Основные требования, предъявляемые к инженерно-геологическим, гидрогеологическим и геоэкологическим изысканиям для подземных сооружений

12.06.2016

Основными задачами инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий для последующей разработки проектов подземных сооружений являются: установление неблагоприятных для сооружения геологических и инженерно-геологических процессов, характерных для осваиваемой территории; составление инженерно-геологического разреза на всю глубину сжимаемой толщи основания; определение значений физико-механических характеристик грунтов в ее пределах; фиксация существующего и прогноз изменения уровня подземных вод, а также анализ химического состава и агрессивности по отношению к бетону и арматуре этих вод; установление соответствия полученных данных с архивными материалами.
Такие исследования включают комплекс работ: рекогносцировку; инженерно-геологическую съемку; инженерно-геологическую разведку. В их состав, в общем случае, входят:
- сбор, обработка, анализ материалов исследований предыдущих лет;
- дешифровка космо- и аэрофотоматериалов, а также аэровизуальных наблюдений;
- маршрутные наблюдения;
- проходка горных выработок (скважин, шурфов и др.) с отбором монолитов и образцов грунтов;
- геофизические исследования;
- полевые исследования грунтов (зондирование, штамповые испытания, прессиометрические исследования грунтов в скважинах и др.);
- гидрогеологические исследования;
- стационарные наблюдения;
- лабораторные исследования грунтов и проб грунтовых вод;
- обследования оснований и фундаментов, окружающих контуры будущего подземного сооружения зданий;
- камеральная обработка полученных материалов (определение нормативных и расчетных величин физико-механических свойств грунтов);
- поверочные расчеты оснований и составление технических отчетов (заключений) по результатам выполненных исследований.
Отметим, что суть полевых и лабораторных исследований грунтов уже достаточно детально изучалась в курсе «Инженерная геология».
Необходимость отдельных видов изысканий и условия их заменимости регламентирует программа исследований в зависимости от стадийности проектирования, сложности инженерно-геологических условий, уровня ответственности проектируемых сооружений. Эта программу составляет изыскательская организация, базируясь на техническом задании заказчика. Она включает наименование и местоположение объекта, характеристики сооружения, которое проектируется, цель и задачи исследований и другие данные, необходимые для их проведения.
На категорию сложности инженерно-геологических условий (нормы выделяют простые, средней сложности и сложные) влияют наличие неблагоприятных для возведения и эксплуатации сооружений геологических и инженерно-геологических процессов и явлений (например, слабые, просадочные, набухающие, засоленные, биогенные грунты, плывуны, суффозия, карст, оползни, сейсмичность и др.), а также техногенные процессы (динамическое влияние транспорта, работа машин и механизмов, разработки полезных ископаемых в карьерах, эрозия, подработка, подтопление, откачка грунтовых вод, рост антропогенных отложений и др.). Учитываются также геоморфологические условия (наклонные поверхности, расчлененность земной поверхности, генезис его элементов), формы залегания инженерно-геологических элементов (их наслоения, выклинивание пластов, линзы, мешки, шлейф и др.), количество и напорный характер горизонтов подземных вод и т.п.
При проведении рекогносцировки в районах развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов надо приближенно очертить контуры площади распространения этих процессов, выявить возможные причины их развития, наличие деформированных зданий и защитных сооружений, наметить места проведения стационарных наблюдений и исследований.
На этапе инженерно-геологической съемки детально изучают инженерно-геологические условия для обоснования основной стадии проектирования, на которой окончательно разрабатывают генплан объекта, принимают объемно-планировочное и конструктивное решения, определяют стоимость строительства, разрабатывают мероприятия по охране природы. При этом изучают рельеф, историю его формирования, факторы, определяющие развитие геологических и инженерно-геологических процессов, состав и генезис грунтов, их физико-механические свойства, основные закономерности их пространственной изменчивости и т.п.
В районах распространения особых по составу и состоянию грунтов определяют их свойства, усложняющие строительство. В местах развития неблагоприятных инженерно-геологических процессов определяют очаги их проявления, зоны интенсивного развития, привязку к геоморфологическим элементам, формам рельефа, литологии грунтов, условиям возникновения.
Для сооружений, возводимых на берегах рек и озер, должна быть приведена гидрологическая характеристика водоема.
Общие задачи инженерно-геологической разведки:
- выделение инженерно-геологических элементов;
- изучение инженерно-геологического разреза основания сооружения;
- определение расчетных показателей физико-механических характеристик грунтов массива;
- определение водного и температурного режимов основания;
- составление инженерно-геологической модели основания для прогноза влияния инженерной деятельности человека на окружающую среду;
- выбор наиболее рациональных методов борьбы с неблагоприятными геологическими и инженерно-геологическими процессами.
В камеральный период обрабатывают полученные данные и составляют отчет по результатам инженерно-геологических изысканий.
Таким образом, минимальное количество выработок (обычно скважин) и наименьшие расстояния между ними при изысканиях определяются категорией сложности инженерно-геологических условий и уровнем ответственности сооружений (их тоже три). Так, для простой категории сложности инженерно-геологических условий и III уровня (самого низкого) ответственности сооружений расстояние между выработками не может превышать 100-75 м при их минимальном числе одна-две. Для сложной категории сложности условий и I уровня (самого высокого) ответственности сооружений расстояние между выработками не может превышать 25-20 м при их минимальном числе четыре-пять.
Так, при изысканиях для подземных сооружений, возводимых методом «стена в грунте», сетка скважин не превышает 20х20 м или по трассе такого сооружения - не реже чем через 20 м. Скважины располагают в пределах контура сооружения либо вблизи его на расстоянии не более 5 м от контура.
Минимальная глубина выработок зависит от глубины заложения подошвы фундаментов сооружения и нагрузки на них. Например, при изысканиях для тех же сооружений, возводимых методом «стена в грунте», инженерно-геологическое строение массива изучается на глубину не менее 10 м ниже подошвы стены. При этом свойства грунтов как инженерно-геологических элементов с особыми свойствами, так и подстилающего их слоя должны быть обязательно изучены.
В итоге изысканий проектировщик должен иметь достаточную инженерно-геологическую и гидрогеологическую информацию в пределах всей сжимаемой толщи основания сооружения.
Ниже приведены примеры аварийных ситуаций, возникших из-за недооценки сложности инженерно-геологических условий при изысканиях. Так, на рис 2.1 (данные проф. В.А. Ильичева) показан результат механической суффозии в глубоком котловане.
Основные требования, предъявляемые к инженерно-геологическим, гидрогеологическим  и геоэкологическим изысканиям для подземных сооружений

Очень наглядный случай возникновения и ликвидации аварийной ситуации при погружении монолитного железобетонного опускного колодца (диаметр 22 м, проектная глубина 12 м, толщина стен 1,2 м) под насосную станцию в слабых грунтах проанализирован специалистами (К.Г. Шашкин и др.) группы компаний «Геореконструкция», г. Санкт-Петербург (рис. 2.2).
Исходными для проектирования изысканиями было установлено, что на глубине 12 м располагаются моренные отложения, до которых предполагалось погрузить колодец с последующим изготовлением днища практически на уровне ножа колодца. Однако при достижении проектной отметки погружение колодца не прекратилось, а продолжалось со скоростью 3-5 см в неделю при крене сооружения. Дополнительные изыскания показали распространение слабых грунтов до глубины около 30 м.
Для остановки самопроизвольного погружения колодца и завершения работ по устройству подземной части насосной станции (разработка грунта в забое до банкетки ножа колодца) возникла необходимость в его усилении. Специализированная на свайных работах организация выбрала и реализовала вариант усиления колодца путем передачи нагрузки от него на 26 тридцатиметровых буронабивных свай диаметром 620 мм, опирающихся на моренные грунты. Сваи объединили ростверком с верхней частью колодца.
Основные требования, предъявляемые к инженерно-геологическим, гидрогеологическим  и геоэкологическим изысканиям для подземных сооружений

После включения свай в работу погружение колодца приостановилось. Однако его дальнейшая откопка привела к значительному выпору грунта внутри колодца (см. рис. 2.2, в) и образованию заметной мульды оседания вокруг него (см. рис. 2.2, б). Днище колодца заплыло текучим грунтом. В результате суммарный крен колодца достиг 1200 мм.
Дальнейшие обследования (рис. 2.3) и оценка возникшей геотехнической ситуации методом конечных элементов (программные комплексы PLAXIS и FEMmodels) показали, что при деформировании в каждой свае образовались три пластических шарнира, что практически привело к превращению сваи в «механизм», не позволяющий сопротивляться перемещениям.
Основные требования, предъявляемые к инженерно-геологическим, гидрогеологическим  и геоэкологическим изысканиям для подземных сооружений

В итоге в качестве наиболее целесообразного варианта было выбрано закрепление грунта по струйной технологии (jet grouting) с анкерными креплениями в относительно твердых грунтах (такие анкера, работая на выдергивание, сопротивляются потере устойчивости грунта), что и было реализовано на практике (рис. 2.4), и осадки колодца стабилизировались.
Авторы исследований сделали вывод, который стоит процитировать: «Данный пример наглядно демонстрирует недопустимость проектирования подземных сооружений при недостаточности исходных данных, а также опасность неполного геотехнического анализа работы конструкций на стадии усиления».
При составлении проектов подземных сооружений следует учитывать, что большой вред окружающей среде наносят утечки из систем канализации и водоснабжения, сброс в водные объекты недостаточно неочищенных бытовых, производственных, поверхностных вод. В результате, по данным проф. В.И. Теличенка и других 48 % территории Москвы находятся в зоне геологического риска, 12 % - в зоне потенциального геологического риска и лишь 40 % территории безопасны с этой точки зрения.
Основные требования, предъявляемые к инженерно-геологическим, гидрогеологическим  и геоэкологическим изысканиям для подземных сооружений

Таким образом, инженерно-геологические условия площадок являются во многом определяющим фактором при выборе конструктивного и технологического решения возведения подземных сооружений. Наиболее важным для подземного строительства является выявление участков с плывунными свойствами грунтов и большими водопритоками, оползнеопасных и закарстованых массивов, а также мест заброшенных карьеров, оврагов, балок, подвалов, водозаборных скважин, тоннелей, подземных коллекторов и т.п.
Если возведение подземных сооружений ведут с водопонижением или водоотливом, то учитывают, что увеличение скорости фильтрации воды может активизировать процессы механической и химической суффозии. Это приводит к дополнительным, зачастую неравномерным деформациям окружающей застройки. В этом случае для защиты сооружений проектируют водозащитные экраны, дренаж, закрепление или уплотнение грунтов.
В условиях же подтопления территории при открытом способе строительства подземных сооружений предусматривают водопонижение и водоотлив, противофильтрационные экраны, гидроизоляцию конструкций. При закрытом способе в водонасыщенных песках и других неустойчивых грунтах применяют кессоны, замораживание, закрепление грунтов, водопоннженне (возможно в комплексе с перехватом подземных потоков дренажем, ремонтом и профилактикой водонесущих коммуникаций, организацию стока поверхностных вод).
В районах распространения карста сооружения проектируют ниже зоны его активности, тампонируют полости, устраивают противофильтрационные завесы, закрепляют (уплотняют) грунт, регулируют сток поверхностных вод.
Для грунтов, обладающих плывунными свойствами, возможно использование методов их искусственного замораживания.