Опыт изучения природно-техногенных процессов в подземном пространстве Санкт-Петербурга (на примере перегонных тоннелей «Обухово - Рыбацкое»)

ГЕОЛОГИЯ

УДК 624.131:551.3

О.Ю.АЛЕКСАНДРОВА

аспирантка кафедры гидрогеологии и инженерной геологии

ОПЫТ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

В ПОДЗЕМНОМ ПРОСТРАНСТВЕ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

В пределах Санкт-Петербурга выделены уровни освоения подземного пространства, на каждом из которых рассматривается влияние структурно-тектонических, инженерно-геологических, гидрогеологических и геоэкологических факторов на проявление экзогенных процессов.

Комплексное влияние природно-техногенных процессов на устойчивость сооружений в подземном пространстве Санкт-Петербурга рассмотрено на примере перегонных тоннелей «Обухово - Рыбацкое». Подчеркивается, что характер и интенсивность перемещений тоннельных конструкций зависит от состояния и физико-механических свойств вмещающих пород, гидродинамического и гидрохимического режима подземных вод, а также газодинамических явлений. Показано большое влияние биокоррозионных процессов в разрушении материалов обделок перегонного тоннеля.

It is marked out the levels of development in Saint-Petersburg underground space, where separately should be taken in consideration the influence of structural-tectonic, engineering-geological, hydrogeological, geoecological factors on an occasion for the display of exogenous processes and as a result of buildings stability.

Main natural and technological factors, which play negative part in development of prolonged and uneven deformations of the tunnels «Obuhovo - Ribackoe» in Saint-Petersburg subway are considered in the article. It is emphasized that the character and intensity of tunnel's throw depends on conditions, physico- mechanical rocks and soils properties, hydrodynamical and hy-drochemical groundwater conditions, as well as gas-dynamic phenomenon. It is shown the profound effect of biocorrosion processes in lining material destruction.

Динамичное развитие Санкт-Петербурга и реализация новых проектов по мно-гоуровенному освоению его подземного пространства требует проведения специальных исследований по прогнозу развития или активизации экзогенных процессов, которые во многом будут определять безопасность строительства и функционирования сооружений. Подземное пространство Санкт-Петербурга по интенсивности освоения разделено по глубине на два уровня: первый -от 0 до 50 м, второй - более 50 м, причем для каждого уровня выделены действующие экзогенные процессы, тип, характер и ин-

тенсивность которых определяются природными и техногенными факторами. К природным факторам относятся:

1) структурно-тектонические особенности территории, которые проявляются в развитии интенсивной трещиноватости коренных пород (песчаников и литифици-рованных глин нижнего кембрия и верхнего венда) в пределах тектонических разломов и их узлов, эксгаляция радона, регулирующего интенсивность микробной деятельности за счет повышения радиационного облучения, глубинных газов и других эманаций;

2) геолого-гидрогеологические условия, связанные с литологическим составом пород и степенью их обводненности и газонасыщенности.

К техногенным факторам относятся:

1) изменение напряженного состояния пород не только за счет строительства и эксплуатации наземных и подземных сооружений, варьирования напоров в глубоких водоносных горизонтах, но также и в результате химических и биохимических процессов в подземном пространстве;

2) химическое, микробное, температурное загрязнение основных компонентов подземного пространства, приводящее к преобразованию кислотно-щелочных, окислительно-восстановительных условий и активизации деятельности микробиоты.

Необходимо подчеркнуть, что влияние структурно-тектонических условий в большей степени будет проявляться на втором уровне, а на первом основное значение приобретает высокое загрязнение подземного пространства. С учетом действия перечисленных факторов в пределах каждого уровня можно выделить как специфические, так и общие процессы для двух уровней освоения подземного пространства (см. таблицу).

Комплексное влияние природно-тех-ногенных процессов на устойчивость сооружений в подземном пространстве Санкт-Петербурга было изучено в перегонных тоннелях «Обухово - Рыбацкое», глубина заложения которых меняется от 69,5 м (в кровле тоннеля) в районе станции метро «Обухово» с выходом на поверхность к станции метро «Рыбацкое». Согласно нивелирным наблюдениям в период с 1985 по 1998 г. тоннели испытывали опускание со скоростью деформаций от 1 до 24 мм/год, с 1998 по 2003 г. - знакопеременные деформации с ростом скоростей перемещения.

Участок перегонного тоннеля «Обу-хово - Рыбацкое» приурочен к левому борту субмеридиональной погребенной долины Пра-Невы, которая контролируется сетью разнонаправленных разломов [3]. Существование в зоне перегонного тоннеля Обуховского болота наряду с интенсивным загрязнением предопределяет поступление органических соединений и микро-биоты в подземные воды и породы, что в свою очередь оказывает негативное воздействие на состояние и свойства грунтов, формирует повышенную агрессивность подземной среды [1].

Природные и природно-техногенные процессы в подземном пространстве Санкт-Петербурга

Уровни освоения подземного Экзогенные процессы

Специфические Общие

пространства Природно-техногенные Природные Природно-техногенные

I уровень • Истинные и ложные плывуны • Истинные и лож- • Загрязнение подземных вод и пород

(0-50 м) • Подтопление ные плывуны • Активизация микробной деятельности

• Провалы и промоины • Микробная дея- • Биохимическое газообразование

• Оползни • Сдвижение дневной поверхности при строительстве и экс- тельность • Биохимическое газообразование • Негативное преобразование состава подземных вод и свойств пород • Деформации пород и сооружений за

плуатации подземных сооруже- счет изменения гидродинамического

ний и откачке подземных вод режима водоносных горизонтов

II уровень (более 50 м) • Неравномерные деформации тоннельных конструкций • Формирование локальных депрессий подземных вод вокруг поврежденных конструкций • Неравномерные и длительные осадки наземных зданий и деформации подземных сооружений • Коррозионная деструкция строительных материалов • Фильтрационные деформации • «Наведенная» сейсмичность • Изменение температурного режима

УГВ

е-

I

ч о о

ю <

0 10

20 30 40 -50 -60 -70

§ §

о &

с а

§

л

о

•е

(и

Номера пикетов

316 318 320 321 324 326 328 330 332 334 336 338 340 342 344 346 348 350 10 -

0

-10 --20 --30 -10 0 -10 -20 -30

1988 —1998 ---2002 — 2003

Схематический геолого-литологический разрез по трассе Обухово - Рыбацкое с указанием перемещений обделок

Сопоставление результатов замеренных перемещений по трассе перегонных тоннелей с особенностями инженерно-геологического разреза показали их тесную связь, что и позволило выделить три зоны вертикальных перемещений (см. рисунок).

В пределах зоны I тоннель проложен в трещиноватых верхнекотлинских глинах и песчаниках достаточно прочных и устойчивых с повышенной водо- и газопроницаемостью, при этом максимальные перемещения оседания (до 12 мм) вызваны растворением

и выносом тампонажного раствора под действием агрессивных и напорных вод ломоносовских песчаников, залегающих в кровле тоннеля.

В этом интервале отмечены наибольшие течи и выносы тампонажного раствора. Агрессивность ломоносовского водоносного горизонта связана с подтоком через толщу трещиноватых верхнекотлинских глин венда высокоминерализованных напорных хло-риднонатриевых вод нижнекотлинского водоносного горизонта.

Зона II выделяется в пределах развития нижнекембрийских синих глин, которые обладают, как известно, более низкими модулями общей деформации, чем породы верхнего венда [2], с чем связано интенсивное оседание конструкции и концентрация трещин в тюбингах с раскрытием до 9 мм.

В зоне III тоннель проложен в слабых газонасыщенных межморенных песчано-глинистых отложениях, содержащих линзы напорных вод, и в микулинских битуминозных суглинках. Именно в зоне III наблюдается максимальное (до 83 мм) оседание тоннеля. Суммарные перемещения тоннельной конструкции складываются из деформаций оседания за счет выноса тампонажного раствора, сжатия пород в основании тоннельного сооружения и действия газодинамического давления.

Отобранные пробы новообразований и разрушенных материалов обделки показали наиболее высокое содержание бактериальной массы в разрушенном чугуне (до 142 мкг/г) и выщелоченном тампонажном растворе (до 137,5 мгк/г), что дает основание предполагать, что существенную роль в коррозии строительных материалов играет биокоррозия. Кроме того, была определена численность видов микроскопических грибов методом посева на питательные среды, которые выявили 43 вида микромицетов - активных биодеструкторов бетонных и металлических конструкций, а также аэробных бактерий -нитрифицирующих, тионовых и железобактерий и актиномицетов с максимальным содержанием - 120 тыс.ед. на 1 г пробы .

* Определение бактериальной массы по модифицированной методики М.Бредфорда выполнено на кафедре инженерной геологии и грунтоведения СПбГУ.

** Исследования выполнялись в Биологическом НИИСПбГУ, а также в СПбНИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера.

Данные изучения химического состава водных вытяжек новообразований показывают аномально высокое содержание органических соединений: ХПК и БПК5 в разрушенном чугуне соответственно 2277,0 и 1470,0 мгО2/дм3, в тоннельных сталактитах 1158,3 и 115,4 мгО2/дм3, в выщелоченном тампонажном растворе 910,8 и 470,4 мгО2/дм3. В разрушенном чугуне железо практически вынесено, и графитовый каркас заполнен растворимыми продуктами коррозии, в том числе карбонатами, хлоридами натрия, кальция, магния. Состав тоннельных сталактитов отражает реакции растворения и выщелачивания тампонажных растворов хлоридными натриевыми водами при обязательном участии микроорганизмов. Разрушение тампо-нажных растворов сопровождается активным выносом силиката кальция, магния (содержание кремниевой кислоты 194,4 мг/дм3) и сульфатов. В выносах тампонажного раствора отмечены волосяные формы - возможно ризоиды микроводорослей. По всей видимости, аварийное состояние обделки вызвано комплексным действием разнонаправленных напряжений, а также биокоррозионных процессов, связанных с агрессивностью подземной среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дашко Р.Э. Микробиота в геологической среде: ее роль и последствия // Материалы годичной сессии «Сергеевские чтения». Вып.2. М.: ГЕОС, 2000.

2. Дашко Р.Э. Инженерно-геологические особенности коренных глин Санкт-Петербурга как среды для размещения подземных сооружений / Р.Э.Дашко, А.А.Еремеева // Материалы Межд. симпозиума «Инженерно-геологические проблемы урбанизированных территорий». Екатеринбург: Аква-Пресс, 2001.

3. Новое в геологии / В.Г.Ауслендер, А.С.Яновский, Л.Г.Кабаков, Э.С.Плешивцева // Минерал. 2002. № 1(4).

Научный руководитель д.г.-м.н. проф. Р.Э.Дашко