном этапе развития города рассматривается как наиболее перспективный

для размещения объектов наземного и подземного строительства различного назначения. Анализ повышения безопасности строительства и длительной устойчивости наземных и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях Санкт-Петербурга выполнен на основе взаимодействия проектируемых и функционирующих инженерных объектов с многокомпонентным подземным пространством: грунтами, подземными водами, микробиотой, газами и подземными конструкциями. Один из основных компонентов - водонасыщенные песчано-глинистые отложения четвертичного возраста, рассматриваемые как тонкопористые грунты, имеют высокую степень контаминации за счет природных и техногенных источников, а дочетвертичные глинистые отложения анализируются как трещиновато-блочная среда, интенсивность дезинтегрированности которой меняется по глубине и по площади в зонах палеодолин и вне их.

2. Гидрогеологические особенности Приморского района влияют на уровень сложности освоения и использования его подземного пространства: грунтовые воды в силу высокой степени загрязнения органическими соединениями абиогенного и биогенного генезиса, межморенные горизонты и вендский водоносный комплекс за счет влияния напоров и, соответственно, восходящего перетекания вод с различной степенью агрессивности. Воздействие вендского комплекса предопределяет изменение напряженно-деформированного состояния толщи грунтов, снижение несущей способности свай, а также протекание физико-химических и биохимических процессов взаимодействия блоков глинистых грунтов и бетонов с хлоридными натриевыми водами.

3. Установлено и экспериментально подтверждено, что наличие восстановительных условий в подземном пространстве способствует преобразованию состава, состояния и физико-механических свойств грунтов при редукции соединений трехвалентного железа, приводящей к разрушению структурных связей. Моренные разности в анаэробной среде, характеризующиеся микробной пораженностью, даже при наличии устойчивых форм консистенции имеют пластический характер деформирования и, соответственно, низкие углы внутреннего трения - менее 5°. Деятельность микроорганизмов различных физиологических групп вызывает генерацию малорастворимых (СН4, N2, Н2) и хорошо

растворимых (Н28 и СОг) газов. Депонирование малорастворимых газов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния толщи грунтов, а хорошо растворимых - к повышению коррозионного воздействия водонасыщенной подземной среды к конструкционным материалам.

4. На основании анализа и оценки специфики инженерно-геологических и техногенных факторов, определяющих безопасность строительства и эксплуатации наземных и подземных сооружений в пределах территории рассматриваемого района, разработан методический подход к типизации его подземной среды, учитывающий положение кровли верхнекотлинских глин верхнего венда по глубине, который служит базовым положением типизации территории Приморского района, поскольку предопределяет сложность гидродинамических и гидрохимических условий, степень трещиноватости дочетвертичных отложений и состояние грунтов четвертичной толщи. В соответствии с этим положением, выделены три типовых разреза по степени благоприятности условий для различного вида строительства, при этом около 45 % от общей площади района составляют территории с относительно благоприятными условиями для наземного и подземного строительства, 35 % территории Приморского района характеризуется менее благоприятными условиями, остальная часть - неблагоприятными.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России:

1. Иванов И.П. Обоснование типов фундаментов по результатам предпроектной инженерно-геологической оценки района «Каменка» Санкт-Петербурга/ И.П. Иванов, Т.Н. Николаева, Л.П. Норова, Я.А. Карпова// СПбГАСУ, Вестник гражданских инженеров, № 3 (24), г. Санкт-Петербург, 2010, с. 83-90.

2. Дашко Р.Э. Инженерно-геологические особенности моренных отложений в разрезе подземного пространства Санкт-Петербурга / Р.Э.Дашко, Я.А.Карпова// Инженерная геология. №1. М.:ПНИИС, 2014, с. 22-29.

3. Дашко Р.Э. Проблемы инженерной геологии Приморского района Санкт-Петербурга в связи с перспективами освоения подземного пространства / Р.Э. Дашко, Я.А. Карпова // Записки Горного института. Т.206. СПб, 2014, с. 14-19.

РИЦ Горного университета. 23.04.2014. 3.339. Т.100 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Карпова, Яна Александровна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАЗЕМНОГО И ПОДЗЕМНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА В УСЛОВИЯХ АКТИВНОГО ТЕХНОГЕНЕЗА КОМПОНЕНТОВ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА ПРИМОРСКОГО РАЙОНА

САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Специальность 25.00.08 - Инженерная геология, мерзлотоведение

На правах рукописи

04201459815

Карпова Яна Александровна

и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

наук, профессор Дашко Регина Эдуардовна

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ ОСВОЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ ПРИМОРСКОГО РАЙОНА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА (ПРОШЛОЕ, НАСТОЯЩЕЕ, БУДУЩЕЕ)............................................................................... 12

1.1 Этапы использования и контаминации территории, занимаемой Приморским районом, в историческом аспекте.......................... 15

1.2 Перспективы освоения территории и использования подземного пространства Приморского района до 2025 г............................ 44

1.3 Выводы по главе 1................................................................ 52

ГЛАВА 2 СПЕЦИФИКА ФОРМИРОВАНИЯ И ИЗМЕНЕНИЯ ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИМОРСКОГО РАЙОНА.................................................................................. 54

2.1. Особенности структурно-тектонических условий Приморского района и развитие погребенных долин...................................... 54

2.2. Влияние болот и заболоченных территорий на состав, состояние и физико-механические свойства четвертичных песчано-глинистых грунтов.................................................................................... 65

2.3 Моренные отложения как несущий горизонт для свайных фундаментов и среда размещения подземных сооружений различного назначения......................................................... 84

2.4 Инженерно-геологическая характеристика верхнекотлинских глин

как трещиновато-блочной среды............................................. 97

2.5 Специфика воздействия гидрогеологических условий района на строительство и эксплуатацию наземных и подземных сооружений различного назначения......................................................... 108

2.6 Выводы по главе 2............................................................... 123

ГЛАВА 3 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В ПРИМОРСКОМ РАЙОНЕ...............................................................125

3.1 Общие положения о строительстве высотных зданий................... 125

3.2 Основные инженерно-геологические и гидрогеологические факторы, определяющие безопасность строительства высотных зданий.............................................................................. 130

3.3 Принципы изучения инженерно-геологических условий территорий для высотного строительства.................................. 139

3.3.1 Существующая нормативная база для проведения инженерно-геологических исследований под высотные здания..................................................................... 139

3.3.2 Анализ и принципы изучения инженерно-экологических условий территории предполагаемого высотного строительства............................................................ 145

3.3.3 Принципы изучения инженерно-геологических

особенностей территории высотной застройки.................. 155

3.4 Трещиноватые верхнекотлинские глины верхнего венда как

несущий горизонт для высотных зданий................................. 168

3.4.1 Особенности развития деформаций трещиноватой толщи

глинистых отложений в соответствии с их природой прочности................................................................ 174

3.5 Инженерно-геологические подходы к типизации территории Приморского района по сложности освоения и использования его

подземного пространства для наземного строительства................. 179

3.5.1 Обоснование принципов инженерно-геологической типизации

территории Приморского района для наземного строительства........................................................... 183

3.6 Выводы по главе 3............................................................... 188

ГЛАВА 4 ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ................................................ 191

4.1 Анализ действующих нормативов по инженерным изысканиям для метрополитенов.................................................................. 193

4.2 Сравнительный анализ длительной устойчивости подземных сооружений метрополитена в четвертичных и дочетвертичных отложениях........................................................................ 204

4.2.1 Основные положения и краткие сведения о существующих технологиях проходки тоннелей метрополитенов............... 204

4.2.2 Анализ эксплуатационной надежности перегонных тоннелей, приуроченных к верхнекотлинским глинам верхнего венда, по результатам их обследования............... 208

4.2.3 Условия эксплуатации трассы «Автово-Ленинский-

пр. Ветеранов» в четвертичных отложениях...................... 223

4.3 Инженерно-геологические факторы, определяющие безопасность строительства и эксплуатации перегонных тоннелей в Приморском районе.............................................................................. 236

4.4 Инженерно-геологические подходы к типизации территории Приморского района по сложности освоения и использования его

подземного пространства для подземного строительства............... 242

4.4.1 Обоснование принципов инженерно-геологической типизации территории Приморского района для подземного строительства...... 242

4.5 Выводы по главе 4............................................................... 246

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................... 249

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ............................................................ 258

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Приморский район, расположенный в северо-западной части Санкт-Петербурга, является одним из самых крупных, динамично развивающихся районов города, в пределах которого размещается природоохранная территория - Юнтоловский региональный комплексный заказник. В состав Юнтоловского заказника входит Лахтинское болото площадью 7,1 км . Следует отметить, что до начала освоения территорию современного Приморского района покрывали болота различного типа, которые при развитии строительства частично снимались, либо засыпались (намывались) глинисто-песчаными грунтами. Наличие болотных отложений предопределяет специфичность физико-химических и биохимических условий в подземном пространстве - формирование восстановительной обстановки и активизацию деятельности микроорганизмов в подстилающих отложениях.

Согласно генеральному плану освоения и использования территории города Санкт-Петербурга в пределах Приморского района, наряду с массовым строительством жилых зданий, ведется возведение уникального 86-ти этажного высотного здания «Лахта центра», местом расположения которого выбран западный берег Лахтинского разлива Невской губы. Планируется проходка трёх веток метрополитена, две из которых являются продолжением 5-ой и 2-ой линий, а третья - новая трасса, которая будет располагаться вдоль западного побережья Лахтинского разлива. Кроме того, в рассматриваемом районе осуществляется прокладка сети тоннельных канализационных коллекторов средней глубины заложения, ведется строительство центрального участка скоростной автодорожной трассы Западного скоростного диаметра (ЗСД), а также новых транспортных магистралей.

Инженерно-геологические условия Приморского района характеризуются наличием региональных тектонических разломов различного направления, определяющих степень трещиноватости верхнекотлинских глин и нижнекотлинских песчаников. Субширотный тектонический разлом трассирует положение глубокой палеодолины с эрозионным врезом в коренные глины более 90 м. В тальвеге этой погребенной долины вскрывается высоконапорный вендский водоносный комплекс, содержащий воды с повышенной минерализацией, и отмечается их восходящее перетекание через трещиноватую толщу глин, что следует учитывать, в первую очередь, при проходке перегонных тоннелей метрополитена под глубокими палеодолинами.

Кроме того, необходимо также рассматривать экологическое состояние района, в пределах которого располагается большое количество свалок различного состава и возраста, оказывающих негативное влияние на все компоненты подземного пространства до глубины 50-70 м, прежде всего, на состояние и свойства песчано-глинистых грунтов и подземных вод, а также на развитие инженерно-геологических процессов.

Проблемами инженерно-геологического повышения безопасности строительства и эксплуатации наземных и подземных сооружений в сложных инженерно-геологических условиях занимались Е.М. Сергеев, В.И. Осипов, P.C. Зиангиров, В.Т.Трофимов, Ф.В. Котлов, В.Д.Королев, В.М. Кнатько, Г.С. Голодковская, В.Д. Ломтадзе, И.П. Иванов, Р.Э. Дашко, Ю.А. Норватов, Е.М. Пашкин, А.Г. Протосеня, В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин, и др.

Инженерно-геологическое обеспечение безопасного строительства и длительной эксплуатации наземных и подземных сооружений в пределах рассматриваемого района является весьма важной задачей в связи со строительством объектов различного уровня сложности и ответственности в условиях развития слабых водонасыщенных глинистых грунтов.

Цель работы. Повышение безопасности строительства и длительной

устойчивости наземных и подземных сооружений на основе комплексного анализа и оценки инженерно-геологических условий с учетом широкого развития болотных отложений и свалок различного состава, негативное воздействие которых отражается на состоянии и физико-механических свойствах песчано-глинистых грунтов, составе подземных вод и развитии инженерно-геологических процессов.

Основные задачи исследований

1. Оценка влияния болот и контаминации подземной среды на изменение состава, состояния, физико-механических свойств водонасыщенных песчано-глинистых грунтов и их микробной пораженности в разрезе четвертичной и дочетвертичной толщи.

2. Обоснование инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических факторов для оценки длительной устойчивости наземных и подземных сооружений, взаимодействующих с четвертичными и дочетвертичными отложениями в разрезе подземного пространства Приморского района Санкт-Петербурга.

3. Разработка научно-практических принципов инженерно-геологической типизации Приморского района для строительства сооружений различного назначения.

4. Инженерно-геологическое обеспечение расчетов длительной устойчивости подземных и наземных сооружений в условиях многокомпонентного подземного пространства.

Фактический материал и личный вклад автора

Диссертация является продолжением научных исследований кафедры гидрогеологии и инженерной геологии инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга, в том числе Приморского района. Автором работы выполнен анализ большого объема фондовых материалов по инженерно-геологическим условиям Приморского района Санкт-Петербурга, включая его структурно-тектонические, гидрогеологические и геоэкологические

условия. Кроме того, автором производилась полевая документация скважин, а также экспериментальные исследования состава, состояния и физико-механических свойств грунтов четвертичной толщи и верхнекотлинских глин верхнего венда с целью установления влияния болотных отложений на прочность и деформационную способность дисперсных грунтов Приморского района, а также прогнозирования развития опасных инженерно-геологических процессов в подземной среде, в том числе под влиянием деятельности микроорганизмов. Выполнена инженерно-геологическая оценка условий строительства для обеспечения эксплуатационной надежности перегонных тоннелей метрополитена в Приморском районе Санкт-Петербурга при различной глубине их заложения (в четвертичных грунтах и в верхнекотлинских глинах) с использованием метода аналогий функционирующих подземных выработок Петербургского метрополитена.

Основные методы исследований. Теоретический анализ формирования и изменения инженерно-геологических условий территории, экспериментальные исследования состава, состояния и физико-механических свойств четвертичных и верхнекотлинских глин верхнего венда с применением современного оборудования, исследование компонентного состава подземных вод в полевых и лабораторных условиях в разрезах отдельных участков Приморского района с установлением микробной составляющей; прямые методы микробиологических исследований для установления численного и видового состава аэробных, факультативных и анаэробных форм микроорганизмов, в том числе генерирующих биохимические газы, а также косвенный биохимический метод М.Бредфорд при определении закономерностей изменения содержания микробной массы по глубине разреза; расчетно-теоретические методы по обоснованию устойчивости наземных и подземных сооружений в водонасыщенных и

трещиноватых глинистых грунтах при широком использовании в качестве расчетной модели квазипластичной либо трещиновато-блочной среды.

Научная новизна работы

• На основании теоретического анализа формирования и преобразования моренных отложений и выполненных экспериментальных исследований установлены закономерности их деформационного поведения для анализа изменения несущей способности грунтов в основании сооружений.

• Впервые исследованы физиологические группы микроорганизмов в разрезе Лахтинского болота (краевая зона) и установлены особенности изменения их численности по глубине в различных типах грунтов с использованием прямых и косвенных методов, а также изучено влияние микробиоты на состояние и физико-механические свойства песчано-глинистых разностей.

• Разработаны научно-практические основы и произведена инженерно-геологическая типизация территории Приморского района для оценки взаимодействия наземных объектов различного класса капитальности и ответственных подземных сооружений с учетом особенностей структурно-тектонических условий, определяющих рельеф кровли верхнекотлинских глин верхнего венда и степень их трещиноватости, гидродинамический и гидрохимический режимы водоносных горизонтов, а также специфику контаминации подземной среды.

Защищаемые положения

1. Безопасность строительства и эксплуатации подземных и наземных сооружений различного уровня сложности в Приморском районе должна базироваться на комплексном подходе к оценке взаимодействия сооружений с многокомпонентным подземным пространством при обязательном учете влияния природных и техногенных контаминантов на подстилающие грунты и подземные воды.

2. Наличие органической компоненты в верхней части разреза природного и техногенного генезиса (торфяных отложений, свалок различного состава и других контаминантов) предопределяет глубокую трансформацию окислительно-восстановительных и биохимических условий в подземной среде, что приводит к развитию опасных инженерно-геологических процессов, в том числе плывунов, биохимической газогенерации и биокоррозии конструкционных материалов во вмещающей среде.

3. Инженерно-геологическая типизация территории Приморского района с учетом сложности его природных условий и контаминации подземной среды, а также гидродинамических условий напорных водоносных горизонтов дает возможность повысить уровень надежности и достоверности инженерно-геологической информации для проектирования, строительства и обеспечения длительной устойчивости конкретных наземных и подземных сооружений.

Практическая значимость работы

• Разработаны новые методические подходы при проведении инженерно-геологических исследований в пределах территорий с широким развитием болот и заболоченных участков для строительства и эксплуатации наземных сооружений.

• Выделены основные инженерно-геологические факторы, определяющие эксплуатационную надежность перегонных тоннелей в четвертичных и дочетвертичных песчано-глинистых отложениях.

• Учтена специфика инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических условий для обоснования типизации подземного пространства Приморского района с целью его освоения и использования при строительстве сооружений различного назначения.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, базируется на анализе большого объема фондовых

материалов по изучению инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических особенностей разреза территории Приморского района, а также полевых и лабораторных исследованиях прочности и деформационной способности песчано-глинистых пород различного возраста. В диссертационной работе широко применялись теоретические, научно-практические и экспериментальные исследования по техногенному воздействию абиотической органической компоненты и микроорганизмов на свойства песчано-глинистых грунтов в разрезе Санкт-Петербурга, Ленинградской области и других регионов России. В диссертационной работе также использованы результ