Научная жизнь

карстовый процесс и строительное освоение закарстованных территорий республики башкортостан

Башкортостан характеризуется как страна классического кар­ста. Разные и сложные структурно-тектонические и геоморфоло­гические условия, наличие в геологическом разрезе республики мощных толщ водорастворимых пород, особенности климата и раз­витой гидрографической сети - все это обусловило интенсивное развитие в Башкирии современного карста и разнообразных кар­стовых форм рельефа. Так описывают карстовую обстановку в рес­публике А.П.Рождественский, В.А.Балков и В.Р.Симоненко [1].

Карстово-суффозионный процесс вполне обоснованно счита­ется опасным, поскольку при выходе на дневную поверхность (по­верхность земли) он сопровождается разрушением (отказом) осно­ваний и фундаментов зданий и сооружений либо повреждением (проседанием) освоенных территорий. В последние 30 лет эта про­блема обострилась в связи с усилением отрицательного антропо­генного воздействия на геологическую среду, а также с планами созидательной деятельности человека на закарстованных террито­риях, ранее считавшихся непригодными.

В Башкортостане изучение карста впервые началось 250 лет назад учеными Российской академии наук и художеств. Так, в се­редине XVIII в. исследованием карстовых явлений занимался П.И.Рынков, а в 70-е гг. - П.С.Паллас и И.И.Лепехин, возглавляв­шие академические экспедиции. В конце XIX в. тщательные по тем временам инженерно-геологические изыскания на карст были проведены Д.Л.Ивановым в связи с участившимися карстовыми провалами вдоль только что построенной Самаро-Златоустовской железной дороги. За первые 4 года ее эксплуатации (1890-1894) на участке длиной 38 км, в том числе в пределах Уфимского карсто­вого косогора, образовалось 20 провалов диаметром до 7 м и глу­биной до 8 м [2]. Карстовые проявления здесь продолжаются до сих пор, о чем свидетельствуют 106 провалов за 100 лет (1893-1993) [3].

Скрупулезные многолетние исследования выполнены В.И.Мартиным и А.И.Смирновым по карстово-спелеологическому районированию Башкортостана, в которых в виде карты отражены карстовые страны, регионы, области и классы карста республики [4]. Исследования, обобщения и анализ инженерно-геологических аспектов карста в республике освещены в диссертации В.И.Мар­тина [5], а карстоопасность и районирование территории г. Уфы -в диссертации А.И.Травкина [6].

Условия для развития карста

МУЛЮКОВ Эдуард Инсафович

доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой

строительства и архитектуры

факультета Природообустройства

Башгосагроуниверситета,

заслуженный строитель РБ

Карст зарождается прежде всего при наличии субстанций это­го физико-химического процесса, т.е. растворимой горной по­роды и воды (флюида). Каждая из них должна обладать свой­ством, создающим условия для растворения и выноса породы. К

Карстовый процесс и строительное освоение закарстованных территорий РБ

Приведем лишь некоторые примеры по­вреждений зданий в Уфе и других населен­ных пунктах Башкортостана, являвшихся объектами наших наблюдений и исследований в 70-80-е гг.

В 1976 г. (май) в п. Михайловка жилой двухэтажный крупноблочный дом претерпел ава­рийные деформации через 11 лет эксплуатации в результате карстового проседания диаметром 10 м, глубиной 0,4 м.

В 1976 г. (июль) в Уфе в микрорайоне ЦЭС-2 вновь построенный 9-этажный крупнопанельный дом получил недопустимый крен в сторону глав­ного продольного фасада из-за разной несущей способности свайного фундамента стен. Степень аварийности дома резко возросла после обнаруже­ния под домом на глубине 21... 3 6 м на нескольких горизонтах карстовых полостей, ликвидированных в 1977 г. путем нагнетания в них 22 куб. м цементно-песчаного раствора [7].

В 1979 г. (май) «ожила» древняя засыпанная карстовая воронка под зданием по ул. Округ Гал­ле, 9/1 в Уфе, которая при изысканиях не была обнаружена. Это здание, построенное всего 2 года назад, получило повреждение тяжелой степени и было отселено. Только экстренное подведение по нашим решениям дополнительного фундамента и монтаж стальных поясов позволили сохранить его и спасти от возможного локального обрушения [8].

В 1979 г. кинотеатр «Луч», построенный в Уфе в 1953 г., начал деформироваться в результате карстово-суффозионных процессов в основании, про­исходивших из-за подтопления подземными" вода­ми техногенного типа с территории соседнего ^'«мокрого» предприятия.

В начале 80-х гг. специальные комиссии обследовали и разрабатывали технические решения по усилению подземной и наземной частей старин­ного здания бывшего библиотечного техникума по ул. Сочинской, получившего аварийные деформа­ции карстового происхождения, начавшиеся еще в 1939 г. Ожидаемые затраты на тампонаж основа­ния и усиление его конструкций превышали оста­точную стоимость здания. В 1996 г. здание снесе­но несмотря на его архитектурную ценность и вне­шнюю привлекательность.

В 1982 г. (май) на территории нового коллек­тивного сада в 30 км от Уфы (д. Лекаревка) про­изошел провал диаметром 4,0 м и глубиной 8 м непосредственно под строившимся садовым домом, который обрушился в воронку. Жертв не было.

В 1983 г. (октябрь) корпус № 10 Уфимского приборостроительного завода, построенный в 1964 1-., получил проседание центральной части на 20...30 см, что привело даже к обрыву стальных связей. Проседание было вызвано карстово-суффозионными процессами, активность которых умень­шилась после цементации основания корпуса.

В 1984 г. (сентябрь) в Уфе в 7 м от крупнопа­нельного жилого 9-этажного дома № 193 по ул. Интернациональной произошел провал диамет­ром 4,5 м, глубиной более 12 м, в который помес­тилось 340 куб. м привозного грунта.

В 1984 г. в Уфе жильцы угловых домов по ул. К.Маркса и М.Фрунзе обратились с просьбой обследовать состояние домов, получивших повреж­дения средней степени вследствие подтопления и активизации карстово-суффозионного процесса на прилегающей территории. [9].

В 1986 г. (апрель) в п. Алексеевка Уфимского района под наружной стеной 2-этажного крупно­панельного дома произошел провал диаметром 2,7 м. Дом получил повреждения легкой степени.

В 1986 г. (август) в Благовещенске по ул. Лобастова, 57 всего в двух метрах от частного дере­вянного жилого дома произошел провал диамет­ром около 10 м.

Вышеназванный перечень поврежденных зда­ний не является исчерпывающим за указанный период и приведен для подтверждения серьезной опасности именно карстопроявлений на дневной поверхности в условиях Башкортостана. Такая об­становка требует учета карстоопасности при лю­бых формах геотехнической деятельности и науч­ного обоснования принимаемых решений, а также при сельскохозяйственном использовании закарсто­ванных территорий.

Особо сложным объектом в геолого-гидрогео­логических условиях Уфы является планируемое строительство метрополитена. Для метро глубоко­го заложения изысканиями ЗапУралТИСИЗа в 1982 г. выявлены неустойчивые закарстованные участки трассы в районе улиц Российской и Ш.Рус­тавели, где чрезвычайно осложнялась бы проклад­ка тоннеля и его противокарстовая защита. Это послужило поводом для перехода на проектирова­ние метрополитена мелкого заглубления (до 15 м) по обновленной трассе, сориентированной вдоль главной наземной транспортной магистрали, т.е. под пр. Октября. Изыскания (1988 г.) по новой трас­се показали в основном благоприятные условия прокладки метро, кроме трех коротких участков,

Вестник Академии наук РБ, 1999, том 4, № 3

таковым относятся трещиноватость (скважность) породы и растворяющая способность поступив­шей воды, которая должна быть не полностью минерализованной в момент контакта с породой. Процесс способен продолжаться, если возмож­ны отвод минерализованной воды и поступле­ние новых ее порций благодаря градиенту напо­ра. Только наличие этих пяти определяющих и обязательных условий, по нашему мнению, яв­ляют собой карст, что изображено на рис. 1. От­сутствие же хотя бы одного условия полностью исключает развитие карста. Техногенное воздей­ствие на геологическую среду (появление кис­лот, щелочей и других агрессивных флюидов, из­менение температуры, напора и т.п.) может ак­тивизировать или замедлить естественный ход карстового процесса.

объясняется более высокой растворимостью гип­са в воде.

Влияние карста на здания и сооружения

Карстовый процесс сопровождается образова­нием в недрах земли полостей (пустот), которые, увеличиваясь до критических размеров, начинают «всплывать» по мере обрушения свода. В покры­вающих толщах, представленных смесью практи­чески нерастворимых горных пород (чаще всего глинистыми и песчаными грунтами) и сульфатно-карбонатных включений, процесс переходит в карстово-суффозионный. Это способствует продолже­нию «всплытия» пустот вплоть до дневной повер­хности, повреждая здания, сооружения и просто освоенную человеком территорию, что иногда с

Рис.1. Условия развития (прекращения) карстового процесса (схема автора)

Скорость естественного химического разло­жения предопределяется растворимостью карсту-ющихся пород, которые подразделяются на суль­фаты, карбонаты и каменную соль. Сульфаты образуют около 150, а карбонаты более 80 мине­ралов. Каменная соль представлена в основном галитом, т.е. хлористым натрием. Карбонатный карст по литературным данным продвигается на 20... 100 мм за 1000 лет. В условиях гипсового карста этот показатель выше в 100... 130 раз, что

пряжено с большими экономическими последстви­ями. Такие явления в республике достаточно рас­пространены и происходят регулярно, не всегда попадая в поле зрения специалистов и заинтере­сованных лиц. Следует отметить, что нам не уда­лось найти информацию о тяжелых последствиях карстовых происшествий в республике по резуль­татам наблюдений по меньшей мере за последние 3 00 лет, хотя порой экономический ущерб бывает значительным по своим размерам.

Вестник Академии наук РБ, 1999, том 4, № 3

Э.И.Мулюков

где потребуется противокарстовая защита тонне­ля. Однако строительство станций метро откры­тым способом резко осложнится стесненностью города, потребуется перекладка многочисленных коммуникаций, осложнятся условия функциони­рования наземного транспорта в границах «вытя­нутого» города, возникнет проблема обеспечения надежности и сохранности существующих зданий, сооружений и коммуникаций вблизи будущей трас­сы метро.

Распределение карстопроявлений

на дневной поверхности

Башкортостан являет собой, как выше было сказано, образец классического карстового ре­гиона, где представлены практически все ра­створимые породы и все условия для естествен­ного и ускоренного развития карста. В некото­рых районах республики растворимые породы выходят на поверхность, изобилующую пеще­рами, каррами, понорами, колодцами, воронка­ми. Такую яркую картину автор отчетливо на­блюдал, например, в д. Ишсево Ишимбайского района, где имеются обширные скопления кар­стовых воронок. Общее число воронок и дру­гих форм карстопроявлений, например вдоль Самаро-Златоустовской железной дороги, со­ставляет более 250, т.е. 36 на 1 кв. км. Это уда­лось установить благодаря многолетним наблю­дениям, столь необходимым для такого важней­шего сооружения, как железная дорога.

В соответствии с нашей классификацией [10] в Уфе 15% отказов оснований и фундаментов про­исходят по «вине» карста. Повреждения зданий и сооружений реализуются в среднем через 21 год после их возведения, что подтверждено статисти­ческим анализом деформировавшихся зданий, об­следованных нами в Уфе за период с 1969 по 1996 год.

В общем случае вероятность повреждения зда­ния из-за отказа основания и фундамента описы­вается законом Пуассона (законом редких собы­тий). Для Уфы оказалось, что средняя вероятность отказа, т.е. параметр Пуассона р = 2,63• 10'⁴ (2,63 отказа в год на 10 тыс. зданий). Отказы кар­стового происхождения составляют, как выше ска­зано, 15% (0,4 отказа в год), что мы и наблюдаем в Уфе, где около 13 тыс. капитальных зданий, не считая промышленных. Зная параметр Пуассона для Уфы, можно выполнить прогноз отказов ос-

нований и фундаментов с помощью математичес­кой модели, учитывающей непрерывность ввода в Уфе новых объектов в эксплуатацию [11]. Про­гнозные сведения позволяют обосновать резерви­рование ресурсов на покрытие возможного эко­номического ущерба.

Касаясь надежности оснований и фундаментов, уместно обратить внимание на следующее. При отсутствии потенциальной возможности потери геостойкости их надежность должна быть абсолют­ной на весь усредненный срок службы здания (до 175 лет). В сложных же инженерно-геологических условиях (карст, просадочность и т.п.) требуется принять такую конструкцию фундамента (да и на­земной части здания при необходимости), которая исключила бы разрушение здания - от локального вплоть до полного. При отказах же основания на' таких грунтах в локальных участках допускаются только местные повреждения фундамента и стен здания, устранимые ремонтными работами.

О технической мелиорации горных пород и усилении фундаментов

Глубинная мелиорация преимущественно не­растворимых покровных толщ грунтов хорошо раз­работана, является специальной дисциплиной и может успешно применяться в зависимости от свойств грунтов и используемых реагентов, из ко­торых традиционными являются жидкое стекло и карбамидная смола. -Однако экспертная оценка методов улучшения свойств грунтов, выполненная техническим комитетом № 17 Международного общества по механике грунтов и геотехническом строительству, показывает, что все методы инъек­ционного химического закрепления грунтов раз­личными реагентами применяются редко [12]. нашей стране интерес к химическому закреплению грунтов в последние годы также резко упал по ряду причин. В Уфе имеется опыт бросовых противо-карстовых работ по защелачиванию основания од­ного из корпусов Профтехучилища (ул. Нежинс­кая), который впоследствии был демонтирован (1988), так и не будучи выведенным из аварийно­го состояния после инъекции щелочи.

Тампонаж горных пород цементным молоком заслуживает особого рассмотрения, поскольку этот метод в последние годы иногородними специалис­тами активно преподносился в качестве универ­сального противокарстового мероприятия для су­ществующих и вновь проектируемых в г. Уфе

Карстовый процесс и строительное освоение закарстованных территорий РБ

объектов. К сожалению, авторы этого предложе­ния в погоне за объемами работ переоценивают возможности метода, механически перенося его из оптимальной области цементации трещиноватых скальных горных пород в область слабопроницае­мых, в т.ч. глинистых грунтов, где не достигаются турбулентный режим движения цементного моло­ка и другие параметры тампонажного процесса.

Естественно, правильное использование це­ментации в рамках оптимальной области приме­нения и соблюдения требований соответствующих строительных норм приводит к положительным ре­зультатам. Примерами этому являются работы по цементации оснований моста через р. Белую (1971) и котельной Тепловозоремонтного завода в Уфе (1980).

Отрицательным примером являются работы по цементации основания здания по ул. Округ Галле, 9/1, которые были предназначены для подавления карстово-суффозионного процесса на глубине 15.. .20 м в районе древней карстовой воронки, но оказались бросовыми, поскольку велись со сторо­ны иногороднего исполнителя халатно, а со сторо­ны заказчика - бесконтрольно. В итоге нагнетае­мый цементный раствор заполнил прилегающие к дому подземные коммуникационные лотки и из­ливался восходящим потоком в подвал здания, пос­ле чего в нем образовалась многослойная цемент­ная плита толщиной 0,6-0,8 м. Как и следовало ожидать, такая работа не привела к подавлению карстового процесса.

В 1993 г. БашНИИстроем (с участием автора) для головной проектной организации была разра­ботана концепция строительства Уфимской ТЭЦ-5 на закарстованной территории, включающая тех­нические условия на проектирование и устройство -—оснований и фундаментов, предложения по орга­низации долговременной противокарстовой служ­бы, а также предложения по разработке эксперт­ной системы для диагностики состояния террито­рии, оснований и фундаментов. Этот же институт дал рекомендации по конструктивным решениям, расчету и проектированию фундаментов объектов основного производства. Указанные документы были переданы головной проектной организации. Другие (московские) институты в порядке допол­нения к разработанным документам дали пред­ложения по тампонажным работам и карстомо-ниторингу.

Автор выполнил экспертизу технической до­кументации на тампонажные работы в основании

ряда временных сооружении, используемых в пе­риод строительства указанной ТЭЦ. Все эти рабо­ты были признаны совершенно ненужными.

Определенная вероятность появления локаль­ных отказов фундаментов зданий и сооружений на закарстованных территориях наводит на мысль о необходимости придания их подвально-фундаментной части свойства ремонтопригодно­сти, т.е. возможности усиления, что широко ре­ализуется в различных отраслях техники на ос­нове положений теории надежности. Эта идея была отражена в наших рекомендациях по уст­ройству плитных фундаментов зданий строящей­ся Уфимской ТЭЦ-5, а также плитного фунда­мента реконструируемого Башкирского драмтеатра им. М.Гафури. Сущность идеи заключается в закладке вертикальных сквозных так называе­мых технологических каналов (скважин) при бе­тонировании фундаментной плиты, которые по­том в процессе эксплуатации могут позволить получать информацию о состоянии контактной зоны основания, извлечь пробы грунта и под­земной воды. Эти же каналы можно использо­вать для карстомониториига, т.е. разместить в них датчики и сигнализаторы. Ликвидация во­ронок и проседаний основания под плитой воз­можна путем подачи через них заполнителя и других материалов. Технологические каналы в плите подкупают своей простотой исполнения, не мешают армированию плиты, не ослабляют ее и не снижают несущую способность фунда­мента по грунту.

Ремонтопригодность сборных ленточных фун­даментов позволяет легко восстановить несущую способность по нашему техническому решению [13], предусматривающему в сборных фундамен­тных плитах оставлять отверстия наподобие указанных каналов, а в стенах фундамента - окна (про­емы) напротив отверстий, заполняемые малопроч­ным материалом (тощим бетоном либо кирпич­ной кладкой на глиняном растворе). При экстрен­ной необходимости усиления либо возвращения провисшего фундамента в прежнее положение эти малопрочные вкладыши удаляются, что создает условия, например, для вдавливания многосекци­онных сваи до требуемой несущей способности либо заданного сопротивления с немедленным включением свай в работу. При отсутствии же свойства ремонтопригодности фундаментов при­ходится преодолевать технические сложности, связанные с повышенными материальными и тру-

довыми затратами, что имело место на всех ава­рийных объектах.

О карстомониторинге

Карстомониторинг рассматривается как част­ный случай мониторинга природно-технических систем. На рис. 2 показана сложность и многофак­торность проблемы. Цель карстомониторинга в общем плане заключается в защите природно-технических систем от неблагоприятных геодинамических явлений карстово-суффозионного типа, предотвращении потерь геостойкости освоенных территорий, в уменьшении ущерба при возможных карстопроявлениях.

Карстомониторинг является особым меро­приятием и назначается в обоснованных случа­ях. Таковым может быть необходимость полу­чения информации о состоянии карстующихся толщ горных пород для принятия упреждающих

• оценка будущего состояния природно-техни- ческой системы в период нормативного срока служ-­ бы зданий и сооружений в режиме техногенного воздействия на геологическую среду;

• оценка естественной защищенности и гео-­ стойкости объектов, в том числе в противокарсто-­ вом исполнении;

• выявление будущих опасных очагов карсто- во-суффозионных процессов и оценка необходи-­ мости отслеживания состояния территории, осно-­ ваний и фундаментов собственно зданий, а также фундаментов оборудования.

Для существующих природно-технических си­стем необходимость карстомониторинга также под­лежит обоснованию с учетом результатов фактического состояния территории, зданий и сооруже­ний, имеющих признаки активизации карстово- суффозионных процессов, в том числе выражающихся в соответствующих повреждениях строений и отказах их оснований.

Объекты созидательной

деятельности человека

(здания, сооружения)

Инженерно-строительное карстоведеиие (противокарстовая защита, отказы оснований)

Техногенные воздействия на геологическую среду

КАРСТОМОНИТОРИНГ

(при необходимости)

Закарстованная территория

(изыскания, гидрология,

карстопроявления,суффозия)

Рис.2. Природы-техническая система на закарстованной территории

мер, исключающих отказ основания объекта, как правило, I или II класса ответственности. При наличии показаний должно быть разработано научно-техническое обоснование необходимос­ти карстомониторинга, которое должно содер­жать, по крайней мере, следующие основные разделы:

• научный анализ и выявление особенностей инженерно-геологической обстановки, техноген­- ных объектов и технологических процессов;

• разработка физических, химических, физико- химических, математических и других моделей раз­ вития карста в естественном режиме и при техно-­ генном воздействии;

В настоящее время карстомониторинг как си­стема взглядов, практических методов реализа­ции и, главное, теоретических обоснований пока не сложился, поскольку в целом проблема в на­учно-техническом плане только начинает разви­ваться на базе фактического материала, который накапливается с 70-х гг. На этой стадии отноше­ние к карсту либо остается прежним, т.е. без уче­та карстоопасности, либо по пословице «у стра­ха глаза велики», т.е. ярче высвечивается, а по­рой завышается карстоопасность, закладывают­ся мощные противокарстовые фундаменты, уси­ливаются наземные конструкции, да еще предус­матриваются тампонажные работы и вводится

Карстовый процесс и строительное освоение закарстованных территорий РБ

насыщенная сеть приборов, датчиков и индика­торов для наблюдения. Примеры этому в Уфе, к сожалению, имеются.