ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В

На правах рукописи
ШАТСКАЯ Елена Юрьевна
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ
ПОДЗЕМНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ В
ПРЕДЕЛАХ ИСТОРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ САНКТПЕТЕРБУРГА
Специальность 25.00.08 – Инженерная геология,
мерзлотоведение и грунтоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата геолого-минералогических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2010
Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования СанктПетербургском
государственном
горном
институте
им. Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель –
доктор геолого-минералогических наук, профессор
Дашко Регина Эдуардовна
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук
Неизвестнов Ярослав Владимирович
кандидат технических наук, доцент
Тулин Павел Кириллович
Ведущее
предприятие
–
Санкт-Петербургский
Государственный Университет кафедра грунтоведения и
инженерной геологии
Защита диссертации состоится 28 сентября 2010 г. в 16 ч.
на заседании диссертационного совета Д 212.224.11 при СанктПетербургском
государственном
горном
институте
им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу:
199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. № 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан 27 августа 2010 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
канд. геол.-минерал. наук
А.В. ШИДЛОВСКАЯ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Петербургский метрополитен
является одним из наиболее глубоких метрополитенов мира.
Строительство подземных станций, эскалаторных и перегонных
тоннелей в 50х–60х гг прошлого века в ряде случаев сопровождалось
переходом в аварийное и предаварийное 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-I» в условиях развития слабых четвертичных отложений
при высокой степени загрязнения компонентов подземной среды.
3
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. 3. Изучение влияния инженерногеологических 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».
4. Установление взаимосвязи развития вертикальных перемещений
по трассам вышеназванных перегонных тоннелей при их
расположении в различных зонах верхнекотлинских глин ниже
подземного контура погребенной долины. 5. 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
4
гидроизоляционного
слоя,
а
также
водопроявлений;
экспериментальные исследования 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 –
I», 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 ГУП «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 материалов в разрезе четвертичных
отложений (эскалаторный ход) и в породах верхнего венда
(перегонные тоннели).
5
Защищаемые положения.
1.
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-I».
2.
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 1819 вв., что должно учитываться при обосновании технологий
ведения подземных работ с целью сохранения исторического облика
города
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
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
Практическая значимость работы.
1.
Проведена оценка степени агрессивности подземной среды в
толще четвертичных отложений и подземных вод в процессе их
загрязнения по отношению к несущим конструкциям и
гидроизоляционному слою эскалаторного хода ст. м. “Площадь
Александра Невского–I”.
2.
Рассчитаны размеры зон влияния и величина деформаций
земной
поверхности
ст.м. «Адмиралтейская»
с
помощью
компьютерного моделирования.
6
3.
Установлена
динамика
разрушения
конструкционных
материалов эскалаторных и глубоких перегонных тоннелей в
зависимости от компонентного состава подземных вод и
агрессивности вмещающей среды.
4.
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 научнопрактических 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 I-му и II-му путям
Петербургского
метрополитена»
(2006 г),
«Обследование
перегонных тоннелей и контроль напряженно-деформированного
состояния обделок на перегоне “Гостиный двор – Василеостровская”
по I-му и II-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 года
(СПГГИ (ТУ), Санкт-Петербург, 2007г); XLVIII 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 научнопрактической конференции молодых ученых «Геоэкология и
7
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 (2010г);
I Всероссийской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире»
(Пермский государственный университет, г. Пермь, 2010г).
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 С.М., 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; асс. 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.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ
1.
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
8
разрушение чугунных несущих конструкций эскалаторного
тоннеля ст.м. «Площадь Александра Невского-I».
Обследованный эскалаторный тоннель пересекает толщу
водонасыщенных песчано-глинистых отложений четвертичного
возраста и верхнюю часть разреза наиболее дислоцированной зоны
верхнекотлинских глин верхнего венда. Во вмещающей толще
прослеживается два водоносных горизонта, а также обводненные
прослои песчаников в коренных глинах, химический состав которых
дан в приложении 1.
Таблица 1. Природные и техногенные факторы, влияющие на разрушение
конструкционных материалов эскалаторного тоннеля ст.м. «Площадь Александра
Невского-I».
Природные факторы
Техногенные факторы
Влияние искусственного
Присутствие генетически слабых
замораживания грунтов на
водонасыщенных песчано-глинистых
материалы обделки эскалаторного
отложений с включениями
тоннеля на начальном этапе его
органического вещества.
эксплуатации.
Снятые либо захороненные болота в
Наличие привнесенной микробиоты
пределах зоны их влияния на
в подземных водах и водоупорах
конструкцию тоннеля.
четвертичных отложений.
Наличие двух водоносных горизонтов
в четвертичных отложениях и
Утечки из канализационно-бытовой
возможное влияние напорных
системы, поступающие из
подземных вод в прослоях песчаников
регионального канализационного
в водоупорной толще
коллектора, который проходит на
верхнекотлинских глин верхнего
глубине 25 м от поверхности.
венда.
Расположение вблизи
Присутствие природной микробиоты в
рассматриваемой территории
подземных водах и вмещающей
старинных и действующих кладбищ
эскалаторный тоннель толще пород
Александро-Невской Лавры.
Влияние динамических и
Трещиноватость коренных породах
вибрационных нагрузок на
верхнего венда, интенсивность
материалы несущих конструкций за
которой возрастает в зонах наличия
счет работающих механизмов
тектонических разломов.
эскалаторов и транспортных
магистралей.
Эскалаторный
тоннель
ст.м. «Площадь
Александра
Невского-I» эксплуатируется более 40 лет в неблагоприятных
инженерно-геологических и геоэкологических условиях, под
9
действием которых наблюдается разрушение конструкционных
материалов несущих обделок. Основные факторы, которые
формируют коррозионную обстановку по отношению к
конструкционным материалам, можно разделить на природные и
техногенные (табл. 1).
В результате проведенной специализированной съемки
состояния несущих обделок эскалаторного тоннеля было
зафиксировано растворение и выщелачивание гидроизоляционного
слоя, графитизация чугунных тюбингов, что свидетельствует о
высокой степени разрушения обделки тоннелей, росте ее
проницаемости не только в стыках, но и через тело тюбинга.
Разрушение
гидроизоляционных
материалов
(цементов)
сопровождается образованием новых соединений, графитизация
чугуна приводит к его расслоению. Анализ полученных данных
показал, что содержание органических соединений биогенного и
абиогенного характера (рис. 1) и других химических компонентов
(рис. 2) в водных вытяжках1 разрушенных материалов коррелирует с
химическим составом водоносных горизонтов в разрезе (см.
приложение 1).
Тюбинги верхней части эскалаторного тоннеля находятся в
зоне влияния наиболее загрязненных грунтовых вод, тюбинг 60
расположен в области воздействия менее загрязненного
межморенного водоносного горизонта, максимальное содержание
гидрокарбонатов и сульфатов натрия, а также ХПК и БПК5 (тюбинг
31)
четко
увязывается
с
положением
регионального
канализационного
коллектора,
из
которого
наблюдаются
постоянные утечки (см. рис. 1). Высокое содержание сульфатов (до
834 мг/л), в водных вытяжках свидетельствует о растворении и
выщелачивании гипса и гидросульфоалюмината кальция в
гидроизоляционном слое. Кроме того, ион SO42- образуется за счет
деятельности тионовых бактерий, которые обнаружены в
конструкционных материалах в ходе микробиологических анализов.
Расположение нижней части эскалаторного тоннеля в
верхнекотлинских глинах верхнего венда (тюбинги 60-78)
Приготовление водных вытяжек проводилось согласно ГОСТ 27753.2-88
Метод приготовление водной вытяжки
10
1
предопределяет возможность воздействия минерализованных
напорных вод, содержащихся в прослоях песчаника, что объясняет
постепенное повышение содержания хлоридов до 1400 мг/л и более
в водных вытяжках.
1600
100
85 1442
78
Значения ХПК
60
54
800
699
40
400
20
11
82
140
18
6
41
0
4
102
103
5
247
82
22
Значения БПК5
80
1200
20
124
ХПК,
мгО2/л
БПК5,
мгО2/л
0
тюб 1 тюб 2 тюб 9 тюб 11тюб 15тюб 29тюб 31тюб 46тюб 60тюб 78
Номер пикета
Рисунок.1. Изменение значений ХПК и БПК5 водных вытяжек деградированных
конструкционных материалов и натечных форм по протяженности эскалаторного
тоннеля.
2000
1500
1000
500
0
тюб1
Na+, мг/л
тюб2
тюб9 тюб11 тюб15 тюб29 тюб31 тюб46 тюб60 тюб78
Cl-, мг/л
HCO3-, мг/л
SO42-, мг/л
ХПК, мгО2/л
Рисунок 2. Химический состав водных вытяжек, приготовленных из
корродированного чугуна и натечных форм, отобранных по всей протяженности
эскалаторного тоннеля «Пл.Ал.Невского-I».
Следует
отметить
также
некоторые
особенности
эксплуатации обделок наклонного тоннеля, связанные с
постоянными динамическими и вибрационными нагрузками за счет
функционирования механизмов эскалаторов в течение 20 и более
часов в сутки. Значения виброскорости, создаваемой эскалаторами,
могут достигать 135 дБ или 300 мм/сек, а размер зоны действия
высокого уровня составляет до 30 м. При этом амплитуда вибрации
тоннельной обделки на некоторых станциях метрополитена при
11
работающих механизмах эскалаторов варьирует от 0,04-0,05 мм/сек.
Подобные воздействия оказывают негативное влияние на
трещинообразование в конструкционных материалах. Кроме того,
по данным биофизических исследований постоянные вибрации
приводят к уменьшению количества микроорганизмов за счет
разрушения их клеток. Однако, выжившие формы обладают
достаточно высокой стойкостью, что доказывается результатами
исследований по определению численности микроорганизмов,
проведенных в СПбГУ под руководством д.б.н. Д.Ю. Власова, с
помощью посевов культур микрофлоры на различных питательных
средах.
2.
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.
В настоящее время в историческом центре города в стадии
строительства
находится
ст. м. «Адмиралтейская»,
которая
считается самой глубокой станцией метрополитена в мире.
Расположение станции «Адмиралтейская» в районе плотной
застройки и использование негативного опыта строительства
предыдущих станций, предопределило необходимость принятия мер
по предупреждению разрушений старинных зданий в зоне влияния
горнопроходческих работ. В 70-80ых гг прошлого века были
проведены мероприятия по повышению жесткости сооружений и
усилению фундаментов зданий, попавших в зону расчетных
деформаций. (Долгих М.В., 1997). Однако, в период строительства
подземного вестибюля станции «Адмиралтейская» наблюдались
деформации, которые привели к переходу ряда старинных зданий в
предаварийное и аварийное состояние.
В диссертации было выполнено численное моделирование
сдвижений и деформаций, вызванных сооружением основных
выработок станции, которое осуществлялось на основе метода
конечных элементов с помощью программы SIGMA. Для анализа
12
была рассмотрена плоская модель (в плоскости перпендикулярной
оси станции) с горизонтально залегающими слоями слабых
водонасыщенных пород четвертичной толщи и верхнего венда.
Используемые показатели механических свойств пород были
получены в результате испытаний на установках трехосного сжатия
в ходе проведения инженерно-геологических изысканий в районе
Исаакиевской площади в 2009г (табл. 2).
Таблица 2. Показатели механических свойств пород, используемые при
моделировании.
Показатели
Мощ
с,
φ,
Е,
µ
ψ, град
Породы
ность
МПа
град МПа
(0<ψ<φ)
слоя
0,02
16
5
Литориновые отложения
20
7
0,35
0,02
25
10
0,017
0
0,27
0
Озерно-ледниковые
10
0,45
отложения
0,028
6
4
2
Лужская морена и
0,045
0
0,9
0
озерно-ледниковые
35
0,40
суглинки лужского
0,040
12
10
6
возраста
Дислоцированная толща
15
0,13
5
40
0,42
3
вендских глин
Верхнекотлинские глины
20
0,6
16
160
0,35
5
венда
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.
Расстояние от оси станции, м
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Оседания, м
0,000
-0,020
-0,040
-0,060
-0,080
-0,100
Рисунок 3. Мульда оседания земной поверхности, полученная по результатам
моделирования оседания земной поверхности от строительства станции
«Адмиралтейская» в программном пакете SIGMA.
13
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 50-3022004 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.
14
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 физикохимическом 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
15
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
16
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. «Площадь Александра Невского-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. «Площадь Александра Невского–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
Перегон
Перегон
Эскалаторный
Невский пр. Гостиный дв. тоннель
Показатели
Горьковская
Василеостровская 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
17
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 научноквалификационную работу, в которой содержится решение
актуальной научной задачи по оценке влияния инженерногеологических 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 «Площадь Александра Невского–I»
в исторической части города.
2. Сравнительный анализ активности разрушения чугунных
тюбингов эскалаторного тоннеля на станции «Площадь Александра
Невского–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.
18
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 2030 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 Р.Э. Некоторые данные о причинах разрушения конструкционных
материалов подземных сооружений в С-Петербурге /Р.Э. Дашко, Д.Ю. Власов,
Е.Ю. Шатская// Записки Горного института. Т.172. СПб, СПГГИ (ТУ), 2007, с.6973.
19
2. Дашко Р.Э. Влияние газогенерации в четвертичных отложениях СанктПетербурга на условия эксплуатации перегонных тоннелей метрополитена /
Р.Э. Дашко, П.В. Котюков, Е.Ю. Шатская // Сергеевские чтения –X, Москва, ГЕОС,
2008, с. 208-213.
3. Шатская Е.Ю. Влияние инженерно-геологических и геоэкологических условий
на развитие деформаций и разрушение обделок подземных сооружений в СанктПетербурге // Записки Горного института. Т.173. СПб, СПГГИ (ТУ), 2007. с. 33-37
4. Шатская Е.Ю. Анализ 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 Е.Ю. Инженерно-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 Е.Ю. Влияние 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.
20