Александрова О.Ю., Волкова А.В., Евтушенко М.В
ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОСВОЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА
Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет) (СПГГИ (ТУ)), e-mail: eremeevaa@mail.ru
Проблема освоения и использования подземного пространства имеет особое значение в пределах исторического центра Санкт-Петербурга, приуроченного к островной части мегаполиса. Наиболее актуальной задачей на этой территории является сохранение архитектурных и исторических памятников, а также жилого фонда. Около 80 % зданий и сооружений исторического центра требует принятия срочных мер по спасению от повреждений и разрушений в результате неравномерных осадок, а также неудовлетворительного состояния кладки фундаментов и стен подвалов. Строительство сооружений различного назначения и реконструкция зданий в условиях плотной застройки исторической части города часто сопровождается возникновением аварийных и предаварийных ситуаций за счет активизации природно-техногенных и техногенных процессов в подземном пространстве, развитие которых определяется особенностями инженерно-геологических и геоэкологических условий.
Специфика инженерно-геологического разреза четвертичной толщи исторического центра, приуроченного к низкой Литориновой террасе связана с наличием погребенных долин, определяющих положение кровли коренных верхнекотлинских глин венда и соответственно мощность четвертичных отложений: вне палеодолин она составляет 17-30м, в тальвеговых зонах палеодолин возрастает до 100-120м, где отмечается полный диапазон четвертичных стратиграфо-генетических комплексов и наличие нескольких напорных водоносных горизонтов. Особенностью геолого-литологического строения четвертичных отложений в историческом центре Санкт-Петербурга является наличие в разрезе болотных образований мощностью более 2,0м, которые в период освоения и подъема территории оказались погребенными под техногенными отложениями. Повсеместное распространение в исторической части города имеют литориновые отложения, представленные водонасыщенными песками, супесями и суглинками с органикой с ярко выраженными плывунными и тиксотропными свойствами. Озерно-ледниковые суглинки и глины Балтийского ледникового озера, завершающие разрез верхнечетвертичных образований, имеют ленточную текстуру, анизотропию фильтрационных свойств и характеризуются как слабые водонасыщенные грунты, обладающие большой и неравномерной сжимаемостью, низкой прочностью. Моренные суглинки и супеси Лужской стадии оледенения характеризуются неоднородным гранулометрическим составом, высокой плотностью, относительно невысокой влажностью и значительной изменчивостью показателя консистенции.
Согласно традиционной точке зрения в инженерно-геологической практике, моренные отложения имеют высокие параметры прочности и модуля общей деформации и рассматриваются как надежный несущий слой для свайных фундаментов. Однако, в практике строительства и эксплуатации зданий и сооружений на свайных фундаментах, опирающихся на моренные отложения, реальные осадки могут значительно превосходить расчетные значения, что связано с недооценкой особенностей формирования моренных отложений и их загрязнения.
На территории города важное практическое значение для строительства имеют верхнекотлинские глины венда, в которых проходит большая часть перегонных тоннелей метрополитена. Кроме того, вендские глины вне зон палеодолин и на их склонах могут служить надежным несущим слоем для свайных фундаментов при условии, что вышележащие морены не могут быть использованы в силу специфики их деформационного поведения как квазипластичной среды.
Особое геоэкологическое значение имеет фактор загрязнения подземной среды города утечками из канализационной системы и свалок хозяйственно-бытовых отходов. Канализационная система рассматривается как региональный источник загрязнения подземного пространства города микробиотой, органикой и неорганическими компонентами, которые служат питательными субстратами для микробиоты. Химический состав коммунально-бытовых стоков довольно стабилен: азот аммонийный - 60-130 мг/л, хлориды - 70-190 мг/л, фосфаты, сульфаты, соли калия, натрия и др. Показатель биохимического потребления кислорода (БПК20) этих вод составляет 85% от величины ХПК (химического потребления кислорода), которая составляет 35-120мгО2/л.[1] Нерастворимые вещества присутствуют в форме взвесей, при этом их коллоидная часть представлена белками, жирами, углеводами. Количество бактерий в 1 мл сточных вод достигает 107-108 клеток. Основная часть бактерий принадлежит сапрофитам. При наличии свободного кислорода в коммунально-бытовых стоках активно действуют нитрифицирующие микроорганизмы, а в бескислородной среде √ аммонифицирующие, сульфатредуцирующие, метанообразующие, широко распространены также грибковые культуры и микроводоросли.
Длительность и непрерывность загрязнения канализационными стоками способствует процессу негативного изменения химического состава грунтовых вод, а также состояния и свойств вмещающих и подстилающих пород. Наиболее неблагоприятная ситуация, рассматриваемая с позиции риска освоения и использования подземного пространства возникает на тех участках, где проявляется совместное воздействие погребенных болот и загрязнения подземных вод. Захоронение болот под толщей техногенных образований, имеющих малую газо- и водопроницаемость приводит к формированию бескислородных окислительно-восстановительных условий (Eh снижается до минус 100 мВ и менее) и активизации анаэробных форм микроорганизмов в богатой природными и привнесенными питательными субстратами обводненной грунтовой толще. Захоронение болотных массивов в пределах Санкт-Петербурга провоцирует возникновение такого опасного процесса как биохимическое образование метана. Выбросы газонасыщенных разжиженных грунтов и возгорание метана фиксировались в Центральном, Невском и Красногвардейском районах, в Купчино и др. В подземном пространстве города имеет место также природный метаногенез, связанный с межледниковыми микулинскими слоями и послеледниковыми литориновыми песчано-глинистыми отложениями [2].
Развитие строго восстановительных условий в подземном пространстве за счет окисления органики сопровождается переходом соединений трехвалентного железа, играющего цементирующую и агрегирующую роль в дисперсных породах, в двухвалентную подвижную форму, что вызывает снижение прочности и несущей способности этих отложений в основании существующих зданий и сооружений. Разнообразие и активность природной и привнесенной микрофлоры, которая мигрирует вниз по разрезу на глубину 100м и более, определяет специфику негативных изменений песчано-глинистых пород. Результатом активизации микробиологической деятельности в условиях застойного гидродинамического режима подземных вод является накопление бактериальной массы микроорганизмов, продуктов их метаболизма, которые сорбируются на минеральных частицах дисперсных пород, что приводит к повышению содержания коллоидной фракции, способствует формированию тонкой пористости, снижению проницаемости и водоотдачи в песчаных грунтах. Глинистые грунты с высоким содержанием бактериальной массы переходят в квазипластичные разности. Определения бактериальной массы по Бредфорду показали высокие содержания микробного белка в литориновых отложениях до 150 мкг/г, озерно-ледниковых √ до 280мкг/г и моренных √ 130-150мкг/г, а также в верхней части разреза вендских глин вне погребенных долин √ до 270 мкг/г, при среднем содержании √ 160-180 мкг/г [3].
При загрязнении грунтовых вод канализационными стоками имеет место также процесс восстановления серы при участии сульфатредуцирующих микроорганизмов, что приводит к образованию сероводорода и гидротроилита в виде черных сажистых пятен. Накопление малорастворимых биохимических газов (СН4, N2, Н2 и др.) с одновременным ростом биомассы вызывает разуплотнение песчано-глинистых отложений, сопровождающееся снижением их прочности и модуля общей деформации на 50-75% в течение 2-3 лет, а также способствует формированию тиксотропных свойств и высокого уровня чувствительности к динамическим нагрузкам. Газонасыщение песчаных отложений снижает их угол внутреннего трения, что ускоряет переход песков в состояние тяжелой жидкости.
Подобные негативные изменения основных компонентов подземной среды города определяют риск развития процессов, связанных с изменением напряженного состояния грунтов, провоцируют развитие дополнительных осадок зданий, часто превышающих предельно допустимую величину, которая по нормам ТСН-50-302-96 для старинных зданий Санкт-Петербурга составляет 2-3 см. Кроме того, в пределах откосов многочисленных рек и каналов города фиксируются оползневые деформации, приводящие к нарушению условий нормального функционирования инженерных коммуникаций и прилегающих зданий.
Интенсивная биохимическая генерация растворимых в воде газов (СО2, H2S) наряду с накоплением таких продуктов метаболизма бактерий способствует повышению агрессивности подземных вод и грунтов по отношению к строительным материалам подземных конструкций: бетону, железобетону, стали, дереву и даже керамике.
Литература
1. Дашко Р.Э., Норова Л.П., Руденко Е.С. Исторический
анализ эволюции экологического состояния подземного пространства Санкт-Петербурга:
причины и последствия. // В сборнике ╚Культура и природа древнего города╩
М., ГЕОС, 1998.
2. Дашко Р.Э. Анализ и оценка геоэкологического состояния
подземного пространства Санкт-Петербурга // Материалы годичной сессии ╚Сергеевские
чтения╩, Вып.3, М., ГЕОС, 2001.
3. Дашко Р.Э. Микробиота в геологической среде: ее роль
и последствия. // Материалы годичной сессии ╚Сергеевские чтения╩, Вып.2,
М., ГЕОС, 2000г.