Инженерно-геологическое обоснование условий строительства и эксплуатации подземных транспортных сооружений в пределах исторической части Санкт-Петербурга (стр. 3 )

Таблица 2. Показатели механических свойств пород, используемые при моделировании.

Показатели Породы	Мощ ность слоя	с, МПа	φ, град	Е, МПа	µ	ψ, град (0<ψ<φ)
Литориновые отложения	20	0,02	16	7	0,35	5
0,02	25	10
Озерно-ледниковые отложения	10	0,017	0	0,27	0,45	0
0,028	6	4	2
Лужская морена и озерно-ледниковые суглинки лужского возраста	35	0,045	0	0,9	0,40	0
0,040	12	10	6
Дислоцированная толща вендских глин	15	0,13	5	40	0,42	3
Верхнекотлинские глины венда	20	0,6	16	160	0,35	5
Примечание с – сцепление, φ – угол внутреннего трения, Е – модуль деформации, µ - коэффициент Пуассона, ψ – угол дилатансии

В расчетах деформации земной поверхности использовались две модели: линейно-деформируемой и упруго-пластической сред.

Рисунок 3. Мульда оседания земной поверхности, полученная по результатам моделирования оседания земной поверхности от строительства станции «Адмиралтейская» в программном пакете SIGMA.

Для адаптации модели к реальным условиям применялись данные натурных измерений оседаний земной поверхности, производившихся во время строительства станции и в последующие периоды. По результатам проведенного моделирования получены параметры мульды оседания земной поверхности (рис. 3).

Из приведенного рисунка видно, что в радиусе 75 м от оси станции оседание земной поверхности и соответственно зданий снижается до 20 мм. Согласно действующим нормам ТСН 50-302-2004 дополнительные осадки в 20-30 мм способствуют переводу старинных зданий в предаварийное состояние.

3.  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.

Исследуемые трассы перегонных тоннелей центральной части города «Невский проспект – Горьковская» и «Гостиный двор – Василеостровская» пройдены под тальвегом погребенной долины Пра-Невы на глубине более 90 м. В пределах склоновой части палеодолины вмещающей средой тоннелей служат верхнекотлинские глины верхнего венда, а в тальвеговой части – толща переслаивания песчаников с прослоями глин, ниже которой прослеживается вендский водоносный комплекс, содержащий хлоридные натриевые воды.

Согласно данным, приведенным в приложении 2, существенные снижения величины вертикальных перемещений тоннелей отчетливо прослеживаются в зоне тальвега, при их проложении на минимальном расстоянии от кровли напорного вендского водоносного комплекса, где действуют наибольшие градиенты напора (свыше 9,0), определяющие величину гидродинамического давления при восходящем перетекании хлоридно-натриевых вод через трещиноватую толщу водоупоров.

Величина вертикальных перемещений (S) тоннельных конструкций по трассам определяется как результирующая от действия следующих составляющих: S = S1 + S2 + S3 + S4 – S5,

где S1 – деформация оседания, зависящая от действия давления собственного веса пород (природное давление над кровлей тоннеля), мм; S2 – деформация, создаваемое тоннельной конструкцией, мм; S3 – деформация оседания, определяемая образованием пустот при растворении и выщелачивании гидроизоляционного слоя, мм; S4 – деформация, обусловленная изменением состояния и деформационных свойств вмещающих пород при физико-химическом воздействии хлоридно-натриевых вод вендского водоносного комплекса, мм; S5 – деформация подъема, создаваемая за счет действия напоров вендского водоносного комплекса, мм.

Если S1 + S2 + S3 + S4 > S5, то тоннели испытывают только перемещения оседания.

Гидродинамический режим вендского водоносного комплекса, характеризуется чередованием спадов и подъемов пьезометрической поверхности. В настоящее время уровень горизонта постепенно растет во времени на территории всего города. При восстановлении пьезометрической поверхности вендского водоносного комплекса до естественного уровня (выше земной поверхности), снижается величина оседания тоннеля.

Постепенное разрушение гидроизоляционного слоя за счет растворения и выщелачивания тампонажного цемента также оказывает влияние на увеличение значений оседания тоннелей (S3).

Соответственно динамике перемещений выделены три зоны по трассе «Невский проспект – Горьковская» и четыре зоны по трассе «Гостиный двор – Василеостровская» (приложение 2).

4.  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.

По трассам перегонных тоннелей центральной части города «Невский проспект – Горьковская» и «Гостиный двор – Василеостровская» была проведена специализированная съемка состояния тоннельных конструкций с отбором проб разрушенных несущих материалов (бетон, железобетон, чугун) и натечных форм, образующихся на теле тюбингов, а также в горизонтальных и вертикальных стыках и болтовых отверстиях. Следует принимать во внимание, что для перегонных тоннелей вмещающей средой являются верхнекотлинские глины венда и толща переслаивания глин и песчаников.

По результатам проведенного анализа химического состава водных вытяжек, приготовленных из отобранных проб, была определена направленность процессов разрушения несущих обделок и гидроизоляционных материалов перегонных тоннелей.

На перегоне «Невский проспект – Горьковская», ремонт которого был закончен за 4 месяца до начала обследования (июнь 2006г), преобладающими компонентами во всех образцах являются гидрокарбонаты (968,8–22 632,00 мг/л), сульфаты (327,4 – 3 818,00 мг/л) и натрий (2 330,4 – 13 775,00 мг/л), подчиненное значение имели хлориды (297,8 – 1 985,00 мг/л) (приложение 3). Доказательством активности разрушения цементов является наличие высокого содержания кремниевой кислоты (до 205мг/л), что объясняется протеканием начальной стадии разрушения материалов нового гидроизоляционного слоя, в составе которого содержится гидросульфоалюминат кальция и свободный гипс, и отремонтированных несущих обделок за счет химической и биохимической коррозии. Повышенные значения сульфатов связаны также с деятельностью тионовых бактерий, обнаруженных в ходе микробиологических исследований.

По трассе перегонных тоннелей «Гостиный двор – Василеостровская», которая эксплуатировалась без ремонта в течение 39 лет, в водных вытяжках, приготовленных из всех разновидностей отобранных образцов, преобладающими компонентами является хлориды (567,2 – 32 704,0 мг/л) и натрий (396,8 – 27 215,0 мг/л), что доказывает длительное агрессивное воздействие восходящего перетекания минерализованных вод вендского водоносного комплекса на разрушенные материалы конструкций (см. приложение 3). Максимальное количество хлоридов (32 704,00 мг/л) и натрия (27 215 мг/л), а также наибольшая поврежденность конструкционных материалов и гидроизоляции наблюдалось при расположении тоннеля под тальвегом погребенной долины, при этом, значение градиентов напора при перетекании превышало 9. На рассматриваемой трассе содержание гидрокарбонатов в 50 раз ниже, а сульфатов более чем на порядок меньше (HCO32- до 429 мг/л; SO42- до 3091 мг/л), чем по трассе «Невский проспект – Горьковская», что свидетельствует о высокой степени разрушения конструкционных материалов и кристаллизации хлоридных солей.

Результаты обследования перегонных тоннелей «Невский проспект – Горьковская» и «Гостиный двор – Василеостровская», а также эскалаторного хода ст. м. «-I» показали идентичных характер разрушения несущих материалов и гидроизоляции. Однако, наблюдается сильное расхождение в значениях преобладающих компонентов (см. приложение 3), что объясняется различием в составе подземных вод, воздействующих на конструкции и наличием источников загрязнения в верхней части разреза четвертичной толщи (см. табл. 1).

В водных вытяжках образцов, отобранных по эскалаторному ходу ст. м. «–I», по сравнению с пробами, полученными из перегонных тоннелей, наблюдается уменьшение содержания всех макрокомпонентов (Cl- 1 430 мг/л; HCO32- 1 600 мг/л; Na 1 680 мг/л) (см. приложение 3). При этом, по всей глубине эскалаторного тоннеля прослеживается четкая закономерность влияния химического состава подземных вод на разрушение материалов несущих конструкций и гидроизоляционного слоя, что сказывается на составе водных вытяжек (см. рисунки 1, 2).

Таблица 3. Некоторые микробиологические показатели (максимальные значения) по трассам перегонных тоннелей «Невский проспект – Горьковская», «Гостиный двор – Василеостровская» и эскалаторному ходу ст. м. «Пл. Ал. Невского-I».

Место отбора Показатели	Перегон Невский пр. - Горьковская	Перегон Гостиный дв. - Василеостровская	Эскалаторный тоннель Пл. Ал. Невского-I
Микромицеты, КОЕ/г	800	1400	5800
Бактерии, кл/г	42 500	87 900	300 0000
ХПК, мгО2/л	24 305,5	17 960,0	1 442,0
БПК5, мгО2/л	847,4	9 114,0	85,0

Сравнительный анализ содержания органических соединений биогенного и абиогенного характера, а также результатов микробиологических исследований (табл. 3) показал, что наибольшая активность деятельности микроорганизмов отмечается в обделках эскалаторного хода по сравнению с перегонными тоннелями. В тоже время, значение ХПК и БПК5 по эскалаторному тоннелю значительно ниже, что можно объяснить гибелью микроорганизмов при вибрационном воздействии.

Сравнительно низкое количество микроорганизмов определено в образцах, отобранных по трассе перегонных тоннелей «Невский проспект – Горьковская», что объясняется проведенными ремонтными работами перед началом съемки (июнь 2009), в связи с чем, в тоннеле наблюдалась начальная стадия развития биокоррозионных процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение актуальной научной задачи по оценке влияния инженерно-геологических и геоэкологических условий на особенности строительства и эксплуатации эскалаторных и глубоких перегонных тоннелей центральной части С-Петербурга.

1.  Загрязнение верхней части разреза четвертичной толщи, в том числе грунтовых вод и водоупорных слоев за счет погребенных болот, старинных и действующих кладбищ, а также утечек из систем водоотведения формируют агрессивность подземной среды по отношению к конструкционным материалам (чугуну) несущих обделок эскалаторного тоннеля «–I» в исторической части города.

2.  Сравнительный анализ активности разрушения чугунных тюбингов эскалаторного тоннеля на станции «–I» показал тесную связь со степенью загрязнения водоносных горизонтов (грунтовые воды и межморенный водоносный горизонт) и водоупорной толщи в пределах регионального канализационного коллектора на глубине 25 м, из которого наблюдаются утечки.

3.  Влияние строительства глубокой подземной станции «Адмиралтейская» в пределах плотной жилой застройки 18-19 вв в условиях развития мощной толщи слабых водонасыщенных песчано-глинистых отложений, распространяется на расстояния более 70 м от оси станции. Осадки земной поверхности по результатам моделирования составляют 20 мм и более. Согласно действующему ТСН 50-302-2004 дополнительные деформации 20-30 мм способствуют переходу старинных зданий в аварийное и/или предаварийное состояние.

4.  Выявлены закономерности развития вертикальных перемещений глубоких перегонных тоннелей «Невский проспект – Горьковская» и «Гостиный двор – Василеостровская», пройденных в верхнекотлинских глинах венда под палеодолиной пра-Невы, в зависимости от их инженерно-геологических особенностей (степени трещиноватости и гидратации), а также гидродинамических условий вендского водоносного комплекса, влияющего на условия перетекания и формирование напряженно-деформируемого состояния вмещающей перегонные тоннели толщи.

5.  Характер разрушения обделок перегонных тоннелей «Невский проспект – Горьковская» и «Гостиный двор – Василеостровская» зависит не только от гидрогеохимических характеристик вендского водоносного комплекса в процессе восходящего перетекания минерализованных хлоридно-натриевых вод, но и времени проведения ремонтных работ, которые предопределяют компонентный состав разрушенных конструкционных материалов несущих обделок и натечных форм на начальных этапах.

6.  Проведенная сравнительная оценка состава разрушенных конструкционных материалов эскалаторного и глубоких перегонных тоннелей показала, что природа разрушение несущих обделок и гидроизоляционного слоя идентична, меняется только компонентный состав деградированных материалов. Существенная разница обнаружена в численности микроорганизмов.

Список опубликованных по теме диссертации работ:

1.  Дашко  данные о причинах разрушения конструкционных материалов подземных сооружений в С-Петербурге /, , // Записки Горного института. Т.172. СПб, СПГГИ (ТУ), 2007, с.69-73.

2.  Дашко  газогенерации в четвертичных отложениях Санкт-Петербурга на условия эксплуатации перегонных тоннелей метрополитена / , , // Сергеевские чтения –X, Москва, ГЕОС, 2008, с. 208-213.

3.  Шатская  инженерно-геологических и геоэкологических условий на развитие деформаций и разрушение обделок подземных сооружений в Санкт-Петербурге // Записки Горного института. Т.173. СПб, СПГГИ (ТУ), 2007. с. 33-37

4.  Шатская  и оценка природных и техногенных факторов в формировании коррозионной агрессивности подземной среды Санкт-Петербурга по отношению к конструкционным материалам // Записки Горного института. Т.182 СПб, СПГГИ (ТУ), 2009, с.50-53.

5.  Шатская -геологическое обоснование причин развития деформаций земной поверхности при строительстве и эксплуатации перегонных тоннелей и станций Петербургского метрополитена в исторической части города // Материалы III Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике», Белгородский государственный университет, 2009 с.188-191

6.  Шатская  инженерно-геологических и гидрогеологических факторов на особенности эксплуатации глубоких перегонных тоннелей петербургского метрополитена центральной части города // Материалы I всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» Том.2 Пермь, 2010г. с.36-38.

7.  Shatskaya Elena Features of functioning of underground tunnels of METRO in the historical center OF ST-PETRBURG depending on engineering-geological and geoecological conditions // Program XLVIII sesji. Studenckich kół naukowych pionu Górniczego Akademii Górniczo-Hutniczej. Kraków, 2007., с.244.

8.  Shatskaya Elena Peculiarities of formation corrosion aggression in the underground environment in relation to constructional materials of constructions (on an example of St.-Petersburg) // Freiberger Forschungshefte. Innovations in Geosciences, Geoengineering and Metallurgy. 2008 с. 284-288

9.  Shatskaya Elena Geotechnical substantiation of the reasons of development of setting of a surface at building and operation of tunnels and stations of the St-Petersburg underground in a historical part of a city // Freiberger Forschungshefte. Innovations in Geosciences, Geoengineering and Metallurgy. 2009 с.184-186.

[1] Приготовление водных вытяжек проводилось согласно ГОСТ 27753.2-88 Метод приготовление водной вытяжки