Инженерно-экологические изыскания

УДК 624.131:551.3
Панкратова К.В., Коробко А.А.
Научный руководитель: д.г.-м.н., профессор Дашко Р.Э.
Санкт-Петербургский государственный горный институт
(технический университет), кафедра гидрогеологии
и инженерной геологии, г. Санкт-Петербург.
ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФАКТОРОВ ДЛЯ
ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ РАЗРУШЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО
ТОННЕЛЯ АВТОДОРОГИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГ – КИЕВ.
В настоящее время проводится реконструкция автодороги второй
технической категории М-20 «Санкт-Петербург – Киев» ПулковскоКиевское шоссе на участке г. Пушкин до пос. Дони в административных
границах Санкт-Петербурга. Рассматриваемый предаварийный участок
трассы приурочен к южной части Предглинтовой низменности и проложен
в тоннеле мелкого заложения. Тоннель выполнен в монолитной
железобетонной
обделке
из
отдельных
секций,
разделенных
деформационными швами. Общая длина тоннеля составляет 515,0 м (13
секций), ширина тоннеля – 11,25 м, высотный габарит тоннеля 5,0 м.
Обделка закрытой части тоннеля конструктивно представляет собой
замкнутую раму, включающую в себя плиту основания толщиной 400 мм с
лотком для магистрали ливневой канализации, вертикальные
железобетонные стены толщиной 400 мм. Менее чем через год после
введения в эксплуатацию тоннеля, начались деформации его стенок,
струйные
и
капельные
водопроявления,
а
также
коррозия
конструкционных материалов.
В разрезе участка трассы прослежены техногенные образования (tIV)
максимальной мощностью 2,5 м, озерно-ледниковые пески (lgIII) - до 1 м,
моренные суглинки (gIII) - 0,8 м. Большая часть транспортного тоннеля (по
глубине) размещается в нижнекембрийских синих глинах.
Синие глины широко используются в качестве основания либо как
среда размещения сооружений в пределах Предглинтовой низменности.
Традиционный
подход
к
инженерно-геологической
оценке
нижнекембрийских глин базируется на предположении, что эти отложения
характеризуются как высоколитифицированные разности, имеющие малую
изменчивость показателей физико-механических свойств как по глубине,
так и по площади. Однако опыт строительства и эксплуатации сооружений
различного назначения показывает, что подобная оценка коренных глин
обычно приводит к некорректным выводам о их высокой несущей
способности, водоупорных свойствах и устойчивости по отношению к
различным техногенным воздействиям [3]. Известен ряд аварий, в том
числе жилых зданий, дорожных насыпей, устоев мостов, в основании
которых прослеживались нижнекембрийские глины [1].
При проектировании рассматриваемого тоннеля не были приняты
две принципиально важные позиции – подрезка пологого естественного
склона, а также трещиноватость нижнекембрийских синих глин и
специфика их физико-механических свойств, зависящая, в том числе от
степени их дезинтеграции.
Синие глины обычно характеризуются как алевролитовые,
неяснослоистые, содержат пирит и метаморфизованную органику до 4%, в
минеральном составе преобладают высокощелочные гидрослюды,
глауконит, редко встречается монтмориллонит [3].
С
учетом
геологической
истории
их
формирования,
нижнекембрийские «синие» глины необходимо рассматривать как
трещиновато-блочную среду при наличии в толще тектонических,
литогенетических трещин, а в верхней части нетектонической
трещиноватости, которая фиксируется до глубины 18 – 20 м, реже более.
Нетектоническая трещиноватость формировалась за счет процессов
выветривания, морозобойного растрескивания, гляциотектоники [3].
Наличие трещиноватости предопределяет закономерности изменения
количественных параметров физико-механических и водных свойств этих
глин, прежде всего их прочность и водопроницаемость.
Ещё в начале 80-х годов прошлого века на кафедре инженерной
геологии проф. Дашко Р.Э. были выполнены работы, позволившие
установить зональное строение нижнекембрийских глин в пределах
Предглинтовой низменности Санкт-Петербургского региона, которое
связано со спецификой истории его геологического развития. С позднего
палеозоя до начала периода оледенения синие глины были выведены на
дневную поверхность и подвергались разуплотнению, дополнительной
гидратации, и выветриванию. Во время оледенений глины испытали
несколько циклов загрузки и разгрузки [3]. Изменение физикомеханических свойств синих глин по глубине подтверждено при
исследовании образцов, отобранных в непосредственной близости от
тоннеля (таблица 1). По гранулометрическому составу описываемые глины
могут классифицироваться как тяжелые, либо глины пылеватые. Важно
отметить, что для трещиноватых глин не рекомендуется использовать
результаты испытаний в срезных приборах, в которых невозможно
определить влияние вертикальных и наклонных микротрещин на
прочность. Трещиноватые глины, в том числе и нижнекембрийские,
следует испытывать в приборах трехосного сжатия при возможности
развития боковых деформаций.
Для плотных глин полученные значения микробной массы
позволяют сделать выводы о высокой степени их микробной
пораженности, что подтверждает необходимость учета биокоррозионной
активности подземной среды по отношению к конструкционным
материалам на рассматриваемой территории (см. таблицу 1).
Таблица 1
Результаты исследования физико-механических свойств и содержание
микробной массы (ММ) в разрезе нижнекембрийских глин по трассе
тоннеля
Естественная
Прочность на
Микробная
№ Глубина,
влажность
одноосное сжатие
масса ММ**,
п/п
м
W, %
R, МПа
мкг/г
93,47
1
3,3 – 3,5
25,3
0,035
108,81
40,29
2
4,5 – 4,7
18,8
0,077
89,13
47,62
66,41
3
7,5 – 7,7
17,3
0,092
101,98
109,10
4* 11,0 – 11,2
19,6
0,2
122,78
* Образец отобран из скважины на расстоянии 5 метров от тоннеля,
остальные из скважины на расстоянии 1 м.
** ММ – микробная масса определялась по величине микробного белка с
использованием метода Дж. Бредфорд [2].
По данным инженерных изысканий грунтовые воды приурочены к
техногенным и озерно-ледниковым пескам, уровень грунтовых вод
располагается на глубине 1.8 м ниже поверхности земли. По химическому
составу вода является сульфатно-гидрокарбонатной натриево-кальциевой с
минерализацией 0,98 – 1,1 г/дм3, отмечается ее загрязнение за счет
хозяйственно-бытовых отходов. Важно отметить, что степень их
загрязнения за счет утечек из канализационного коллектора, который
расположен вдоль тоннеля, будет возрастать. Кроме того, зафиксировано
полное обводнение засыпки за стенкой тоннеля, что предопределяет
развитие коррозии тоннельных конструкций.
Как уже отмечалось ранее, деформации тоннеля сопровождаются
активным разрушением конструкционных материалов: бетонов и
строительных растворов. Анализ результатов химического состава водных
вытяжек разрушенных строительных материалов и растворов дает
возможность оценить степень и природу разрушения исследуемых
материалов по составу выщелоченных компонентов. Отмечаются
повышенные содержания гидрооксида кальция Cа(OH)2 - 4,02 – 21,1
мг/дм3, что свидетельствует о плохом качестве использованного цемента.
О разрушении цементных минералов свидетельствует присутствие во всех
пробах иона алюминия (0,03 – 4,32 мг/дм3), который в незагрязненных
грунтовых водах в наших условиях не встречается. Во всех водных
вытяжках был найден аммоний (NH4+) (0,25 – 0,49 мг/дм3) – показатель
загрязнения вод за счет канализационных стоков. Обращает также на себя
внимание низкие значения рН в водных вытяжках разрушенных
строительных материалов (6,9 – 8,1), которые обычно формируются за счет
нейтрализации щелочности среды органическими и неорганическими
кислотами, образование которых связано с микробной деятельностью.
По результатам микробиологических исследований образцов для
оценки направленности биохимических процессов, протекающих в
конструкционных материалах, была выполнена оценка особенностей
видового состава микромицетов, среди которых зафиксированы
микроорганизмы, характерные для подземной среды, загрязненной
канализационными стоками [2]. Кроме того, были выявлены различные
физиологические группы микроорганизмов: а) сапрофиты; б)
гетеротрофные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы, в)
тионовые бактерии (таблица 2).
Таблица 2
Численность различных форм микроорганизмов в разрушенных
строительных материалах
№
п/п
Численность, КОЕ/г
Олиготрофы Актиноми- Тионовые Микромицеты
цеты
бактерии
Общее
число
сапрофитов
1
8,0х103
Менее 103
9,2х104
5,0х104
Менее 103
2
1,1х105
6,6х103
1,2х105
4,2х103
Менее 103
3
6,9 х104
9,8х103
1,2х105
1,2х104
Около 103
4
2,9х105
3,5х105
2,3х105
1,3х104
Менее 103
5
7,5х103
5,0х103
4,5х104
4,5х103
3,0х103
6
7,0х104
2,6х104
5,6х104
1,5х103
2,0х103
7
9,9х104
1,1х105
8,5х104
3,1х103
2,0х103
8
8,6х105
8,0х105
8,3х104
2,5х104
Менее 103
9
6,4х105
6,0х105
1,5х105
3,3х104
Менее 103
Цветом выделена высокая численность микроорганизмов, полученная
методом посевов на твердые питательные среды.
Деформации стенок тоннеля были вызваны оползневым давлением,
которое начало развиваться при подрезке природного склона.
Доказательством развития оползневого процесса послужили результаты
двух варианта расчета устойчивости подрезанного откоса: локальной
устойчивости – стенки котлована и общей – всего склона в целом. В
расчетах использовались параметры сопротивления сдвигу синих глин с
учетом их микро- и макротрещиноватости. Для определения локальной
устойчивости в расчетах применялись минимальные показатели с и φ,
характерные для глубины 6,6 м (сцепление с=0,053 МПа, =40), где
прослеживается зона скольжения по данным бурения и опробования. Для
учета макротрещиноватости был использован коэффициент структурного
ослабления λ = 0,5, который вводился для понижения величины сцепления
глин [1]. Коэффициент λ определен на основе положения (глубины) зоны
скольжения, глубина, размера блоков глин и характера трещиноватости
глин.
Для расчета общей устойчивости подрезанного склона, при наиболее
благоприятном варианте – без учета действия подземных вод, была
получена величина оползневого давления на стенку тоннеля, при которой
отсутствует гарантия обеспечения эксплуатационной надежности и
устойчивости конструкции тоннеля (таблица 3).
Таблица 3
Значения оползневых давлений на стенку тоннеля
№
п/п
Условия расчета*
Коэффициент
устойчивости
откоса
Оползневая
нагрузка на
стенку
тоннеля, кН
Локальная
устойчивость
стенки
0,6
0,1
котлован
Общая
устойчивость
при
существующей конфигурации склона
2
0,49
15,1
и реального положения тоннельной
конструкции
* В расчетах использовались параметры сопротивления сдвигу синих глин
с учетом их микро- и макротрещиноватости.
1
Для обеспечения устойчивости откосов, сложенных глинистыми
породами, может быть применена подпорная стенка, устроенная из одного
и/или двух рядов буронабивных армированных свай, с глубиной их
заложения ниже возможного поверхности скольжения на 3 - 5 метров.
Кроме того, необходимо использование в конструкциях материалов,
проверенных на биоустойчивость в отношении действующего биоценоза.
Список литературы
[1] Дашко Р.Э. Механика горных пород: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. 264 с.,
ил.
[2] Дашко Р.Э. Влияние органической компоненты на развитие некоторых
геологических процессов в подземном пространстве Санкт-Петербурга. //Труды
международной научной конференции Многообразие современных геологических
процессов и их инженерно-геологическая оценка. М., изд-во МГУ, 2009. С. 149-151.
[3] Дашко Р.Э. Геотехническая диагностика коренных глин Санкт-Петербургского
региона (на примере нижнекембрийской глинистой толщи). Реконструкция городов и
геотехническое строительство, № 1/2000. С. 95-100.