Мониторинг при строительстве и эксплуатации подземных сооружений

1. Геотехнический мониторинг

При строительстве заглублённых и подземных сооружений в зону их влияния попадает существующая застройка. Проблема её сохранения особенно актуальна в связи с широкомасштабной реконструкцией исторических центров крупных городов с освоением подземного пространства. При реконструкции городских центров сооружаются отдельно расположенные подземные комплексы, в том числе транспортные, возводятся новые здания с подземной частью в условиях тесной городской застройки или реконструируются существующие здания с существенным понижением отметки пола подвала.

При этом выделяют собственно подземные сооружения, над верхней отметкой которых залегает толща грунта естественного сложения, и заглублённые сооружения. К подземным сооружениям следует отнести тоннели метрополитена, транспортные и коммуникационные тоннели. У заглублённых сооружений верхняя отметка находится на уровне поверхности земли. Заглублёнными сооружениями чаще всего являются подземные гаражи, торговые комплексы, подземные переходы, подвалы зданий и т. п.

Другим отличием заглублённых и подземных сооружений может служить способ их устройства. Так, подземные сооружения устраиваются, как правило, закрытой (щитовой) проходкой, а заглублённые сооружения — открытым способом.

Влияние строящегося подземного (заглублённого) сооружения или реконструируемого объекта с подземной частью на окружающую застройку заключается в изменении напряжённо-деформированного состояния массива грунта в основании существующих зданий от выемки грунта или нагрузок от соседнего здания, а также в возможном изменении гидрогеологического режима, что может привести к дополнительным осадкам из-за гниения голов свай в основании многих исторических памятников или вследствие суффозии и т. п. Кроме того, возможны дополнительные осадки рядом расположенных сооружений вследствие технологических воздействий от строительства (вибрации, динамических воздействий) или нарушения технологии производства работ.

При этом в зоне влияния подземного (заглублённого) сооружения оказываются здания, имеющие историческую, культурную или хозяйственную ценность. Возникает проблема обеспечения безопасности существующих исторических памятников, которые зачастую находятся в неудовлетворительном состоянии.

В качестве инструмента для обеспечения безопасности исторической застройки предлагается геотехнический мониторинг.

Назначение, цели и задачи мониторинга

1. Мониторинг следует выполнять в процессе строительства подземных сооружений, а в необходимых случаях и в начальный период их эксплуатации.

Мониторинг, как правило, следует организовывать:

• для строящихся подземных сооружений I уровня ответственности;
• для строящихся подземных сооружений II уровня ответственности в сложных инженерно-геологических условиях;
• для существующих зданий и сооружений, попадающих в зону влияния подземного строительства в условиях тесной застройки, а также в других случаях, предусмотренных техническим заданием.

В состав проекта строительства подземных сооружений следует включать требования к проведению мониторинга.

2. Мониторинг подземных сооружений предназначен для обеспечения надёжности строительства подземных сооружений и сохранения зданий и сооружений, находящихся в зоне их влияния, а также защиты окружающей среды с учётом возможных негативных последствий строительства.

3. Целью мониторинга является оценка воздействия строительства подземного сооружения на окружающие здания и сооружения, на атмосферную, геологическую и гидрогеологическую среду в период строительства и эксплуатации, разработка прогноза изменения их состояния, своевременное выявление дефектов конструкций, предупреждение и устранение негативных процессов, уточнение результатов прогноза и корректировка проектных решений.

4. В задачи мониторинга входит разработка решений по обеспечению сохранности и надёжности окружающей застройки, предупреждению и устранению дефектов конструкций зданий и сооружений, недопущению негативных изменений окружающей среды, а также осуществление контроля за выполнением принятых решений.

5. В процессе мониторинга должен рассматриваться весь комплекс статических, динамических и иных техногенных воздействий, приводящих к качественному и количественному изменению характеристик состояния зданий и сооружений (под воздействием строительства подземных сооружений), в т.ч. к потере ими пригодности к эксплуатации. В случае необходимости должны разрабатываться конструктивные или иные меры защиты для обеспечения ихаэткасцпилоунной надёжности.

6. При проведении мониторинга, как правило, следует определять:

• осадки, крены и горизонтальные смещения конструкций подземного сооружения, а также окружающих зданий и сооружений, расположенных в зоне влияния строительства;
• техническое состояние конструкций строящегося подземного сооружения и окружающих зданий и сооружений;
• деформации ограждающих и распорных конструкций и значения усилий в них;
• усилия в анкерах конструкций;
• напряжения и деформации в грунтовом массиве;
• пьезометрические напоры воды в грунтовом массиве;
• расходы воды, фильтрующей в массиве грунта, вмещающем подземные сооружения;
• температуру грунтов в массиве;
• эффективность работы дренажных, водопонизительных и противофильтрационных систем;
• уровень колебаний подземного сооружения при его строительстве рядом с тоннелями метрополитена и другими источниками вибрационных и динамических воздействий.

7. При проектировании подземных сооружений должны быть предусмотрены инженерные мероприятия по защите зданий и сооружений от недопустимых деформаций.

8. При строительстве подземных объектов в районах с плотной застройкой и наличием исторических памятников и памятников архитектуры мониторинг осуществляется под руководством научно-технического координационного совета, который создаётся из представителей заказчика, проектировщика, строительной организации и районных органов надзора и контроля, а также в случае необходимости — органов охраны исторических памятников.

9. Мониторинг должен проводиться по специально разработанному проекту или программе. К выполнению мониторинга должны привлекаться специализированные организации, имеющие лицензии на проведение этих работ.

Состав мониторинга:

1. Состав и объём мониторинга должны назначаться в зависимости от уровня ответственности сооружений, их конструктивных особенностей, категории сложности инженерно-геологических условий, способа возведения подземного сооружения, плотности окружающей застройки и других условий.

2. В составе мониторинга необходимо предусматривать:

• сбор и анализ технических данных по конструкциям подземных и надземных частей зданий и сооружений;
• обследование существующих зданий и сооружений, в том числе подземных коммуникаций, попадающих в зону влияния нового строительства;
• разработку требований по допускаемым предельным деформациям зданий и сооружений;
• определение расчётных величин геотехнического прогноза, включая оценку влияния подземного строительства и производства работ на существующие здания и сооружения;
• разработку мероприятий по устранению негативных последствий подземного строительства.

3. Мониторинг целесообразно осуществлять с использованием комплексной автоматизированной программы, позволяющей оперативно выявлять все возникающие отклонения, устанавливать необходимые взаимосвязи и регулировать весь процесс в целом.

Общие требования к мониторингу

1. Выбор системы наблюдений производят в зависимости от целей и задач мониторинга, результатов расчётных прогнозов, скорости протекания процессов, точности измерений и продолжительности их во времени.
2. Точность систем наблюдений назначается в зависимости от величин расчётных прогнозов и должна обеспечивать достоверность получаемой информации, а также соответствовать требованиям согласованности в пространстве и во времени применяемых различных систем наблюдений.
3. Приборы и оборудование, используемые для наблюдений, должны быть сертифицированы и аттестованы в соответствии с требованиями Госстандарта России.
4. Точки измерений и частоту наблюдений необходимо назначать в зависимости от величин расчётных прогнозов, интенсивности изменений наблюдаемых величин, масштабов освоения подземного пространства, конструктивных особенностей зданий и сооружений.

Система мониторинга:

1. На стадии проектирования до проведения мониторинга должны быть разработаны и определены:

• основные эксплуатационные требования к зданиям и сооружениям и окружающей среде;
• расчётный прогноз значений деформаций и усилий;
• программа наблюдений;
• системы наблюдений.

2. На стадии строительства должны выполняться:

• установка систем наблюдений;
• производство наблюдений.

3. Оценка принятых критериев выполнения эксплуатационных требований производится на основе результатов сравнения расчётных и наблюдаемых значений деформаций и усилий. В необходимых случаях производится разработка дополнительных мероприятий по обеспечению эксплуатационной надёжности строящегося подземного сооружения и окружающих эксплуатируемых зданий.

Расчётный прогноз влияния строительства подземных сооружений на окружающую застройку:

1. Состав и объём защитных мероприятий определяются на стадии проектирования подземного сооружения на основе использования результатов прогноза деформаций.

В проектах подземных сооружений необходимо предусматривать раздел по защите окружающей застройки с разработкой эффективных мер по предупреждению недопустимых деформаций зданий.

2. Расчёт прочности и дополнительных деформаций зданий и сооружений при проведении вблизи них работ по строительству подземных сооружений, транспортных, коллекторных и коммуникационных тоннелей, подземных переходов и других объектов рекомендуется выполнять численными методами с использованием специальных программ, в том числе методом конечных элементов (МКЭ) с использованием нелинейных моделей грунтов и методом типовых кривых (МТК), которым устанавливается мульда вертикальных и горизонтальных смещений на поверхности массива.

При поэтапном строительстве подземного сооружения расчёты деформаций поверхности ведутся в соответствии с принятой технологией строительства последовательно для каждого этапа.

При наличии динамических воздействий на грунты оснований близрасположенных объектов прогнозирование деформаций производится по результатам опытных работ.

2. Инженерно-геологический мониторинг

1. В процессе изысканий в необходимых случаях следует выполнять мониторинг отдельных компонентов геологической среды, который может продолжаться в период строительства, а при необходимости и в период эксплуатации зданий и сооружений.

2. Мониторинг проводится в соответствии с заранее разработанным проектом и включает в себя:

• систему стационарных наблюдений за отдельными компонентами геологической среды;
• оценку результатов наблюдений и прогноз изменения геологической среды в связи со строительством.

3. Состав, объём и методы мониторинга должны назначаться в зависимости от инженерно-геологических и гидрогеологических условий площадки, способа возведения объекта строительства, его конструктивных особенностей и уровня ответственности, удалённости окружающей существующей застройки и в соответствии с результатами геотехнического прогноза.

4. Инженерно-геологический мониторинг на конкретной площадке строительства должен быть увязан с системой регионального геологического мониторинга (при наличии последнего).

5. Натурные наблюдения, выполняемые в процессе мониторинга, могут включать:

• наблюдения за состоянием основания и массива грунта и гидрогеологической обстановкой — наблюдения за изменением физикомеханических свойств грунтов; измерения напряжений и деформаций в грунтовом массиве; наблюдения за составом и режимом подземных вод; наблюдения за развитием неблагоприятных инженерно-геологических процессов (карст, суффозия, оползни, оседание поверхности и др.); наблюдения за состоянием температурного, электрического и других физических полей;
• наблюдения за изменением окружающей природной среды при опасности загрязнения грунтов и подземных вод, при выделении газов, радиационном излучении и т.п. (геоэкологический мониторинг).

6. На основе полученных результатов натурных наблюдений уточняются прогнозы, касающиеся изменения физико-механических свойств грунтов, напряжённо-деформированного состояния грунтового массива и гидрогеологического режима, активизации и развития неблагоприятных геологических и инженерно-геологических процессов.

По результатам мониторинга проектная организация может произвести корректировку проектного решения.

7. При выполнении инженерно-геологического мониторинга применяют следующие виды работ:

• для наблюдений за изменением состояния грунтового массива — бурение, полевые и лабораторные исследования грунтов, а также геофизические исследования
• для контроля за изменением гидрогеологического режима, в том числе развитием депрессионной воронки или подтопления — устройство системы наблюдательных скважин.

8. Общие требования, предъявляемые к мониторингу:

• комплексность, заключающаяся в том, что все наблюдения должны производиться согласованно между собой в пространстве и во времени;
• установка всех точек наблюдений в наиболее характерных местах;
• частота наблюдений определяется интенсивностью и длительностью протекания наблюдаемых процессов;
• точность измерений должна обеспечивать достоверность получаемой информации и должна быть согласована с точностью расчётов;
• по результатам мониторинга должен быть составлен отчёт.

3. Экологический мониторинг подземных вод

1. Основными задачами экологического мониторинга подземных вод на стадии рабочей документации или рабочего проекта являются:

• разработка системы оперативного контроля и своевременного обнаружения истощения и загрязнения подземных вод и подтопления территорий;
• оценка динамики гидрогеодинамических (истощение, подтопление), гидрогеохимических (химическое загрязнение) и гидрогеотермических (тепловое загрязнение) показателей;
• изучение и оценка закономерностей динамики миграции загрязняющих веществ в зоне аэрации и в подземных водах;
• составление прогноза характера течения процессов загрязнения и истощения подземных вод, подтопления и затопления территорий, активизации карстово-суффозионных процессов, оседания и просадки поверхности земли и т.д.;
• контроль и оценка эффективности природоохранных мероприятий.

2. Получаемая при экологическом мониторинге подземных вод гидрорежимная информация должна обеспечивать оценку: геоэкологического состояния подземных вод; условий взаимодействия подземных вод с окружающей средой; прогнозов режима подземных вод, в том числе и прогнозов геоэкологических процессов; состояния грунтов зоны аэрации; баланса подземных вод в естественных и нарушенных условиях; пространственно-временных закономерностей режима, фильтрационных и миграционных параметров подземных вод; характеристик зон техногенных нарушений в подземных водах.

3. Созданию плана размещения наблюдательных сетей должно предшествовать эколого-гидрогеологическое районирование, на базе которого и намечаются наблюдательные точки мониторинга подземных вод.

4. По целевому назначению экологический мониторинг подземных вод предусматривает создание четырёх видов наблюдательных сетей:

• наблюдательных сетей в зоне влияния очагов техногенеза;
• наблюдательных сетей в пределах всей стройплощадки;
• наблюдательных сетей на сопредельных территориях для вычленения влияния внешних факторов загрязнения;
• фоновых наблюдательных скважин.

5. В состав режимной сети для гидрохимических наблюдений, изучения и контроля загрязнения подземных вод входят скважины специализированной наблюдательной сети и пункты гидрохимического опробования по эксплуатационным скважинам. Наблюдения за режимом температуры подземных вод проводятся в скважинах гидрогеотермической сети.

6. Продолжительность функционирования наблюдательной сети должна быть определена из конкретных природных условий и характера и степени воздействия объекта на экологическое состояние подземных вод. При необходимости наблюдения могут быть продолжены в течение всего периода эксплуатации.

7. Гидрогеоэкологическое прогнозирование осуществляется на основе геофильтрационных и геомиграционных моделей. Размеры моделируемой области геофильтрации и геомиграции не должны ограничиваться строительной площадкой и должны определяться размером области возможного влияния объекта на изменение уровней и загрязнение подземных и поверхностных вод. В область влияния должны быть включены располагающиеся по соседству со строительной площадкой водоохранные зоны рек, зеленые насаждения, парки, пруды, жилые массивы, площадки отдыха и другие природные и социальные объекты.

8. При выборе положения нижней границы области влияния в гидрогеологическом разрезе необходимо учитывать сложность геологического строения и гидрогеологических условий территории, глубину и размеры подземного сооружения.

9. Границы области возможного влияния объекта строительства на подземные и поверхностные воды в плане и разрезе, методика проведения прогнозных расчётов должны определяться и уточняться на стадии разработки проектной документации специалистами или организацией, специализирующейся на выполнении прогнозных гидрогеоэкологических расчётов.

10. Для разработки моделей используются картографические материалы, которые получены в результате анализа и обработки материалов инженерно-геологических и геоэкологических изысканий, а также следующие фондовые материалы:

• геологическое строение площадки;
• буровые колонки скважин с указанием водопроявлений;
• гранулометрический состав водовмещающих отложений;
• коэффициенты фильтрации водовмещающих отложений, полученные лабораторными способами и при проведении опытнофильтрационных работ;
• результаты геофизических исследований;
• данные режимных наблюдений за уровнем подземных вод;
• химический состав подземных и поверхностных вод.

11. По материалам геоэкологических исследований должен быть составлен отчёт.