Рекомендации по инженерно-геологическим изысканиям для подземного гражданского и промышленного строительства. 1987

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ И НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО ИНЖЕНЕРНЫМ ИЗЫСКАНИЯМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ (ПНИИИС)
ГОССТРОЯ СССР

РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИМ ИЗЫСКАНИЯМ ДЛЯ ПОДЗЕМНОГО ГРАЖДАНСКОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

1987

Рекомендованы к изданию решением инженерно-геологической секции и секции инженерной защиты территорий и вычислительных методов в изысканиях Научно-технического совета ПНИИИС Госстроя СССР.
Приведены требования к составу, содержанию и объему инженерно-геологических изысканий, выполняемых для обоснования подземного строительства при разработке схемы комплексного использования подземного пространства городов, а также для обоснования проектирования и строительства отдельных локальных и линейных сооружений, транспортных тоннелей, подземных переходов, метрополитенов на разных стадиях проектирования.


Предисловие

Рост городов в условиях все возрастающего недостатка свободных земель и поиск путей улучшения окружающей среды вызывает необходимость освоения подземного пространства для гражданского и промышленного строительства. Под землей размещаются и планируется дальнейшее устройство инженерно-транспортных сетей и сооружений, предприятий торговли, общественного питания, бытового обслуживания, связи, зрелищных и спортивных сооружений, объектов промышленного назначения энергетики и др.
Для крупнейших и крупных городов страны (с численностью жителей соответственно более 500 тыс. и 200-500 тыс.), где дефицит городских земель особенно ощутим, разрабатываются схемы комплексного использования подземного пространства, предусматривающие размещение различного вида подземных сооружений в плане и по глубине. В схемах комплексного использования подземного пространства принято ярусное расположение подземных объектов: первый ярус охватывает зону глубин до 4-5 м, второй - от 4-5 до 20 м, третий - более 20 м (ГОСТ 20522-75. Грунты. Метод статистической обработки результатов определений характеристик).
Количество ярусов, глубины их заложения, характер использования могут меняться, определяясь различными причинами. В большинстве городов первый и второй ярусы издавна активно используются для размещения инженерных сетей - водоснабжения, канализации, газоснабжения, тепловых, кабельных сетей и инженерного оборудования: насосных станций, станций перекачки сточных вод, понизительных подстанций и др. В крупных городах к этому перечню добавляются подземные гаражи, склады, пешеходные переходы и др. В городах с населением более 1 млн. чел. сооружаются метрополитены на разных вертикальных уровнях до 50 м и более, но чаще глубина расположения подземных объектов достигает 10-20 м.
Размещение подземных объектов по глубине и в плане, этажность, размеры, конструкция, технология строительных работ во многом определяются инженерно-геологическими условиями. От правильной оценки этих условий изыскателями зависит устойчивость, долговечность подземного сооружения и безопасность производства строительных работ.
При подземном строительстве возрастает значение тех факторов, которые отсутствовали или не играли большой роли при наземном строительстве. К ним относятся: изменение напряженного состояния массива грунтов; возрастание температуры грунтов, обводненности с глубиной; изменение гидродинамических, гидрохимических условий, состояния и свойств грунтов; возникновение комплекса новых геологических процессов и явлений. Своевременно выявить эти факторы и оценить их влияние на производство строительных работ и сооружений является задачей изыскателей.
Уровень изыскательских работ определяется требованиями нормативно-методических документов: Инструкция по инженерным изысканиям для городского и поселкового строительства. СН 211-62; Инструкция по инженерным изысканиям для линейного строительства. СН 234-62; Инструкция по инженерным изысканиям для промышленного строительства. СН 225-79; Инструкция по инженерно-геологическим изысканиям для проектирования и строительства метрополитенов и горных железнодорожных тоннелей. ВСН 190-78, - составленных с учетом технической оснащенности изыскательских организаций и способов производства строительных работ, которые постоянно совершенствуются. Однако, перечисленные нормативные документы распространяются не на все виды подземного строительства. Отсутствуют нормативные документы, устанавливающие нормы изысканий для обоснования схем комплексного использования подземного пространства и для подземных объектов локального характера.
Все это обусловило необходимость разработки настоящих Рекомендаций, в которых излагаются требования к составу, содержанию и объемам инженерно-геологических изысканий для подземного строительства на разных стадиях градостроительного проектирования, в том числе для локальных и линейных сооружений, открытого и закрытого способов производства строительных работ с учетом специфики подземной геологической среды.
Глубина изысканий ограничивается 100 м, что отвечает максимальной глубине заложения метрополитена - типичного для городов подземного сооружения.
Рекомендации составлены на основе обобщения опыта инженерно-геологических изысканий для подземных сооружений, выполненных различными изыскательскими организациями Москвы, Харькова, Киева, Донецка, а также использования названных действующих нормативных документов и собственных разработок авторов.
Рекомендации разработаны ПНИИИС Госстроя СССР (канд. геол.-минер. наук А. И. Снобкова, д-р геол.-минер. наук Ф. В. Котлов) при участии Метрогипротранса Минтрансстроя СССР (канд. геол.-минер. наук Г. Н. Сазонов, канд. техн. наук В. А. Квашнин).

1. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНОГО ГРАЖДАНСКОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

1.1. Инженерно-геологические условия подземной среды во многом формируются факторами, несвойственными условиям наземного строительства, и с глубиной характеризуются следующими особенностями [6]:
возрастают напряженное состояние, температура грунтов, обводненность и водопритоки (до определенных глубин);
изменяются гидродинамические, гидрохимические условия, состояние, физико-механические свойства грунтов;
возрастает влияние структурно-тектонических условий и геодинамического состояния территории в формировании подземных геологических процессов и явлений.
1.2. Напряженное состояние грунтов формируется под влиянием сил гравитации, тектонических движений, гидродинамических, температурных, кристаллохимических факторов. В пределах осадочного чехла платформ до вскрытия массива грунтов подземными выработками давление в нем подчиняется гидростатическому закону, т.е. зависит от глубины выработки и от плотности вышележащих грунтов. На небольших глубинах от поверхности земли - 10-20 м вертикальные напряжения составляют десятые доли МПа, на глубинах 100-200 м - 2-3 МПа и т.д.
В грунтах кристаллического фундамента платформ, складчатых комплексов горно-складчатых областей под влиянием тектонических сил возникают напряжения гораздо большие, чем создаваемые силами гравитации (даже на глубинах 6-15 м). Горизонтальные напряжения в скальных грунтах могут в 2-10 раз превышать вертикальные напряжения. Как правило, очаги концентрации напряжений приурочены к тектоническим зонам. При изысканиях необходимо учитывать естественное напряженное состояние массива грунтов, существование повышенных горизонтальных напряжений и их направление. Это позволит ориентировать подземную выработку в пространстве таким образом, чтобы ослабить влияние повышенных горизонтальных напряжений, рекомендовать способы проходки, сводящие к минимуму деформации грунтов.
1.3. Температура грунтов в массиве и ее изменение зависят от структурно-тектонических условий, состава, состояния, теплопроводности грунтов, плотности теплового потока, близости к интрузиям и пр. Геотермический градиент (прирост температуры грунтов от уровня постоянных годовых температур на каждые 100 м углубления в недра земли) колеблется от 0,1-1 до 20 °С и составляет: в платформенных областях 1-3,5°, в горно-складчатых 1-6°, в пределах кристаллических щитов 0,6-1 °С. Температура грунтов и подземных вод учитывается при проектировании искусственного замораживания грунтов, систем вентиляции горных выработок и сооружений.
1.4. Глубина залегания и распространения подземных вод, обводненность грунтов обусловливаются геологической структурой, тектоникой территории, глубиной распространения тектонических нарушений, составом и состоянием грунтов, режимом питания, транзита и разгрузки подземных вод. Является закономерным уменьшение обводненности грунтов на больших глубинах (2000 м и более). Интервалы глубин снижения водопритоков в зависимости от названных факторов значительно варьируют. В горнодобывающих районах страны (Донбасс, Челябинский бассейн и др.) отмечено, что максимальные водопритоки в горные выработки наблюдаются до глубины 150-200 м (50-80 м3/ч). Так как гражданские и промышленные подземные объекты в городах строятся в основном на глубинах до 100 м, они чаще попадают в зону наибольшей обводненности, что следует иметь в виду при изысканиях, проектировании и строительстве. К оценке обводненности следует подходить дифференцированно, с учетом особенностей гидрогеологического разреза.
При изысканиях необходимо уделять внимание напорным водам. За счет напорного водоносного горизонта, расположенного ниже проектной отметки заложения подземного сооружения, возможно подпитывание снизу вышележащих водоносных пластов, которые будут вскрываться выработками. Кроме того, вскрытие напорных вод вызовет внезапное обводнение подземных выработок с неблагоприятными последствиями.
Обводненность грунтов возрастает в районах с большим количеством атмосферных осадков, с пересеченным рельефом (на пониженных участках), в зонах тектонических нарушений и повышенной трещиноватости.
1.5. Изменение состояния и физико-механических свойств грунтов с глубиной происходит у всех литолого-петрографических типов. В пределах глубин, на которых ведется строительство подземных объектов в городах, эти изменения наиболее заметны у дисперсных грунтов. У них уменьшается пористость, увеличивается плотность скелета, прочностные и деформационные свойства.
В глинистых, крупнообломочных и скальных (сланцы) грунтах под воздействием постоянных напряжений развиваются деформации ползучести. Ползучесть в глинистых грунтах проявляется обычно в течение строительного периода и выражается в виде выдавливания. В крупнообломочных грунтах и сланцах ползучесть развивается медленно - в течение ряда лет. Ее неблагоприятные последствия могут сказаться в незакрепленных выработках в период их эксплуатации.
1.6. При вскрытии массива грунтов подземной выработкой происходит разгрузка напряжений. Вокруг выработки в кровле и подошве образуется зона пониженных напряжений, где происходит упругое расширение грунтов, сопровождающееся их разрывом, расслоением, растрескиванием. Грунты разуплотняются, снижается их устойчивость. По поверхностям и в зонах ослабления происходит смещение блоков, глыб, кусков грунта в виде вывалов, обрушений, отжима, стреляний, осыпания, расслоения, выдавливания. Возрастает горное давление. Следствием его является пучение глин, глинистых сланцев, возрастание нагрузки на крепь и обделку сооружений. Нарушение гидрогеологических условий сопровождается развитием таких процессов, как прорывы подземных вод, плывунов, оплывание, растворение, антропогенное карстообразование, механическая суффозия. В газоносных зонах происходят прорывы газов, дегазация грунтов.
Развитие геологических процессов в подземных выработках сопровождается сдвижением грунтов кровли, образованием мульд оседания, трещин на поверхности, провальных воронок, деформацией зданий и сооружений.
1.7. Возникновение некоторых антропогенных геологических процессов и явлений обусловлено применением специальных способов ведения строительных работ.
Проходка под сжатым воздухом, осуществляемая в плывунных и водонасыщенных грунтах с большими гидростатическими напорами, сопровождается в определенных инженерно-геологических условиях утечками и прорывами воздуха через воздухопроницаемые грунты. Под их влиянием происходит выпучивание асфальта, увеличение притоков воды в соседние подземные выработки, подъем уровня грунтовых вод, затопление подвалов зданий, выбросы в атмосферу сжатого воздуха, воды, дисперсных грунтов.
Замораживание глинистых грунтов сопровождается их пучением (до 30-40 см), что приводит к поднятию поверхности земли, фундаментов зданий и сооружений, их деформациям. При оттаивании грунтов развиваются просадки, вызывающие дополнительные деформации поверхности и сооружений.
Искусственное водопонижение вызывает гидростатическое сжатие песчаных грунтов, дегидратационное уплотнение глинистых водоупоров при снятии напоров артезианских вод, сопровождаемые оседанием земной поверхности.
1.8. В период эксплуатации подземного сооружения могут развиваться подъем уровня подземных вод, подтопление, загрязнение водоносных горизонтов, а также завершается процесс сдвижения и оседания земной поверхности над сооружением, возведенным закрытым способом.
Подземные сооружения, перегораживая путь потоку подземных вод, вызывают уменьшение скорости и изменение направления движения потока, что приводит к подъему уровня подземных вод. Утечки хозяйственно-бытовых и промышленных вод из наземных и подземных объектов являются дополнительным источником подъема уровня. Подъем уровня подземных вод сопровождается набуханием глинистых, проседанием лессовых грунтов, снижением прочностных и деформационных свойств различных литологических разностей грунтов. В случае залегания
...