Геологические изыскания для строительства

Геологические изыскания при строительстве сооружений ММДЦ «Москва-Сити»

Комплекс подземных конструкций ММДЦ «Москва-Сити» представляет собой сложную систему, все элементы которого технологически увязаны друг с другом. Высотные здания имеют общие «стены в грунте», их фундаменты устроены таким образом, чтоб обеспечить функционирование существующих и прокладку проектируемых линий метрополитена. Важно опираться и учитывать результаты геологических изысканий в строительстве. На рис. 39 приведена схема организации подземного пространства территории делового центра, хорошо иллюстрирующая эту особенность ММДЦ.

В идеале такой интеграционный подход должен быть применен при проектировании и строительстве подземных сооружений на всей территории города. Принципиальная разница заключается в том, что подземное пространство г. Москвы уже содержит огромное количество подземных конструкций, тоннелей, коммуникаций, затрудняющих внедрение в него новых сооружений, сведения о которых часто весьма отрывочны, а иногда секретны. Однако проектирование новых подземных сооружений целесообразно вести с осуществлением взаимоучета их особенностей. В этом смысле опыт строительства делового центра подтверждает тезис о необходимости обоснования строительства высотных зданий на этапе градостроительного проектирования – не только с позиций их размещения в благоприятной геологической обстановке, но и с точки зрения оптимизации процесса их интеграции с другими подземными сооружениями для обеспечения максимальной функциональности. Такой подход согласуется с предложенными принципами соблюдения этапности работ при инженерно геологических изысканиях и осуществления перманентного моделирования, начиная с самых ранних стадий проектирования.

Однако первоначальный выбор участка для строительства ММДЦ был все же осуществлен без какого-либо учета геологических особенностей. На тот момент отсутствовала информационная база, необходимая для реализации принципа альтернативности местоположения высотных зданий. Да и с точки зрения функциональности об альтернативности говорить не приходилось – вряд ли возможно было найти в пределах центрального административного округа г. Москвы другой участок пригодный для размещения такого количества высотных зданий. Так что о применении вышеуказанного принципа при проведении инженерно-геологических исследований и изысканий для строительства объектов ММДЦ можно говорить только в контексте размещения сооружений в пределах выделенной для застройки территории.

Уже на стадии архитектурной задумки была очевидна уникальность ММДЦ «Москва-Сити» как комплекса объектов, способных оказывать сложно прогнозируемое влияние на геологическую среду г. Москвы. Первые геологические исследования на территории  делового центра были начаты в 1989 году с целью геологического обоснования архитектурно-планировочной концепции застройки. Первая аналитическая оценка геологических условий строительства и прогноз влияния застройки на геологическую среду были составлены в 1993 году. В дальнейшем к геологическим исследованиям, изысканиям были привлечены ведущие организации г. Москвы в области инженерно-геологических изысканий, мониторинга подземных вод, методов лабораторных и полевых исследований горных пород, моделирования фильтрации подземных вод и напряженно-деформированного состояния грунтового основания. Под руководством академика РАН В.А.Ильичева была разработана Программа научного сопровождения строительства, координирующая деятельность организаций, проводящих собственные исследования на территории ММДЦ и регламентирующая необходимый перечень исследований с учетом уровня ответственности возводимых сооружений. Сегодня научно-методическое сопровождение строительства делового центра ведется в НИИИОСП им. Герсеванова.

Таким образом, несмотря на то, что в проведения инженерных изысканий под объекты делового центра, их проектировании и строительстве приняло участие большое количество организаций разного профиля, координация всех этих работ осуществлялась одним экспертным органом, что в полной мере согласуется с предложенным принципом обязательного научно-методического сопровождения.

В 1993-1998 гг. был проведен ряд исследований, связанных с инженерно-геологическим обеспечением строительства Центрального ядра и получением материалов для построения постоянно действующих геомеханической (рис. 40) и геофильтрационной моделей территории делового комплекса, которые впоследствии детализировались по результатам проведения инженерно-геологических изысканий на участках застройки. Это позволило осуществлять учет взаимовлияния сооружений на разных участках застройки при прогнозировании изменения гидрогеологических условий и напряженно деформированного состояния грунтового массива.

В 1996 г на территории делового центра впервые была создана сеть режимных гидрогеологических скважин, располагающихся по периметру центрального ядра и к северу от него. На протяжении почти трех лет велись систематические наблюдения за уровнями, температурой и химическим составом подземных вод. Однако к концу 1998-го года скважины были уничтожены в результате проведения строительных работ, и впоследствии новая сеть режимных скважин была создана только в 2004 г. Сегодня она включает в себя 16 скважин, сгруппированных в 6 кустов. Наблюдаются динамика уровней, температуры и химического состава всех водоносных горизонтов, расположенных в пределах зоны взаимодействия с сооружениями ММДЦ «Москва-Сити».

В процессе строительства сооружений делового центра также осуществлялся геотехнический мониторинг – на фундаментах отдельных сооружений установлены датчики, регистрирующие напряженное состояние и деформации.

Таким образом, принцип мониторинга был реализован при строительстве сооружений ММДЦ, хотя и достаточно в общих чертах. Гидрогеологические изыскания и мониторинг, также, как и геологические изыскания в строительстве исключительно важны, важен мониторинг. Многолетний перерыв в проведении наблюдений за динамикой подземных вод, к сожалению, не позволяет произвести детальный анализ трансформации гидрогеологической обстановки под влиянием строительства комплекса высотных сооружений, хотя тенденции, выявленные путем сравнения результатов двух периодов наблюдений достаточно интересны.

В ратмировском и суворовском водоносных горизонтах – 2 и 3 от поверхности, соответственно, заметна явная тенденция на подъем уровней. Причиной может быть общее уменьшение объемов водопонизительных работ на территории ММДЦ, а также накопительный (во времени) эффект в уменьшении общей проводимости горизонтов за счет глубоких свайных фундаментов с частым расположением свай и их большим диаметром, а также значительных объемов инъецированных в массив цементных и иных растворов.

Температурный режим всех горизонтов находится в обычном сезонном графике, с учетом общего нагрева водовмещающих пород из-за контакта с возведенными подземными объемами. Фон температур составляет 11-13 градусов, в то время как в период наблюдений 1996-1998 г.г эта величина, как правило не превышала 10 градусов.

Гидрохимические параметры водоносных горизонтов практически соответствуют фоновым для Москвы параметрам и их сезонным изменениям. Минерализация по разным горизонтам от 0,2 до 2 г/л. Наиболее загрязненным является первый от поверхности горизонт. Специфических загрязнений за период наблюдений не зафиксировано, если не считать повышенной величины  до 8-9,5, рН подземных вод.

В рамках проведения инженерно-геологических изысканий для строительства всех сооружений ММДЦ «Москва-Сити» был выполнен всеобъемлющий комплекс работ, однако наиболее сложным объектом с точки зрения инженерно-геологического сопровождения стала башня «Россия», строительство которой впоследствии было отменено по экономическим причинам. Однако инженерно-геологические изыскания для ее строительства на тот момент уже были выполнены более чем в полном объеме и опыт их проведения интересен с позиций обоснования принципа многовариантного проектирования.

Работы в рамках обоснования ее строительства проводились в несколько этапов. На первом из них была проведена основная часть полевых работ – бурение инженерно-геологических скважин, проведение натурных (прессиометрические испытания) и лабораторных исследований физико-механических свойств грунтов в соответствии с действующими нормативными документами. Литологические границы были уточнены по данным стандартного геофизического каротажа. Также была проведена видеосъемка стенок скважины.

Для исследования состояния карбонатного массива под плитой фундамента на предмет проявления карстовых процессов в зоне высотной части здания была выполнена межскважинная сейсмическая томография массива. Исследования показали, что массив представлен толщей сохранных известняков со скоростью прохождения продольных волн 3,0-3,8 км/сек, в которой выделяются субгоризонтальные прослои с пониженной скоростью 2,4 - 2,6 км/сек. По данным исследований, проводимых ранее для территории Москвы, для собственно карстовых полостей, заполненных инфлювием, скорости прохождения продольных волн составляют 1,7-2,2 км/сек. Интервалы фиксации прослоев со сниженными скоростями продольных волн, интерпретируемые как кавернозные и сильнотрещиноватые породы, хорошо согласуются с данными визуального изучения стенок скважин по данным видеокаротажа.

При проектировании сооружения стояла задача максимального освоения подземного пространства для организации подземной парковки, поэтому на следующих этапах изысканий проводилось перманентное компьютерное гидрогеологическое и геомеханическое моделирование для построения прогнозных схем взаимодействия сооружения с геологической средой при выборе того или иного проектного решения.

При проведении моделирования геофильтрации производилась оценка существующих гидрогеологических условий, прогноз их изменения в результате строительства сооружения, давались рекомендации по проведению мероприятий, минимизирующих изменение гидрогеологической ситуации района строительства.

Первоначальный проект здания предполагал устройство плитно-свайного фундамента с заложением плиты на глубине 48,5 м, что соответствует абсолютной отметке 84,5 м. По периметру площадки строительства проектировалось строительство «стены в грунте», низ которой должен был располагаться на 4-6 м ниже уровня плиты. Сама плита при этом должна была располагаться в толще карбонатных пород нерасчлененных подольской и мячковской свит.

Для осушения котлована при этом потребовалось бы полностью сдренировать три верхних водоносных горизонта и понизить уровень подольско-мячковского горизонта на 22-25 м. В соответствии с результатами геофильтрационного моделирования, прогнозные водопритоки из подольско-мячковского водоносного горизонта при этом составили 37 тыс. м3/сут., что составляет около 50% существующего эксплуатационного водоотбора из этого горизонта в г. Москве в пределах МКАД.

Прогноз показал, что необходимое водопонижение на строительной площадке существенно изменит гидрогеологическую ситуацию в подольско-мячковском водоносном горизонте. На расстоянии 4,5-5,0 км от строительной площадки величина прогнозного понижения уровня подземных вод подольско-мячковского водоносного горизонта относительно существующих условий составляет 2-3 м. В радиусе 2,0-2,5 км от участков №17-18 прогнозный уровень подземных вод горизонта понизится ниже его кровли. В зоне влияния строительных мероприятий окажутся месторождения подземных вод г. Москвы: Центр, Фили, Дорхимзавод, Хорошевское шоссе. Мероприятия по водопонижению в подольско-мячковском водоносном горизонте могут снизить надежность системы резервного водоснабжения г. Москвы за счет подземных вод каменноугольных водоносных горизонтов. Таким образом, геофильтрационное моделирование показало принципиальную невозможность заглубления котлована в среднекаменноугольные отложения.

Следующий рассмотренный вариант предполагал заложение плиты на глубине 37 м (абсолютная отметка 96,0 м). Фундаментная плита при этом должна была располагаться в суворовском водоносном горизонте, а низ «стены в грунте» - в подольско-мячковском водоносном горизонте. На этом этапе были проведены дополнительные полевые работы, включающие в себя проведение лабораторных трехосных испытаний и полевых прессиометрических исследований толщи глинисто-мергелистых пород суворовской подсвиты, а также опытно-фильтрационных работ для оценки их фильтрационных свойств с целью прогнозирования вероятности перетекания из нижележащего подольско-мячковского водоносного горизонта. На территории ММДЦ, суворовский и подольско-мячковский водоносные горизонты гидравлически связаны за счет невыдержанности мощности относительно водоупорной глинисто-мергелистой толщи суворовских отложений. На основании результатов геофильтрационного моделирования вновь было принято решение о переносе фундаментной плиты.

Окончательные проектные решения предполагают размещение фундаментной плиты на глубине 30,5 м, что соответствует абсолютной отметке 102,5 м, в толще глинистых пород воскресенской подсвиты.

Также в результате моделирования с учетом проектных решений на соседних участках ММДЦ был спрогнозирован подъем уровня надъюрского водоносного горизонта в области распространения водоупорных отложений юрской системы, что приведет к подтоплению прилегающих территорий. Для минимизации барражного действия стены в грунте были даны рекомендации по проведению дренажных мероприятий.

Перманентное геомеханическое моделирование проводилось на всех стадиях разработки проектных решений с целью определения напряженно-деформированного состояния основания плитно-свайного фундамента башни с учетом результатов прогноза изменения гидрогеологической обстановки. Для представительного моделирования всего процесса строительства, была принята следующая последовательность расчетных этапов:

  • моделирование природного напряженно-деформированного состояния грунтового основания;
  • моделирование устройства ограждающей стены в грунте;
  • моделирование разработки котлована;
  • моделирование устройства плитно-свайного фундамента;
  • моделирование возведения высотного здания.

Расчеты проводились, согласно методике, для всех этапов последовательно, т. к. результаты предыдущего этапа являются начальным условием для последующего этапа. В результате проведенных расчетных исследований было смоделировано напряженно-деформированное состояние грунтового основания, при взаимодействии с плитно-свайным фундаментом в процессе возведения высотного здания.

Результаты работ показали, что вариант с расположением плиты на отметке 102,5 м, минимизирующий изменения гидрогеологической обстановки в процессе строительства, является наиболее сложным с точки зрения взаимодействия сооружения с грунтовым основанием. Моделируемые осадки плитно-свайного фундамента при возведении высотного здания развиваются неравномерно. При этом максимальная осадка прогнозируется в центральной части фундаментной плиты, где действующая нагрузка от здания передается на небольшую площадь через опоры лифтовых шахт (рис. 43). Для минимизации осадок сооружения были рассмотрены различные конфигурации плитно-свайного фундамента, различающиеся как расположением и конфигурацией свай, так и параметрами и конструкцией фундаментной плиты.

При определении оптимального варианта расположения свай на конечном этапе выбор делался между вариантом с тангенциальным и комбинированным расположением свай (рис. 44). Также был рассмотрен оптимизированный вариант с комбинированным расположением и утолщением плиты на 2 м в центральной части фундамента. Исследование показало, что, несмотря на то, что из всех перечисленных вариантов последний дает наименьшие прогнозируемые осадки, для полного удовлетворения требованиям Технического задания необходимо проведение дополнительного изучения влияния изменения длины свай на величину максимальной осадки и разности осадок под опорами лифтов и веерных колонн при постоянной толщине плиты и различных вариантах диаметра и величины ее утолщения. Были рассмотрены варианты с утолщением плиты в пределах различных ее осей в комбинации с выбором той или иной глубины заложения центральных свай, в результате чего было принято окончательное проектное решение.

Опыт проведения инженерно-геологических изысканий для строительства башни «Россия» можно назвать показательным. Именно на его основе был сформулирован принцип многовариантного проектирования высотных зданий. Однако реализован он был не в полной мере – процесс проведения многостадийных полевых работ занял продолжительное время, вследствие чего разработка окончательного проекта была перенесена на несколько месяцев. И связано это не с нехваткой производственных мощностей, а с бюрократическими проволочками, с которыми сопряжен процесс оформления разрешительной документации на проведение буровых работ в г. Москве. Этих сложностей можно было избежать, заложив все виды исследований, необходимые для расчета всех возможных вариантов фундаментного основания на стадии проведения первого этапа полевых работ. В данном случае этот шаг привел бы не только к экономии времени, но и к сокращению затрат на изыскания, позволив избежать необходимости бурения дополнительных скважин для отбора образцов, проведения прессиометрических испытаний и опытно-фильтрационных работ.

Автор: ЖИДКОВ РОМАН ЮРЬЕВИЧ