Строительство и эксплуатация сооружений возводимых на закарстованных территориях

Тема 8 Строительство и эксплуатация сооружений возводимых на закарстованных территориях.

В закарстованных районах, которые занимают значительную часть территории России, наблюдались многочисленные случаи повреждения зданий и сооружений от карстовых деформаций, так, серьезные повреждения зданий и сооружений имелись в г. Уфе, Нижний Новгород, Казани, Альметьевске, Москве и др.

Проблема освоения закарстованных территорий весьма актуальна, особенно при сооружении объектов, требующих обеспечения абсолютной надежности. В частности, при строительстве атомных электростанций возникает ряд вопросов, связанных с необходимостью обеспечения эксплуатационной надежности объекте в условиях больших нагрузок, значительного водопотребления, Существенных размеров сооружений в плане и жестких требований относительно неравномерных осадок.

В последнее время проблема инженерно-строительного освое­ния закарстованных территорий стала важна также при сельскохозяйственном и ирригационном строительстве.

Современная технология (большие нагрузки от сооружений и как следствие устройство фундаментов глубокого заложения, освоение подземного пространства, весьма интенсивное изменение гидрогеологических условий на большие глубины и т.д.) во многих карстовых районах существенно и нередко катастрофи­чески активизирует карстовые процессы. В ряде районов карсто­вые явления начались лишь под влиянием хозяйственной деятель­ности (техногенный карст). Известны случаи образования карсто­вых деформаций земной поверхности под действием техноген­ных факторов в Москве, Львовской области, Ровенской области. Убытки, связанные с активизацией карстовых процессов в резуль­тате техногенного воздействия, значительно превосходят убыт­ки от естественного природного карста

Несмотря на актуальность проблемы противокарстовой защиты, далеко не все вопросы проектирования противокарстовых ме­роприятий, строительства и эксплуатации сооружений на карстоопасных участках имеют должное научное обоснование. В настоящее время отсутствуют нормативные документы по проектиро­ванию зданий  и сооружений в карстовых районах, что ведет к неупорядоченности проектирования, строительства и эксплуатации сооружений в карстовых районах, или иногда к необоснованным в техническом, инженерно-геологическом и экономическском отношении инженерным решениям. В ряде глав СНиП отсутствует какое-либо упоминание об особенностях проектирования зданий и сооружений в карстовых районах. В СНиП И-17-77 лишь указывается, что проектирование сооружений в карстовых районах должно осуществляться с учетом дополнительных требований предъявляемых к строительству и эксплуатации сооружений в этих районах. В указаниях СНиП по планировке промышленных предприятий в "зонах активного карстования" вообще строить запрещается.

Основная опасность карста для инженерных сооружений заключается в образовании провалов. В большинстве случаев основными источниками провалов являются карстовые полости и, следовательно, прогноз карстоопасности должен заключаться в обнаружении полостей в толще пород, определении их размеров, оценке возможности образования провала на земной поверхности, срока службы сооружения и в определении размера провала. Однако в практике инженерных изысканий отсутствуют геофизические методы обнаружения карстовых полостей при глубине их залегания более 20—30 м. В связи с этим особенностью выбора инженерной защиты зданий и сооружений от вредного влияния карста является то, что, несмотря на преимущественно дискретный характер проявления карста (провалы, полости), оценка его опасности для сооружений производится из принципа поражаемости территории или отдельных ее частей с той или иной вероятностью « Этот показатель рассматривается как объективное отражен «стохастического характера карстового процесса и как мера неопределенности наших знаний о возможности образования карстовых деформаций на той или иной площади в течение определенного срока. Эта неопределенность может быть уменьшена проведением  специальных изысканий (бурение, геофизические методы локализации карстовых полостей и т.д.). В результате таких изысканий первоначальное значение вероятности повреждения может быть изменено в большую или меньшую сторону. Во многих случаях противокарстовые мероприятия, особенно мероприятия конструктивного характера, служат своеобразной компенсаций за недостаточную инженерно-геологическую информацию. Используя вероятностные оценки при проектировании противокарстовой защиты, следует учитывать многие факторы: определение , плотности застройки, сравнение вариантов застройки, определения расчетного размера карстового провала при проектировании конкретного сооружения и др.

Рассматривая вопросы изысканий и проектирования противокарстовой защиты, можно найти оптимальные объемы изысканий и противокарстовой защиты, соответствующие минимуму вероятных приведенных затрат, включающих стоимость изыскания стоимость противокарстовых- мероприятий и вероятный ущерб от карстовых деформаций. При оценке опасности карста для сооружений следует учитывать не только такие параметры, как срок службы, степень ответственности и размеры сооружений, но и непременно характер, степень т вероятность воздействия сооружений на активизацию карстовых явлений в период строительства и эксплуатации. Известно много случаев, когда неучтенные регулярные и аварийные утечки из водоводов промышленных предприятий, атомных и тепло­вых электростанций приводили к резкой активизации карстовых провалов. В связи с этим вопросам исследования механизма мостовых деформаций необходимо уделять больше внимания, так имеющим большое практическое значение.

Проектирование защиты территорий и сооружений от вредного влияния карста необходимо осуществлять на всех стадиях проектирования народнохозяйственных объектов — начиная от «ионной планировки и кончая разработкой конструкций сооружения. Назначение тех или иных противокарстовых мероприятий, в том числе выбор рационального комплекса этих мероприятий, должно проводиться с учетом их инженерно-геологической, технической и экономической эффективности.

Рекомендуемые материалы

Из противокарстовых мероприятий остановимся на заполнении карстовых полостей и нарушенных зон. Эти мероприятия, (направленные на изменение хода карстовых процессов, применяются достаточно широко, главным образом при необходимости повышения надежности эксплуатируемых сооружений, а также при строительстве сооружений, когда невозможен или нецелесообразен перенос сооружений, даже если в основании их обнаружены карстовые полости.

При разработке проектов тампонажа карстовых полостей следует иметь в виду, что не все полости являются опасными для проектируемых и эксплуатируемых сооружений. Карстовые полости, каналы и трещины определяются тектоническими и гидрогеологическими условиями района. Они различны по своему генезису, механизму и скорости развития. Механизмы проявления полостей на земной поверхности в различных инженерно-геологических условиях неодинаковы. Полости имеют сложную конфигурацию в плане и профиле и в большинстве случаев заполонены частично или полностью водой либо грунтом пониженной прочности.

Большинство реализованных проектов по тампонажу карстовых полостей основывается на принципах, заимствованных из практики проектирования тампонажа закарстованных и трещиноватых зон в основании плотин, главной задачей которого является создание водонепроницаемых экранов, препятствующих утечкам воды из водохранилищ. Такой подход неправомерен при (тампонаже карстовых полостей и закарстованных зон в основании зданий и сооружений в промышленном, гражданском и транспортном строительстве, где основной задачей является предотвращение образования карстовых деформаций (в первую очередь провалов) в основании сооружений. Тампонаж карстовых полостей или трещиноватых зон не должен существенно изменять гидрогеологические условия на соседних участках, на которых необходимо всегда оценивать возможность активизации карстовых деформаций. В связи с этим возникает задача создания специальной технологии производства работ и составов тампонажного материала применительно к различным природными технологическим условиям.

На ряде объектов апробированы вспенивающиеся растворы, позволяющие значительно снизить расход цемента, а также обеспечить более плотную закладку материала в полости и необходимой прочность.

Методика поиска пустот и последующего контроля качеств заполнения таких пустот методом межскважинного просвечивния позволяет обнаруживать лишь наиболее крупные из них, поэтому влияние незаполненных в процессе проведения работ пустот на конструкции зданий и сооружений компенсируется назначением комплекса конструктивных мероприятий (устройство фундаментных плит, рассчитанных на возможность образования под ними воронок карстово-суффозионного происхождения, а также заполнение разуплотненных грунтов под фундаментами зданий в процессе эксплуатации зданий и сооружений и др.). Для определения размеров зон нарушений чаще всего пользуются оконтуриванием карстовых полостей буровыми скважинами. Поэтому нередки объекты, где стоимость буровых работ составляет больше половины сметной стоимости всех работ по изысканиям и тампонажу.

Из мероприятий, обеспечивающих защиту зданий и сооружений без воздействия на естественный ход карстового процесса, наиболее часто применяются архитектурно-планировочные и конструктивные, а также мероприятия по контролю за карстовым процессом и деформациями сооружений.

Архитектурно-планировочные мероприятия включают в себя следующее: рациональное составление проектов районной планировки и генеральных планов промышленных предприятий, городов и поселков, проектов застройки и детальной планировки ориентация сооружений в зависимости от параметров карстовых форм; назначение рациональной формы и этажности здания. Все вопросы архитектурно-планировочного характера должны рассматриваться неразрывно с оценкой карстоопасности. Решение этих вопросов целиком определяет технологию и экономику дальнейшего строительного освоения закарстованных территорий и эксплуатации сооружений. Можно привести много примеров когда неправильная оценка карстоопасности, например без учёта техногенного воздействия, приводила к многомиллионным до­полнительным затратам по обеспечению надежности запроектированных объектов. Однако есть и другие примеры — когда без должного обоснования признаются непригодными для освоения большие по площади территории. Особенностью осуществлена архитектурно-планировочных противокарстовых мероприятий является то, что их нельзя рассматривать в отрыве от всего комп­лекса возможных мероприятий, особенно конструктивных и мероприятий, направленных на уменьшение вредного влияния хозяйственной деятельности на карстовый процесс.

В практике проектирования зданий и сооружений в карсто­вых районах из всех противокарстовых мероприятий конструк­тивные мероприятия являются самыми распространенными, пос­кольку оценка карстоопасности территорий основывается на вероятностном подходе, объективно отражающем реально достигнутый уровень инженерных изысканий (особенно в части обна­ружения подземных карстовых форм на глубинах больше 20— 30 м), в связи с чем всегда возникает большая или меньшая неопределенность образования карстовых деформаций как во времени, так и в пространстве. Конструктивные противокарстовые мероприятия обеспечивают надежность сооружений и в определенной мере компенсируют наше "недостаточное знание" о времени и месте образования карстовых деформаций.

В ряде случаев конструктивные противокарстовые мероприятия являются единственно возможными для обеспечения абсолютной надежности объекта (например, устройство фундаментов глубокого заложения с опиранием их на породы, залегающие ниже карстующихся). Локальные карстовые деформации (провалы, проседания), представляющие основную опасность для зданий и сооружений, имеют сравнительно небольшие размеры в плане, это позволяет использовать большие конструкции, перекрывающие локальные деформации. На закарстованных территориях, где возможны оседания земной поверхности на относительно больших площадях, также возможно применение конструктивных мероприятий; аналогом этих мероприятий могут быть конструктивные решения по защите зданий и сооружений на подрабатываемых территориях.

Наиболее эффективная защита зданий и сооружений от влияния карста может быть достигнута при применении комплекса противокарстовых мероприятий в предпостроечный, строительный и эксплуатационный периоды. Это относится прежде всего к размещению объектов на участках с повышенной карстоопасностью. Непременным элементом этого комплекса должны быть конструктивные защитные мероприятия, которые в итоге воспринимают воздействия от карстовых деформаций при отказе в полной мере других элементов комплекса мероприятий.

Основной задачей конструктивной  противокарстовой защиты япляется предупреждение катастрофического разрушения зданий и сооружений при образовании в их основании карстовых деформаций в течение определенного срока, позволяющего принять меры по эвакуации людей и ценного оборудования, а также по прекращению прогрессирующего разрушения.

В настоящее время разработана классификация карстопроявлений, поверхностных и подземных (для проектирования противокарстовой защиты), а   также поверхностных карстовых форм по их геометрическим параметрам (для районирования территория по степени карстоопасности) . Классификации основываются на механизме карстовых деформаций.

Сравнительно дешевым и эффективным мероприятием по обеспечению безопасности на карстоопасных участках является устройство различного рода оповестительных сигнализаций о деформациях отдельных элементов конструкций, земной поверхности и грунтовой толщи.

Непременным условием безопасного хозяйственного освоения закарстованных территорий является осуществление мероприятий или целого их комплекса по уменьшению вредного влияния хозяйственной деятельности на карстовые процессы. Такие мероприятия (например, ограничение откачек подземных вод требуют серьезного экономического обоснования.

Резюмируя все сказанное выше, следует отметить, что вопросы изысканий, оценки карстоопасности, проектирования, строительства и эксплуатации сооружений должны рассматриваться непрерывно. Важнейшими задачами научных исследований в области проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений в карстовых районах являются следующие:

определение условий применения комплексных противокарстовых мер для различных видов зданий и сооружений;

градостроительное освоение закарстованных территорий различных природных условиях, в том числе при проектировании объектов агропромышленного комплекса;

Рекомендуем посмотреть лекцию "61 Какие два типа межмолекулярных взаимодействий характерны для гетерогенных систем".

защита от инфильтрации в грунт атмосферных, хозяйственных, бытовых и производственных вод, в первую очередь применительно к промышленным объектам с большим водопотребления (атомные и тепловые электростанции, предприятия химической промышленности и т.п.);

закрепление горных пород, подверженных карстово-суффозионным процессам, в том числе тампонаж карстовых полостей с учётом влияния тампонажа на активизацию карста на соседних участках;

расчет конструкций зданий и сооружений с учетом совместной работы основания, фундаментов и надземных конструкции

обеспечение сохранности зданий и сооружений при образовании карстовых деформаций в их основании;

создание  новых  видов сигнализации о карстовой опасности

оценка эффективности противокарстовых мероприятий и технико-экономический анализ принятых решений.