АвтозаводскаяВлияние неликвидированных инженерно-геологических скважин на инженерно-геологические условия строительной площадки, сложенной в верхней части разреза водонасыщенными песчаными отложениями
Автор: Николаев Л.А. Статья опубликована в журнале
"Инженерные изыскания", август 2010, стр. 26-29.
Официальный сайт редакции:
www.pniiis.ru
Ключевые слова: неликвидированная инженерно-геологическая скважина; строительная площадка; объект высотного строительства; водонасыщенные пески; устойчивые грунты; инженерно-геологические условия; гидрогеологические условия; заполнение ствола скважины; зона разуплотнения и осадок грунта; вертикальные каналы перетекания подземных вод.
Аннотация: в статье рассматривается влияние неликвидированных инженерно-геологических скважин на инженерно-геологические условия строительной площадки, сложенной в верхней части разреза водонасыщенными песчаными отложениями, на примере одного из объектов высотного строительства, расположенного на третьей (ходынской) надпойменной террасе реки Москвы в г. Москва.
Инженерно-геологические скважины на строительных площадках, сложенных в верхней части разреза водонасыщенными песчаными отложениями, не ликвидированные должным образом [1, 2], могут вызвать существенное изменение гидрогеологических условий и вследствие этого изменение инженерно-геологических условий строительной площадки и окружающей территории. Вокруг неликвидированных инженерно-геологических скважин в грунтовом массиве развивается комплекс процессов, характерных для карстовых и суффозионных явлений [5]. При извлечении бурового инструмента и обсадных труб в объеме ствола скважины образуется песчаный столб, являющийся каналом сосредоточенного перетекания подземных вод между горизонтами, а в верхней части разреза формируется зона разуплотнения и оседания грунтового массива.
В г. Москве влияние неликвидированных скважин на инженерно-геологические условия строительных площадок для высотного строительства (где в соответствии со строительными нормами бурится наибольшее количество глубоких инженерно-геологических скважин) наиболее заметно проявляется в районах, сложенных в верхней части разреза водонасыщенными песками. Согласно документу [4], все инженерно-геологические скважины после окончания изыскательских работ должны быть ликвидированы путем тампонажа глиной или цементно-песчаным раствором с целью исключения загрязнения природной среды и активизации геологических и инженерно-геологических процессов. На практике же ликвидация таких скважин очень часто не выполняется, что может приводить к негативным процессам. Объемы выполняемых инженерно-геологических изысканий на строительных площадках, связанных с нарушением сплошности разделяющих водоупорных слоев, настолько велики, что могут вызвать значительные изменения гидрогеологических условий и заметные деформации грунтового массива на окружающей территории еще до начала строительных работ. Именно это, скорее всего, является причиной «необъяснимых» деформаций окружающих зданий и сооружений, начинающихся еще до начала строительства, что фиксируется при геотехническом мониторинге.
Наиболее ярко влияние инженерно-геологических скважин на гидрогеологические условия стройплощадки проявляется тогда, когда скважины вскрывают несколько водоносных горизонтов, пьезометрические уровни которых отличаются на десятки метров. В грунтовом массиве вокруг ствола скважины интенсифицируются различные гидрогеологические процессы: фильтрация, суффозия, разуплотнение песчаных грунтов, ускоренная консолидация глин. В результате этого, при кажущейся незначительности диаметров скважины по сравнению с размерами стройплощадки, вокруг всех скважин формируются значительные зоны изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива, которые, сливаясь друг с другом, охватывают всю стройплощадку и оказывают влияние на окружающую территорию.
Согласно нормативным и методическим документам [3, 4], при изысканиях для строительства высотных объектов при сложном геологическом разрезе расстояние между скважинами может быть сокращено до 10---15 м, а глубина скважин может доходить до 100 м. Так, на одном из объектов высотного строительства, расположенном на третьей (ходынской) надпойменной террасе реки Москвы на строительной площадке было пробурено 48 скважин глубиной от 40 до 80 м и диаметром 0,168 и 0,340 м. На этом участке четвертичные отложения, представленные песчаными техногенными, песчаными и супесчаными аллювиальными и флювиогляциальными отложениями, залегают на коре выветривания верхнекаменноугольных отложений, представленных однородной толщей известковой и доломитовой муки с редким щебнем известняка. Верхнекаменноугольные отложения образованы перхуровскими, неверовскими, ратмировскими и кревякинскими породами. Перхуровская пачка дорогомиловского горизонта (C3pr) представлена сильнотрещиноватыми обводненными известняками с редкими прослоями глины. При бурении здесь встречены карстовые полости -- как незаполненные, так и заполненные грунтом (песком и известковой супесью с щебнем известняка). Из 48 скважин, пробуренных на стройплощадке, в 5 отмечены незаполненные полости, а в 16 - заполненные (рис. 1).
Неверовская пачка хамовнического горизонта (C3nv) сложена переслаивающимися твердыми и полутвердыми мергелистыми пестроцветными глинами и мергелями. Ратмировская пачка хамовнического горизонта (C3rt) представлена слабообводненными известняками с прослоями мергеля, трещиноватыми, с трещинами, заполненными известковистой мукой и глиной. Кревякинский горизонт (C3kr) образован отложениями воскресенской и суворовской пачек -- преимущественно пестроцветными мергелями от очень низкой до средней прочности с прослоями мергелистых глин твердой и полутвердой консистенции и глинистых известняков. Среднекаменноугольные нерасчлененные отложения мячковско-подольского горизонта (С2mc-pd) представлены известняками глинистыми, слаботрещиноватыми, кавернозными, водоносными. Гидрогеологические условия строительной площадки на глубину бурения инженерно-геологических скважин характеризуются распространением четырех водоносных горизонтов: четвертичного, перхуровского, ратмировского, мячковского. Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта -- четвертичного -- были вскрыты на абсолютных отметках 140,2---141,1 м. Пьезометрические уровни перхуровского горизонта установлены на отметках 135,6---137,5 м, ратмировского -- на 114,0 м, мячковско-подольского -- на 108,9---110,1 м.
При бурении инженерно-геологических скважин происходит изъятие грунта в количестве, равном объему ствола скважины. Так, только при проходке одной скважины диаметром 0,340 м и глубиной 80 м образуется пустота объемом как минимум 7,3 м3. Однако в зависимости от состояния разбуриваемых пород фактический объем изъятия грунта может быть и больше на 10---15%. В ходе инженерно-геологических изысканий на рассматриваемом участке в результате бурения 48 скважин глубиной от 40 до 80 м произошло образование пустот в грунтовом массиве объемом до 130 м3. При этом в верхней части разреза, представленной песками и супесями мощностью 21---32 м, при бурении скважин было изъято 60 м3 грунта, в нижней части (в пределах каменноугольных отложений) -- 70 м3. Распределение объемов изъятия грунта по территории стройплощадки показано на рис. 2.
Неликвидированные скважины могут оказывать заметное влияние на гидрогеологические условия верхнекаменноугольных горизонтов. В результате создания условий для взаимодействия этих горизонтов в пределах строительной площадки будет происходить выравнивание напоров верхнекаменноугольных горизонтов. Сеть неликвидированных инженерно-геологических скважин образует зону перетекания. В результате образования песчаных столбов внутри стволов неликвидированных скважин существенно повышается проницаемость верхнего горизонта и разделяющего слоя в вертикальном направлении. Поскольку в нижней части разреза четвертичных отложений на контакте с нижележащими более древними отложениями (юрскими глинами или элювием каменноугольных отложений) на территории г. Москвы обычно залегает базальный слой хорошо проницаемых песчано-гравийных отложений, то зона локальных гидродинамических аномалий напора распространяется по горизонтали. Были выполнены расчеты взаимодействия водоносных горизонтов в зоне неликвидированной скважины, заполненной песком (рис. 3).
По результатам моделирования было получено, что через ствол этой скважины происходит перетекание грунтовых вод вниз в объеме до 11 м3/сут. В целом для рассматриваемой строительной площадки через 48 «песчаных скважин» диаметром 168 и 340 мм происходит перетекание в объеме 253 м3/сут. Гидрогеологические расчеты проводились с применением программного комплекса PMWin, предназначенного для трехмерного моделирования геофильтрации и использующего стандартный алгоритм MODFLOW-2000. Расчеты напряженно-деформированного состояния грунтового массива выполнены в программном комплексе PLAXIS v.8 [6] для упругопластической модели Мора -- Кулона (рис. 4).
Гидрогеологические и физико-механические свойства грунтов приняты по данным инженерно-геологических изысканий, выполненных непосредственно на участке строительства. Вертикальное перемещение грунта под влиянием перетекания грунтовых вод в естественных условиях составляет 18 мм (см. рис. 4, а). После создания «песчаной скважины» в результате сосредоточенного перетекания происходит дополнительное вертикальное перемещение грунта, достигающее 16 мм (см. рис. 4, в). Максимальное горизонтальное перемещение грунтов происходит на уровне дневной поверхности и достигает порядка 0,8 мм на расстоянии 20---30 м (см. рис. 4, г). Такие перемещения в условиях плотной городской застройки являются недопустимыми для сохраняемых зданий (с учетом их возраста и статуса) вблизи строительной площадки. Результаты расчетов вертикальных перемещений близки к данным геотехнического мониторинга состояния ближайших к площадке зданий, который показал, что неравномерные осадки этих зданий начались еще до начала земляных работ. Причиной этого, скорее всего, явились процессы, связанные с неликвидированными инженерно-геологическими скважинами.
Выводы
1. На строительных площадках, сложенных в верхней части разреза водонасыщенными песками, а в нижней -- устойчивыми грунтами, неликвидированные инженерно-геологические скважины могут вызвать существенные изменения гидрогеологических условий и связанные с ними изменения инженерно-геологических условий.
2. В результате невыполнения работ по ликвидации инженерно-геологических скважин на строительной площадке развиваются процессы, аналогичные таковым, происходящим при карстовых и суффозионных явлениях. При извлечении бурового инструмента ствол неликвидированных скважин заполняется песчаным грунтом из верхней части разреза. При этом в верхней части разреза образуются зоны разуплотнения и осадок, а в нижней -- постоянно существующие вертикальные каналы перетекания подземных вод из верхних горизонтов в нижние.
3. В результате воздействия всего комплекса процессов, связанных с неликвидированными инженерно-геологическими скважинами, еще до начала строительных работ может сформироваться зона осадок грунта, охватывающая как саму строительную площадку, так и прилегающую к ней территорию.
Литература
1. ВСН 162-69. Инструкция на тампонаж разведочных и стационарных скважин, пробуренных в процессе проведения инженерно-геологических изысканий метрополитенов и горных тоннелей. М.: Минтрансстрой СССР, 1969.
2. РД 08-492-02. Инструкция о порядке ликвидации, консервации скважин и оборудования их устьев и стволов. М.: Госгортехнадзор России, ГУП «НТЦ “Промышленная безопасность”», 2002.
3. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. М.: Российская академия архитектуры и строительных наук, 2004.
4. СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть 1: Общие правила производства работ. М.: Госстрой РФ, 1998.
5. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М.: ГЕОС, 2003. 216 с.
6. PLAXIS. Версия 8. Справочное руководство, 2006. 182 с.