География и геология /6. Природопользование и экологический мониторинг

Панкратова К.В., Коробко А.А.

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,

Санкт-Петербург, Россия

Инженерно-геологическая оценка динамики разрушения транспортных сооружений (на примере транспортного тоннеля автодороги Санкт-Петербург – Киев)

В 2011 году проводилась реконструкция автодороги второй технической категории М-20 на участке г. Пушкин до пос. Дони в административных границах Санкт-Петербурга, в рамках которой был обследован транспортный тоннель неглубокого заложения и установлены причины его активного разрушения (рис.1).

Способ сооружения тоннеля – открытый в выемке максимальной глубиной заложения 7.1 м - 8.0 м со стороны Киевского шоссе и 8.5 - 9.2 м со стороны Ленинградского шоссе.

Тоннель выполнен в монолитной железобетонной обделке из отдельных секций, разделенных деформационными швами. Общая длина тоннеля составляет 515,0 м (13 секций) в том числе: рампа со стороны Санкт-Петербурга – 187,3 м (5 секций), закрытая часть – 88,7 м (2 секции), рампа со стороны г. Пушкина – 239,0

м (6 секций). Ширина тоннеля – 11,25. Высотный габарит тоннеля 5,0 м.

Рассматриваемый тоннель размещается в пределах южной части Предглинтовой низменности (рис.2). Траншея подрезает пологий естественный склон, в разрезе которого выделено 4 типа отложений (сверху – вниз): техногенные образования, моренные отложения, которые подстилаются нижнекембрийскими синими глинами, локально под техногенными грунтами прослежены озерно-ледниковые пески.

Большая часть транспортного тоннеля (по глубине) располагается в нижнекембрийских синих глинах, которые относятся к литифицированным отложениям с устойчивой консистенцией. В практике инженерно-геологической оценки глин формы консистенции согласно действующим нормативным документам имеют определяющее значение для характеристики их прочности и несущей способности.

Синие глины широко используются в качестве основания либо среды сооружений в пределах Предглинтовой низменности. Вместе с тем, строительство и эксплуатации сооружений различного назначения на синих глинах в ряде случаев сопровождается авариями либо переходом объектов в предаварийное состояние. Выполненный анализ показал, что в ряде случаев причиной перехода объектов в предаварийное или аварийное состояния послужил недоучет влияния макро- и микротрещиноватости этих глин на их прочность и деформационную способность.

Ещё в начале 80-х годов прошлого века на кафедре инженерной геологии СПГГИ(ТУ) были выполнены работы, позволившие установить зональное строение нижнекембрийских глин в пределах Предглинтовой низины Санкт-Петербургского региона, которое связано с историей его геологического развития в палеозойское – кайнозойское время, когда нижнекембрийские глины испытали несколько циклов прогрессивного и регрессивного литогенеза. [2] Глинистые породы, выведенные на дневную поверхность в позднем палеозое подвергались разуплотнению, дополнительной гидратации, и выветриванию до начала оледенения. За счет тектонических и нетектонических факторов шло формирование трещиноватости синих глин. Наибольшая степень дезинтегрированности устанавливается в верхней зоне разреза низменности, в которой пройден рассматриваемый тоннель.

При проектировании тоннеля не были приняты две принципиально важные позиции – подрезка пологого естественного склона, а также дезинтегрированность нижнекембрийских синих глин и её влияние на сопротивление сдвигу. Тоннель был открыт в 2008 году, через год начались деформации тоннельной конструкции.

Комплекс лабораторных исследований, выполненных для оценки состояния тоннельной конструкции, и причин её активного разрушения позволил получить следующие данные.

Анализ результатов химического состава водных вытяжек дает возможность оценить степень разрушенности исследуемых материалов по завышенным показателям содержания гидрооксида кальция Cа(OH)₂, что свидетельствует о плохом качестве используемого цемента. О разрушении цементных минералов свидетельствует присутствие во всех пробах иона алюминия, который в незагрязненных грунтовых водах в наших условиях не встречается. Во всех водных вытяжках присутствует аммоний (NH4⁺) – показатель загрязнения вод за счет канализационных стоков. Обращает также на себя внимание низкие значения рН в водных вытяжках, которые обычно формируются за счет органических и неорганических кислот, 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 [1]. Кроме того, были выявлены различные физиологические группы микроорганизмов: а) сапрофиты; б) гетеротрофные аэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы, в) тионовые бактерии.

В большинстве проб поврежденных материалов зафиксирована повышенная численность колониеобразующих единиц (5 тысяч КОЕ на 1 грамм материала).

На основании выполненных микробиологических исследований подтверждена значимость протекания биокоррозии конструкционных материалов тоннеля, которая активизируется под действием напряжений (стресс - коррозия).

В лаборатории «Центра инженерных исследований» были выполнены определения состава и физико-механических свойств синих глин на образцах, отобранных для оценки изменения состояния и прочности глин по глубине разреза.

Все исследованные образцы по гранулометрическому составу могут классифицироваться как глины тяжелые, либо глины пылеватые. Преобладание тонкодисперсных фракций в глинах предопределяет низкие углы внутреннего трения и соответственно квазипластичное состояние пород [3].

Необходимо также отметить, что вся толща синих глин характеризуется микробной пораженностью. Для плотных глин полученные значения бактериальной массы (от 9,51 до 77,00 мкг/г) позволяют сделать выводы о высокой степени их микробной пораженности, что лишний раз доказывает необходимость учета биокоррозионной активности подземной среды по отношению к конструкционным материалам.

Выполненный инженерно-геологический анализ показал, что основной причиной перехода объектов в предаварийное или аварийное состояния послужил недоучет влияния макро- и микротрещиноватости этих глин на их прочность и деформационную способность.

С учетом трещиноватости глин были назначены параметры сопротивления сдвигу, которые использовались в расчетах локальной устойчивости и общей устойчивости подрезанного откоса. Для определения локальной устойчивости были приняты также данные исследований ЗАО ЛенТИСИЗ, при этом в расчетах применялись наиболее низкие значения показателей с и φ, характерные для глубины 6,6 м, где отчетливо прослеживается зона скольжения, для учета макротрещиноватости был использован коэффициент структурного ослабления λ = 0,5

В результате рассмотрения 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.

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 с учетом возможного смещения поверхности скольжения.

Литература:

1. 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.

2. 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.

3. Дашко Р.Э. Механика горных пород: Учебник для вузов. – М.: Недра, 1987. – 264 с.