Проблемы оценки карстово-суффозионной опасности в г. Москве при выполнении инженерно-геологических изысканий

Развитие карстовых процессов в каменноугольных отложениях происходило наиболее интенсивно во время длительных континентальных перерывов. Когда большая часть территории представляла собой сушу, происходило существенное изменение рельефа, размыв ранее отложенных пород, образование глубоких речных врезов, с проникновением в толщу известняков пресных вод. Как следствие, изменения в толще карбонатных пород (закарстованные трещины, каверны, полости разных размеров, разрушение до дресвы и щебня) и развитие на поверхности скальных массивов воронок и карстовых форм.

В последующее геологическое время происходило накопление отложений песчано-глинистых пород, далее снова их неравномерный размыв и интенсивное карстообразование, заложение глубоко врезанных речных долин, которые снова заполнялись песчано-глинистым материалом. Таким образом, повышенная закарстованность карбонатных пород приурочена к погребенным речным долинам и притокам.

Карстовый процесс в Москве

Современная гидрографическая сеть имеет схожую пространственную направленность с наиболее интенсивным развитием карстовых процессов. В настоящее время на большей территории г. Москвы каменноугольные отложения перекрыты мощной толщей юрских глин, четвертичных суглинков, кроме достаточно узких зон в центральной и западной части города, долины р. Москвы и р. Яузы, где каменноугольные отложения залегают под хорошо проницаемыми четвертичными песками. Питание каменноугольных водоносных горизонтов осуществляется южнее, юго-западнее г. Москвы (в долине р. Пахры), где водовмещающие карбонатные породы выходят на поверхность или залегают неглубоко. Их разгрузка происходит в основном через четвертичные песчаные отложения в пределах долины р. Москвы.

Карстовые процессы развиваются исключительно при взаимодействии карбонатных пород с водой, основным источником питания подземных вод служат атмосферные осадки. По пути фильтрации в карбонатных отложениях к области разгрузки агрессивные подземные воды достигают равновесия с карбонатом кальция, и теряют способность его растворять. Поэтому в естественных условиях, до начала интенсивной эксплуатации каменноугольных водоносных горизонтов, техногенных и антропогенных воздействий, полностью отсутствовали условия для развития современных карстовых процессов [2].

Итак, карстовые процессы меняют формы рельефа и на глубине могут привести к образованию опасных провалов и неравномерных оседаний земной поверхности.

В настоящее время достоверно известные карстовые провалы зафиксированы на северо-западе Москвы, в районе Хорошевского шоссе.

…Поперечники известных провальных воронок изменяются от первых метров до 40 м, глубина – от 1,5м до 5,0-8,0 м, иногда и больше в зависимости от геолого-гидрогеологических условий. Наиболее крупные провалы приурочены, как правило, к участкам с определенным типом геологического строения, на которых скорость оседания земной поверхности превышает среднюю скорость оседания в 2-3,5 раза… (Петренко С.И.)

По инженерно-геологическим условиям не исключена возможность карстовых провалов и в центральной части Москвы на участках, приуроченных к доледниковым погребенным долинам р. Москвы, р. Яузы и их притокам.

Процесс карстового провала, обычно, происходит следующим образом. В результате снижения уровней подземных вод в каменноугольных отложениях и, как следствие, изменения направления и интенсивности движения воды, происходит вынос заполнителя карстовых полостей. Наличие гидравлической связи с водоносным горизонтом, насыщающим аллювиальные и флювиогляциальные четвертичные отложения, обеспечивает нисходящую фильтрацию через слабопроницаемую глинистую толщу небольшой мощности. Суффозионно-неустойчивые водонасыщенные пески и глинистые частицы выносятся в карстовые полости, и происходит оседание земной поверхности.

Оценка устойчивости грунтового массива и прогноз образования провалов и неравномерных оседаний земной поверхности должны проводиться путем комплексного изучения геологических и гидрогеологических условий территории, характера техногенных воздействий с применением расчетных моделей, стационарных, режимных наблюдений.

Нормативным документом для оценки карстово-суффозионной опасности на сегодняшний день является СП 11-105-97. Инженерно-геологические изыскания для строительства. Часть II. Правила производства работ в районах развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов [1].

Ниже приведен ряд требований и возможность их реализации.

Скважины для изучения карстово-суффозионных процессов на площадке строительства необходимо проходить на всю мощность закарстованной зоны, с заглублением не менее чем на 5 м в незакарстованные породы.

Это требование можно признать достаточно странным, учитывая, что на водораздельных территориях г. Москвы глубина залегания кровли каменноугольных отложений может превышать 100-120 м.

В районах с покрывающей толщей, сложенной нерастворимыми преимущественно глинистыми водонепроницаемыми породами, необходимо изучать и оценивать степень их водонепроницаемости и защитную способность в отношении проявления карста на земной поверхности. При мощности толщи, обеспечивающей защиту от возможности проявления карста на земной поверхности, допускается не вскрывать буровыми скважинами карстующиеся породы, ограничиваясь проверкой надежности защитного водоупора.

Отсутствие методики в нормативных документах по определению мощности водонепроницаемой толщи исключающей образование провала, делает это допущение ничтожным.

Закарстованные территории по степени устойчивости для строительства подразделяются на шесть категорий по показателю интенсивности провалообразования, численно равному среднегодовому количеству провалов на 1 км² [1]:

VI устойчивая (возможность провалов исключается);
V относительно устойчивые (А < 0,01);
IV с несколько пониженной устойчивостью (А=0,01-0,05);
III недостаточно устойчивые (А = 0,05…0,10);
II неустойчивые (А = 0,1…1,0);
I очень неустойчивые (А > 1,0).

Закарстованные территории в [1] также разделяются на категории устойчивости в зависимости от средних диаметров d карстовых провалов и локальных оседаний:

А d > 20 м;
Б d = 10…20 м;
В d = 3…10 м;
Г d < 3 м.

Определение значений показателей, требуемых для отнесения территории или ее части к той или иной категории, практически весьма затруднено.

Для детального районирования территории по категориям устойчивости на основе достоверных значений показателя интенсивности провалообразования требуется время оценки не менее 20 лет и площадь не менее 5 км². Отсутствие таких данных не позволяет в рамках инженерно-геологических изысканий определить показатель интенсивности провалообразования.

Из-за несовершенства расчетных методик и неопределенности отнесения того или иного поверхностного проявления к конкретному виду, определение категории устойчивости в зависимости от средних диаметров карстовых провалов весьма неоднозначно.

Также, согласно [1] необходимо выполнение детальных гидрогеологических исследований, проведение стационарных гидрогеологических и гидрометеорологических наблюдений в течение не менее одного года, применение геофизических полевых методов: наземные (зондирование и профилирование), при бурении скважин (каротаж), при гидрогеологических исследованиях (изучение путей и скоростей движения карстовых вод) и многое другое.

Практика выполнения оценки карстово-суффозионной опасности при проведении инженерно-геологических изысканий свидетельствует о том, что внедрение в производство этих научных разработок часто имеет отрывочный характер. В силу сжатых сроков, административных и финансовых ограничений, вместо полноценного комплекса работ, направленного на разработку проекта фундаментного основания, обеспечивающего минимизацию геологических рисков при одновременном сокращении экономических и временных затрат, выполняется расчет возможного диаметра карстового провала по общепринятым методикам. Таким, образом, работы при проведении инженерно-геологических изысканий практически не соответствуют требованиям, и в результате в проект закладываются заведомо недостоверные данные, к которым применяются завышенные коэффициенты запаса, призванные исключить строительные риски. Это приводит к существенному удорожанию проекта и увеличению сроков строительства.

Еще одна тема, связанная с выполнением оценки карстово-суффозионной опасности – проблема применения геоинформационных систем и технологий компьютерного моделирования. Многими изыскателями подчеркивается необходимость использования огромных массивов фондовой информации, накопленной в результате многолетней истории проведения инженерно-геологических изысканий на территории города, для чего необходима их систематизация и обобщение, переведение в цифровой вид.

Проблема карстово-суффозионной опасности на территории г. Москвы существует. Однако ее решение согласно нормативным документам в составе инженерно-геологических изысканий практически невозможно по ряду причин: сжатые сроки проведения работ, административные (изыскания в границах проектирования) и финансовые ограничения.

Экспресс-метод по оценке карстово-суффозионной опасности.

Бурение двух скважин с заглублением 5-10 м в каменноугольные отложения.
Расчёт критического радиуса ослабленной зоны, при котором многослойная песчано-глинистая толща будет находиться в предельно устойчивом состоянии.
Согласно предложенной В.М. Кутеповым [5] оценки устойчивости закарстованных территорий методом анализа напряженного состояния массивов горных пород устойчивое состояние массивов пород над ослабленными зонами (карстовыми полостями) будет обеспечено, если удерживающие силы N равны или больше сдвигающих T сил:

N>=T

Отношение удерживающих к сдвигающим силам оценивается коэффициентом устойчивости К массива пород по формуле:

K=N/T

Определение коэффициента устойчивости основано на анализе закономерностей формирования напряженно-деформированного состояния массивов пород, расчете сдвигающих и удерживающих сил и выявления соотношения между ними в толще пород, перекрывающих ослабленную зону. Сдвигающие силы соответствуют давлению перекрывающей толщи на кровлю ослабленной зоны. Удерживающие силы равняются произведению площади эпюр бокового давления (в глинистых породах с учетом удельного сцепления) на длину окружности, радиусом которой является радиус вращения общего центра тяжести эпюр вокруг цилиндра [5].
Оценка механической суффозионной устойчивости песков по методике ВНИИГ [4].

Принимается, что без ущерба для конструкции здания из грунта могут быть вынесены самые мелкие частицы, количество которых не превышает 3-5% по массе.
Геофизические исследования (например, профилирование МОВ-ОГТ) направлены на выявление аномальных зон, потенциально связанных с зонами развития карстово-суффозионных процессов.

В случае обнаружения потенциально опасных карстовых структур в каменноугольных отложениях, производится дополнительное бурение с целью их изучения и при необходимости проведения каротажа;
На основании выполненных буровых работ, геофизических исследований и аналитических расчётов дается оценка карстово-суффозионной опасности.

Предложенный комплекс исследований и расчетов не является исчерпывающим, однако он выполним в рамках инженерно-геологических изысканий и более приближен к реальности, нежели присвоение категории устойчивости закарстованной территории с использованием расчетных методик для которых диаметр карстового провала всегда больше нуля.

Список литературы

СП 11-105-97. Часть II. «Инженерно-геологические изыскания для строительства.
Москва. Геология и город. РАН. Институт Геоэкологии. Мосгоргеотрест, М., 1997.
Рекомендации по проектированию фундаментов на закарстованных территориях, НИИОСП, М., 1985.
Рекомендации по методике лабораторных испытаний грунтов на водопроницаемость и суффозионную устойчивость, ВНИИГ, Л., 1983 г.
Оценка устойчивости закарстованных территорий методом анализа напряженного состояния массивов горных пород. В.М. Кутепов, ЦП НТГО, М., 1986.
Комплект тематических геологических крупномасштабных карт территории города Москвы. Масштаб 1:10000, ГУП «Мосгоргеотрест», ИГЭ РАН, НПП «Георесурс». Москва, 2009.