Инженерно-геологические изыскания для проектирования и строительства подземных сооружений должны обеспечить комплексное изучение инженерно-геологических условий площадки строительства, а также получение данных для разработки в случае необходимости защитных мероприятий, обеспечивающих сохранность окружающей застройки.
Инженерно-геологические изыскания должны выполняться в соответствии с требованиями СНиП 11-02-96 и СП 11-105-97 (ч. I — IV) и учетом положений настоящего раздела.
При назначении состава и объема инженерно-геологических изысканий необходимо учитывать уровень ответственности сооружений и сложность инженерно-геологических условий.
Для подземных сооружений I уровня ответственности, а в сложных инженерно-геологических условиях, как правило, и II уровня ответственности для составления технического задания и программы изысканий рекомендуется привлекать специализированные организации по геотехнике. Программу изысканий необходимо подвергать геотехнической экспертизе.
В состав инженерно-геологических изысканий должны входить:
— сбор, изучение и обобщение архивных материалов изысканий;
— исследование геологического строения площадки;
— выявление гидрогеологического режима, химического состава подземных вод и фильтрационных характеристик грунтов;
— полевые исследования физико-механических свойств грунтов;
— лабораторные исследования физико-механических свойств грунтов;
— геофизические исследования;
— исследование опасных геологических и инженерно-геологических процессов и оценка степени инженерно-геологического риска социальных и экономических потерь, обусловленных их развитием;
— обследование грунтов оснований существующих зданий и сооружений;
— составление прогноза изменений инженерно-геологических и гидрогеологических условий в связи со строительством;
— камеральная обработка материалов и составление технического отчета (заключения) по результатам изысканий.
В необходимых случаях в соответствии с техзаданием и программой изысканий могут выполняться опытные работы, стационарные наблюдения, а также мониторинг отдельных компонентов геологической среды (см. разд. 8).
При инженерно-геологических изысканиях для проектирования подземных сооружений в зависимости от их назначения, уровня ответственности, конструктивных особенностей и глубины расположения необходимо выявлять и изучать:
— тектонические структуры, разрывные и складчатые нарушения;
— древние эрозионные долины;
— глубину залегания скальных грунтов;
— наличие в толще дисперсных грунтов прослоев трещиноватых скальных грунтов;
— ожидаемые водопритоки в котлованы и подземные выработки, величины напора в горизонтах подземных вод, наличие и толщину водоупоров и их устойчивость против прорыва напорных вод;
— наличие и распространение специфических грунтов и грунтов, склонных к проявлению плывунных, тиксотропных и суффозионных свойств и виброползучести;
— наличие и местоположение других подземных сооружений: линий метро, тоннелей, инженерных коммуникаций, а также старых подвалов, колодцев, подземных выработок, буровых скважин и пр.;
— динамические воздействия от существующих сооружений.
Для эффективного решения задач подземного строительства необходимо инженерно-геологическое, геотехническое, а также экологическое районирование городских территорий.
Необходимо создание и ведение единой геоинформационной системы геологической среды городов в пределах фактических глубин зон взаимодействия ее с подземными и наземными сооружениями, а также составление соответствующего комплекта карт инженерно-геологического, геоэкологического и геотехнического районирования территории городов с учетом зон различной техногенной нагрузки, вида, плотности и давности застройки, зон актуального и потенциального геологического, геотехнического и геоэкологического рисков.
При проведении горных работ для строительства локальных подземных сооружений в котлованах с использованием постоянных ограждающих конструкций («стена в грунте», шпунт, сваи разного вида и пр.) дополнительные скважины должны быть размещены по контуру сооружения с шагом не более 20 м.
Инженерно-геологическое строение площадки должно быть изучено на глубину не менее 1,5Hc + 5 м, где Hc — глубина заложения подошвы ограждающей конструкции, но не менее 10 м от подошвы ограждающей конструкции. На указанную глубину должно быть пройдено не менее 30 % скважин, но не менее трех скважин.
При проектировании локальных подземных сооружений в котлованах без применения ограждающих конструкций глубина скважин должна быть не менее 1,5Hк + 5 м, где Hк — глубина котлована от планировочной отметки.
При строительстве подземного сооружения на свайных фундаментах или комбинированном свайно-плитном фундаменте глубина инженерно-геологических выработок должна быть не менее чем на 5 м больше проектируемой глубины заложения нижних концов свай при рядовом их расположении и нагрузках на куст свай до 3 МН и на 10 м больше — при нагрузках на куст более 3 МН и свайных полях размером до 10´10 м. При свайных полях размером более 10´10 м и применении комбинированных свайно-плитных фундаментов глубина выработок должна превышать предполагаемое заглубление свай не менее чем на ширину свайного поля или плиты, но не менее чем на 15 м.
При строительстве зданий повышенной этажности и высотных с подземной частью на плитном фундаменте при нагрузках р на плиту от 400 до 600 кПа глубина бурения ниже глубины ее заложения должна составлять не менее:
— при ширине плиты В = 10 м — (1,3 — 1,6)В для квадратной плиты и (1,6 — 1,8)В — для прямоугольной с соотношением сторон η = 2;
— при ширине плиты В = 20 м — (1,0 — 1,2)В для квадратной плиты и (1,2 — 1,4)В — для прямоугольной с соотношением сторон η = 2;
— при ширине плиты В = 30 м — (0,9 — 1,05)В для квадратной плиты и (1,0 — 1,25)В — для прямоугольной с соотношением сторон η = 2.
Для промежуточных значений В, р и η глубина бурения назначается по интерполяции.
При наличии ниже указанных в пп. 3.1.9 и 3.1.10 глубин слоев специфических грунтов (рыхлых песков, слабых глинистых, органо-минеральных и органических грунтов и др.) глубина выработок определяется с учетом необходимости их проходки и установления глубины залегания подстилающих грунтов и определения их характеристик.
Размещение инженерно-геологических выработок по трассе линейных подземных сооружений должно быть неравномерным и отвечать задаче выявления особенностей подземной геологической среды. Они сгущаются на участках сочленения различных форм рельефа, сложного геологического строения, развития геологических процессов.
Для проектирования и строительства подземных переходов, сооружаемых открытым способом, рекомендуется располагать скважины на расстоянии до 30 м, а при сложном геологическом разрезе оно должно быть сокращено до 10 — 15 м.
Глубина проходки скважин должна приниматься в соответствии с рекомендациями пп. 3.1.7 — 3.1.8.
Для проектирования коллекторов различного назначения расстояние между скважинами по трассе рекомендуется принимать до 50 м, а на участках пересечения трассой различных геоморфологических элементов, в сложных инженерно-геологических условиях, а также при строительстве в условиях существующей застройки сокращать до 20 м.
В сложных инженерно-геологических условиях рекомендуется трассу линейных сооружений дополнять поперечниками. Расстояние между поперечниками и между скважинами на поперечнике должно быть не более 50 м.
Глубина скважин для коллекторов, сооружаемых закрытым способом, должна быть не менее Н0 + 2D, где Н0 — глубина заложения низа обделки, D — диаметр или поперечный размер обделки.
Для уточнения инженерно-геологического строения, особенно при строительстве линейных подземных сооружений, следует, как правило, предусматривать статическое зондирование грунтов, размещая точки зондирования около буровых скважин и между ними.
Для определения модуля деформации грунтов необходимо предусматривать полевые испытания штампами в количестве не менее трех или прессиометрами в количестве не менее шести для каждого выделенного инженерно-геологического элемента.
Лабораторные исследования должны в первом приближении моделировать работу грунта в условиях изменяющегося напряженно-деформированного состояния при устройстве подземного сооружения. В частности, испытания грунта в компрессионных приборах и приборах трехосного сжатия необходимо проводить в диапазоне действующих в основании сооружения напряжений и предусматривать реконсолидацию образцов грунта.
При проектировании подземных сооружений I и, как правило, II уровня ответственности по специальному заданию проектной организации дополнительно полевыми и лабораторными методами могут быть определены следующие физико-механические характеристики дисперсных и скальных грунтов:
— модуль деформации Е для первичной ветви компрессии (Ес1), для ветви декомпрессии (Ed) и ветви вторичной компрессии (Ec2); декомпрессию и вторичную (повторную) компрессию образцов следует выполнять для тех же диапазонов напряжений, что и первичную компрессию;
— коэффициент поперечной деформации v;
— параметры ползучести глинистых грунтов δcrp и δi,crp (СНиП 2.02.02-85*);
— прочностные характеристики: угол внутреннего трения φ и удельное сцепление c, определяемые для условий, соответствующих всем этапам строительства и эксплуатации подземного и заглубленного сооружения;
— коэффициент морозного пучения Кh, удельные нормальные и касательные силы морозного пучения σh и τh;
— коэффициент фильтрации k грунтов;
— коэффициент крепости f (по Протодьяконову) и классификационные характеристики массивов скальных пород (СНиП 2.02.02-85*): модуль трещиноватости Mj, показатель качества породы RQD, коэффициент выветрелости Kw.
Значения модулей деформации по результатам лабораторных испытаний следует корректировать на основе результатов полевых испытаний грунтов штампами или прессиометрами.
При обосновании могут определяться по специальному заданию проектной организации другие классификационные и физико-механические (например, реологические) характеристики грунтов.
При необходимости по специальной программе в ходе инженерно-геологических изысканий с привлечением специализированных геотехнических организаций следует выполнять измерения напряжений в массивах горных пород и грунтов; опытные полевые работы по водопонижению, закреплению и заморозке грунтов, устройству буровых свай и захваток «стены в грунте» и другие исследования.
При необходимости следует также проводить мониторинг отдельных компонентов геологической среды (см. 3.3).
Гидрогеологические исследования следует выполнять с целью изучения режима подземных вод. Должны быть исследованы: характер водоносных горизонтов; уровни, направление и скорость движения подземных вод; обводненность; ожидаемые водопритоки в котлованы; величины напоров; наличие и толщина водоупоров и их устойчивость против прорыва напорных вод; химический состав подземных вод и их агрессивность по отношению к материалу сооружения; гидростатическое давление на конструкции сооружения; фильтрационные свойства грунтов. Должны быть получены исходные данные для проектирования дренажных и противофильтрационных систем и водопонижения.
Для сложных подземных сооружений, строительство которых сопровождается устройством противофильтрационных завес и дренажных систем, коэффициент фильтрации грунтов необходимо определять полевыми методами.
При проектировании подземных сооружений, перекрывающих частично или полностью естественные фильтрационные потоки в грунтовом или скальном массиве, а также изменяющих условия и пути фильтрации подземных вод, следует выполнять прогноз изменений гидрогеологического режима площадки строительства, в частности прогноз возможности образования барражного эффекта и подтопления окружающей территории.
Гидрогеологическое прогнозирование осуществляется на основе геофильтрационных моделей с использованием данных, полученных при анализе и обработке материалов инженерно-геологических изысканий, а также фондовых материалов.
В комплексе с прямыми полевыми и лабораторными исследованиями грунтов должны проводиться, как правило, геофизические исследования, которые позволяют установить:
— литологическое строение массива грунтов с выделением основных инженерно-геологических и структурных элементов;
— степень однородности массива грунта по исследуемым свойствам;
— наличие в инженерно-геологическом разрезе слоев и структур, обладающих пониженной плотностью (насыпных грунтов, илов, сапропелей, заторфованных грунтов и торфов и др.);
— наличие в массиве грунта погребенных объектов и пустот;
— наличие закарстованных участков и зон повышенной трещиноватости в карстующихся породах;
— наличие древних эрозионных долин;
— положение уровня и режим подземных вод, наличие водоупоров;
— физико-механические свойства грунтов.
При проведении геофизических исследований целесообразно комплексирование отдельных методов (вследствие их различной разрешающей способности по отношению к физическим свойствам грунтов) с целью повышения достоверности результатов и с целью получения более полной информации об участке работ.
При подземном строительстве с помощью геофизических методов, помимо задач общего плана, могут быть решены следующие задачи:
— детальное изучение грунтов по трассе подземного сооружения (тоннеля, коллектора и т.д.) с определением участков слабых и трещиноватых грунтов при помощи наземных и скважинных методов;
— определение мест водопритоков и разгрузки подземных вод;
— определение зоны влияния устройства подземного сооружения на вмещающие грунты и близрасположенные здания.
При подземном строительстве целесообразно использовать следующие методы: детальную сейсморазведку, высокочастотную электроразведку (в вариантах метода скользящей точки, синхронного зондирования и профилирования), метод становления поля, радиолокационный широкополосный метод, детальную гравиразведку. Эти методы необходимо сочетать с геофизическим исследованием скважин, пробуриваемых по трассе с небольшим интервалом между ними с выполнением тех или иных межскважинных просвечиваний.
Для установления наличия карста и оценки степени карстовой опасности следует, как правило, предусматривать проведение геофизических исследований для определения глубины залегания карстующихся пород, оценки условий залегания, толщины и состава покрывающих их грунтов, изучения режима подземных вод. Методы геофизики позволяют выявить карстовые полости, которые не всегда могут быть обнаружены бурением, и определить их конфигурацию и размеры, а также степень закарстованности. Для указанных целей следует применять следующие геофизические методы: сейсморазведку, вертикальное электрическое зондирование, дипольное индукционное профилирование, гравиметрический метод.
Геофизические методы рекомендуется применять для мониторинга изменения компонентов геологической среды на участках, представляющих опасность в геологическом и инженерно-геологическом отношении (зоны развития карстовых и суффозионных явлений, оползневые процессы, подтопление, зоны развития неустойчивых грунтов и т.д.). Мониторинг целесообразно осуществлять при помощи геофизических методов, обеспечивающих необходимую точность определения изменения свойств грунтов или геологических границ. К ним, прежде всего, относятся скважинные методы (радиоизотопные методы измерения плотности и влажности, акустические методы прозвучивания, радиоволновые методы межскважинного просвечивания).
В процессе инженерно-геологических изысканий на участках проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов необходимо устанавливать площадь их проявления и глубину интенсивного развития, приуроченность к определенным геоморфологическим элементам и литологическим видам грунтов, условия, причины, формы и динамику образования, развития и активизации.
Горные выработки необходимо проходить не менее чем на 3 — 5 м ниже зоны активного развития опасных процессов — поверхностей скольжения оползневых тел, предполагаемой глубины карстообразования и т.д.
Технический отчет по изысканиям должен включать раздел «Опасные геологические процессы», содержащий их детальную характеристику, прогноз развития при строительстве и эксплуатации подземного сооружения и оценку геологических рисков.