Строительство в условиях существующей застройки. При проектировании высотного здания вблизи имеющейся застройки, пункт 4.6.10 Инструкции устанавливает необходимость проведения обследования оснований фундаментов зданий и сооружений, попадающих в зону влияния строительства. Размер зоны влияния сооружения, в соответствии с п. 4.2.4 Инструкции, зависит от ряда факторов и может быть ориентировочно определен, в зависимости от типа ограждающих конструкций котлована в интервале 2H_к-5H_к, где 2H_к - глубина котлована. При проведении полевых работ часть выработок должна быть расположена в непосредственной близости от существующих зданий, попадающих в зону влияния проектируемого сооружения. Пункт 6.7 МГСН 4.19-05 регламентирует осуществление прогноза изменений напряженно-деформированного состояния грунтового массива и режима подземных вод при проведении инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий

Независимо от условия нахождения в зоне влияния проектируемого сооружения существующей застройки, прогноз изменения гидрогеологических условий должен быть выполнен в случае если подземная часть здания частично или полностью перекрывает отдельные горизонты подземных вод, а также изменяет условия и пути их фильтрации (Инструкция, п. 4.5.10). В соответствии с п. 6.16 МГСН 4.19-05 необходимо выполнение геотехнических расчетов с учетом взаимодействия конструкций высотного здания и основания, геометрической и физической нелинейности, неоднородности, анизотропности, пластических и реологических свойств грунтов оснований и материалов конструкций, развития областей пластических деформаций в основании, а также последовательности и технологии возведения здания в случае если на предварительных этапах проектирования выявлено, что условия работы основания близки к предельным.

Тематике применения нелинейных схем расчета изменения напряженно-деформированного состояния грунтового массива и прогнозного гидрогеологического моделирования при строительстве заглубленных сооружений посвящено немало публикаций, в том числе за авторством З.Г. Тер-Мартиросяна [76,77], А.П. Николаева [59, 60], В.М. Улицкого, А.Г. и К.Г. Шашкиных [80-84], Ю.К. Зарецкого, М.И. Карабаева [17].

Мониторинг геологической среды. Пункт 4.6.12 Инструкции устанавливает обязательное проведение мониторинга отдельных компонентов геологической среды, и, в первую очередь, опасных геологических и инженерно-геологических процессов и динамики подземных вод. В состав отчета об инженерно-геологических изысканиях для строительства высотных зданий должен входить раздел, содержащий прогноз развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов во времени и пространстве. Инженерно-геологическому мониторингу посвящен раздел 4.9 Инструкции. В соответствии с п. 4.9.7, к видам работ, выполняемых для проведения инженерно-геологического мониторинга опасных процессов, относятся бурение скважин, полевые и лабораторные исследования грунтов, геофизические исследования, для мониторинга режима подземных вод - устройство системы наблюдательных скважин.

Оценка геологического риска. В соответствии с пп. 4.6.1 и 4.6.12 Инструкции, в районах проявления опасных геологических и инженерно-геологических процессов и в сложных инженерно-геологических условиях необходимо выполнять оценку геологических рисков для определения возможности строительства высотного здания и выбора его фундамента. Оценка геологического риска должна быть выполнена в соответствии с "Рекомендациями по оценке геологического риска на территории г. Москвы".

Сейсмическое микрорайонирование. В соответствии с п. 5.6 МГСН 4.19-05, для зданий высотой более 100 м необходимо производить расчет на сейсмические воздействия в случае если они возводятся на площадках сейсмичностью 5 и 6 баллов (п. 5.2.6 приложения 5.2 МГСН 4.19-05). Определение сейсмичности следует производить на основании сейсмического микрорайонирования, выполняемого специализированными организациями. В то же время, при отсутствии данных микрорайонирования допускается принимать сейсмичность площадки по аналогии с табл. 1* СНиП II-7-81*: для грунтов второй категории 5 баллов, для грунтов третьей категории - 6 баллов.

Экспертиза результатов инженерно-геологических изысканий. В соответствии с п. 6.11 на всех этапах, начиная с предварительной оценки площадки строительства высотного здания необходимо осуществлять геотехническую экспертизу разрабатываемой документации. Эта процедура регламентируется п. 2.4.13 "Правил подготовки и производства земляных работ, обустройства и содержания строительных площадок в г. Москве". В МДС 50-1.2007 "Проектирование и устройство, оснований фундаментов и подземных частей многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов" указывается на необходимость проведения "анализа материалов инженерно-геологических изысканий на площадке предполагаемого строительства с осуществлением экспертно-геотехнической оценки и выбором типа фундаментов при участии Экспертно-консультативной комиссии по основаниям фундаментам и подземным сооружениям при Правительстве Москвы, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Мосгоргеотреста, а также институтов РАН соответствующего профиля" в случае расположения участка строительства в районах проявления опасных геологических процессов и в районах со сложными геологическими условиями (пп. 1.3, 2.4). Сложность инженерно-геологических условий территории при этом оценивается в соответствии с приложением "Б" к СП 11-105-97 по совокупности геологических и гидрогеологических факторов. Следует заметить, что оценка категории сложности инженерно-геологических условий производится с учетом параметров проектируемого сооружения и оценки зоны его влияния по принципу наихудшего показателя. В связи с тем, что высотные здания характеризуются значительной величиной сферы взаимодействия с геологической средой, практически во всех случаях инженерно-геологические условия участков их строительства будут отнесены к III (сложной) категории.

Возвращаясь к особенностям, связанным с переходом к системе технического регулирования, необходимо отметить введение такого понятия как "инженерно-геотехнические изыскания". Этот термин был утвержден в рамках постановления Правительства РФ от 19.01.2006 г. № 20, и в настоящий момент при вступлении в саморегулируемые организации в области инженерных изысканий осуществляется выдача свидетельств о допуске на проведение такого рода работ. При этом развернутого определения этого термина до сих пор не существует. А.Д. Потапов и П.И. Кашперюк [67] считают, что геотехнику следует рассматривать как важный самостоятельный раздел инженерной геологии, предметом изучения которого являются свойства грунтов, подвергающихся воздействию технологий строительства и строительных конструкций, прогноз изменения этих свойств и оценку возможного развития негативных геологических процессов в грунтовых толщах при строительстве и эксплуатации конкретных зданий, сооружений и инженерных коммуникаций. Основной задачей геотехнических исследований авторы называют получение параметров геологической среды, необходимых для построения модели основания сооружения. В.М. Улицкий, А.Г. Шашкин и К.Г. Шашкин [80] рассматривают понятие "геотехника" более широко определяя его как "дисциплину, направленную на синтез, обобщение суммы знаний о грунтах, возводимых на них сооружениях, методах ведения строительных работ и всех сопутствующих факторах". Так или иначе, при любой трактовке, конечной целью геотехнических исследований при проведении изысканий для строительства является построение модели взаимодействия здания с геологической средой, что актуально в первую очередь для высотных и заглубленных сооружений.

Таким образом, в московских территориальных строительных нормативных документах учет особенностей инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий сводится в основном к ужесточению отдельных требований по сравнению с исследованиями, проводящимися под малоэтажную застройку. Это ужесточение представляется логичным, но недостаточным шагом для раскрытия специфики высотного строительства. Процесс проектирования фундаментных оснований высотных зданий требует применения принципиально новых подходов к самой процедуре проведения инженерно-геологических изысканий. В многочисленных публикациях отечественных ученых подчеркивается важность проведения инженерно-геологических изысканий и исследований для высотного строительства и рассматриваются различные аспекты таких работ. Однако практика проведения инженерно-геологических изысканий под высотные объекты свидетельствует о том, что внедрение в производство этих научных разработок часто имеет отрывочный характер. Вместо полноценного комплекса работ, направленного на разработку проекта фундаментного основания, обеспечивающего минимизацию геологических рисков при одновременном сокращении экономических и временных затрат, отмечается тенденция к безоговорочному выполнению не всегда согласующихся между собой требований нормативных документов. Процедура проведения инженерно-геологических изысканий оказывается оторвана от процесса проектирования подземных конструкций высотных зданий. В результате в проект закладываются заведомо недостоверные данные, к которым применяются завышенные коэффициенты запаса, призванные исключить строительные риски. Это приводит к существенному удорожанию проекта и увеличению сроков строительства.

Еще одна тема, косвенным образом связанная с инженерно-геологическими исследованиями для строительства высотных объектов на урбанизированных территориях - проблема применения геоинформационных систем и технологий компьютерного трехмерного моделирования для обоснования градостроительной деятельности. Эти вопросы поднимаются в публикациях С.В. Козловского, В.Н. Экзарьяна [36], И.А. Гарагаша [114] и других авторов. Многими исследователями подчеркивается необходимость использования огромных массивов фондовой информации, накопленной в результате многолетней истории проведения инженерно-геологических изысканий на городских территориях, для чего необходима их систематизация и обобщение, переведение цифровой в вид.

1.3 Мировой опыт проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства. Примеры из практики

Как говорилось в разделе 1.1, вплоть до середины XX такие города, как Чикаго, Нью-Йорк и Филадельфия были законодателями и монополистами в области высотного строительства. В рамках истории американского высотного строительства был накоплен колоссальный опыт, однако с точки зрения проведения инженерно-геологических изысканий в московских условиях он, к сожалению, малоприменим в связи с различиями инженерно-геологических и гидрогеологических условий территорий. Основанием для высотных сооружений в этих городах служат надежные скальные породы кристаллического фундамента, физико-механические свойства которых позволяют возводить сооружения, оказывающие значительные нагрузки на грунтовую толщу, не опасаясь чрезмерных или неравномерных осадок, а в качестве основного природного агента, ограничивающего высотность, выступают ветровые нагрузки.

Более показателен опыт проведения инженерно-геологических изысканий для строительства небоскребов в азиатских странах. Дубайская башня, после смены инвестора переименованная в "Башню Халифа" представляет собой 163-этажное 828-метровое высотное здание с 4-6-этажной стилобатной частью вокруг него, отведенной под гаражи (рис. 6). На сегодняшний день сооружение является высочайшим в мире сооружением. Основанием башни служит 3,7 метровая плита на буронабивных сваях 1,5-метрового диаметра, устроенных на 50 м ниже основания фундаментной плиты. Разработкой проекта башни и инженерно-геологическим его сопровождением занимались крупнейшие организации из Великобритании, США и Австралии.

Геологическое строение района работ характеризуется преимущественным распространением в приповерхностной части отложений голоценового и позднеплейстоценового возраста, в том числе эоловых песков, эвапоритовых отложений и песков морского генезиса.

Дубай расположен в западной части стабильной в тектоническом отношении Арабской плиты и отделен от нестабильной территории Иранского нагорья с севера Персидским Заливом. В связи с этим, участок строительства рассматривался как расположенный в сейсмически активном районе.

Рис. 6. "Башня Халифа", Дубай [117]

Полевые работы проводились в 2003 г. в несколько этапов и включали в себя бурение скважин, проведение испытаний динамическим зондированием, прессиометрических опытов, установку скважинных пьезометров, геофизические исследования, лабораторные испытания. В общей сложности было пробурено 50 скважин глубиной от 60 до 140 м, проведено 47 испытаний методом динамического зондирования, 60 прессиометрических опытов. Геофизические исследования заключались в проведении наземных сейсморазведочных работ, вертикального сейсмического профилирования и межскважинной сейсмической томографии. Бурение в приповерхностной части осуществлялось ударно-канатным методом с переходом на глубине 30 м на колонковый. Испытания методом динамического зондирования производились на различных глубинах, в основном в дисперсных грунтах, залегающих на поверхности, слабых породах и включениях дисперсных пород в выделенных в слоях скальных пород. Прессиометрические испытания производились в пяти скважинах в интервале глубин от 4 до 60 м от земной поверхности непосредственно под основанием башни.

Программа лабораторных исследований включала в себя как стандартные испытания физических, физико-механических и химических свойств пород, так и дополнительные исследования, в том числе определение прочности методом трехосного сжатия, недренированные циклические испытания на трехосное сжатие, простой срез, срез с постоянной нормальной жесткостью.

Геологические условия территории строительства характеризуются субгоризонтальным залеганием слоев горных пород, которые объединены в комплексы и состав которых значительно изменяются в зависимости от условий осадконакопления. Иловатые пески морского генезиса, от средней рыхлости до рыхлых, переходят в песчаники пониженной прочности и малопрочные с прослоями слабо сцементированных песков, гипсовых тонкозернистых песчаников и мало- и среднепрочных конгломератов и шламовых известняков.

Подземные воды на участке строительства залегают достаточно близко от поверхности и, по результатам исследований, уровень грунтовых вод был зафиксирован в среднем на глубине заложения фундамента (2,5 м от поверхности земли) [93]. Результаты химического состава грунтовых вод показали крайне высокую их минерализацию - концентрация хлоридов и сульфатов в них превышала содержание этих солей в морской воде (4,5 % и 0,6 % соответственно), что обуславливало очень высокую коррозионную активность по отношению к плитно-свайному фундаменту. В связи с этим был разработан комплекс антикоррозионных мероприятий, таких как изоляция бетонных конструкций с помощью водонепроницаемого материала, добавление в бетонную смесь препятствующих коррозии реагентов, применение электрохимических способов защиты.

Реакция на нелинейные нагрузки была вычислена для каждого слоя по результатам динамического зондирования, прессиометрии, геофизических исследований, и стандартных и специальных лабораторных испытаний.

Оценка потенциала уменьшения прочности грунтов под воздействием динамических нагрузок осуществлялась по результатам специальных циклических трехосных испытаний с использованием компьютерных программ для моделирования изменения свойств грунтов в результате землетрясений. Результаты исследований показали, что имеет место потенциал уменьшения прочности грунтов, но в сфере взаимодействия здания с грунтовым основанием это явление проявляется слабо [93].

С целью прогноза взаимодействия основания башни с геологической средой было выполнено компьютерное геомеханическое конечноэлементное моделирование. При этом параллельно было использовано несколько альтернативных программных продуктов для корректировки результатов исследования.

Рис. 7. Результаты прогнозного моделирования осадок Дубайской башни в плане и в разрезе [89]

Моделирование показало, что максимальное прогнозное значение осадки под фундаментом здания в долгосрочной перспективе может составить 80 мм, причем эта величина плавно уменьшается от центра к краям участка (рис. 7), что удовлетворяло требованиям проектирующей организации. На момент постройки 135-го этажа здания средняя величина осадки под фундаментной плитой по данным инструментального геотехнического мониторинга составляла 30 мм [89].

Таким образом, несмотря на то, что Дубайская башня является высочайшим в мире сооружением, её строительство ведется в сравнительно несложных геологических условиях. К факторам, облегчающим процесс инженерно-геологических изысканий и проектирование основания сооружения можно отнести неглубокое заложение фундаментной плиты, что позволило избежать таких типичных для практики московского высотного строительства сложностей, как наличие значительных водопритоков в котлован или выпор глинистых грунтов основания под воздействием нижележащих напорных водоносных горизонтов. В то же время, интересен опыт устройства фундамента высотного здания в условиях активного развития процесса подтопления территории. К специфическим аспектам инженерно-геологических изысканий можно отнести их многостадийность, комплексность геофизических исследований, проведение специальных лабораторных испытаний. В целом, вся программа инженерно-геологических изысканий была ориентирована, прежде всего, на всеобъемлющее получение информации для проведения компьютерного геомеханического моделирования.

Петронас - комплекс небоскребов, состоящий из двух башен, расположенный в столице Малайзии Куала-Лумпуре (рис. 8). Строительство башен велось с 1992-го по 1996-й гг.

Геологические условия участка строительства характеризуются залеганием в приповерхностной зоне под чехлом аллювиальных отложений пород пермско-каменноугольного возраста, относящихся к кенни-хиллской свите, представленных сильновыветрелыми песчаниками и аргиллитами. Их подстилают закарстованные известняки, силурского возраста, относящиеся к куала-лумпурской свите. Непосредственно в месте расположения высотного строения силурские отложения размыты, причем глубина размыва варьируется от 50 до более чем 200 м (рис. 9).

Рис. 8. Башни "Петронас", г. Куала-Лумпур, Малайзия [117]

Несмотря на крайне сложные инженерно-геологические условия, по итогам изысканий, с учетом результатов геомеханического моделирования был разработан проект фундамента сооружения, полностью удовлетворяющий требованиям технического задания, включающий комплекс мер по закреплению грунтов в основании проектируемого здания. Фундамент здания представляет собой плиту, устроенную на барреттах прямоугольной формы, длина которых варьируется в интервале 30-60 м. По данным инструментального мониторинга, на сегодняшний день максимальная осадка здания составила 12 мм [88].

Рис. 9. Геолого-технический разрез через участок строительства башен "Петронас" [88]

Как уже упоминалось, среди европейских стран флагманом высотного строительства является немецкий город Франкфурт-на-Майне - деловая столица Европы. Тематике проектирования и инженерно-геологического сопровождения строительства небоскребов в деловом центре Франкфурта посвящено немало публикаций, по большей части авторства Рольфа Катценбаха - доктора наук, профессора, директора НИИ геотехники и Технического университета города Дармштадт, под руководством которого осуществлялось техническое сопровождение всех высотных проектов Германии.

Рис. 10. Схематический геологический разрез через территорию г. Франкфурт-на-Майне [31]

Геологическое строение города Франкфурт-на-Майне характеризуется моноклинальным залеганием горных пород в западно-северо-западном направлении (рис. 10). До глубины 100 м это залегающие под покровом техногенных и четвертичных отложений, представленных песком и гравийно-галечниковым материалом, третичные породы - толща франкфуртской глины с прослоями известняка, и подстилающий ее франкфуртский кавернозный известняк.

Первое поколение высотных зданий было построено на плитных фундаментах мелкого заложения (толщина плит составляет 2-4 м). При строительстве этих сооружений возник ряд трудностей, связанных с повышенными и неравномерными осадками. Так, например, величины наблюдаемых осадок двух 158-метровых башен Дойче банка составили в абсолютных значениях от 10 до 22 см, разница осадок 12 см. Для уменьшения разницы осадок между высотными и малоэтажными частями зданий применялись специальные гидравлические устройства, установленные в несущих конструкциях в частях здания, граничащих с башнями и позволяющие корректировать осадку малоэтажных частей в пределах 8 см. Подобные же технологии использовались при строительстве Дрезденского банка и еще ряда зданий, возведенных на базе плитных фундаментов. В некоторых случаях по окончанию строительства вода в корректирующих подушках заменялась цементным раствором [31]. При строительстве ряда других высотных сооружений осуществлялась компенсация осадок с помощью установки балласта в подвальных этажах. Эта технология в частности была применена при строительстве здания Гарден-Тауэр [30]. Тем не менее, несмотря на сложность и новаторство этих технологий, желаемого результата их внедрение не принесло, и в скором времени они потеряли свою актуальность благодаря разработке комбинированных плитно-свайных фундаментов.

Впервые такой комбинированный фундамент был использован при строительстве здания Мессе-Торхаус в 1983-1985 гг. Необходимость применения принципиально новых технологий, минимизирующих значения осадок сооружения была продиктована расположением в непосредственной близости от проектируемого сооружения многоуровневой железнодорожной развязки. Фундамент здания представляет собой две отдельно стоящие плиты, каждая из которых имеет в плане габариты 17,5x24,5 м и располагается на 42 буронабивных сваях диаметром 0,9 м и длиной 20 м. Эффективная нагрузка, оказываемая на каждую плиту, составляет около 200 МН. Результаты геотехнического мониторинга, направленного на проверку эффективности новой технологии, показали, что лишь небольшая часть нагрузок передается на грунт через плиту. Кроме того, распределение нагрузок между сваями также происходило неравномерно, в частности, очень слабое нагружение получили внутренние сваи. Несмотря на то, что первостепенная цель применения плитно-свайного фундамента - снижение значений осадок по сравнению с плитным фундаментом была достигнута (максимальное абсолютное значение осадки здания составило 12 см), результаты проведенной программы геотехнического мониторинга показали необходимость усовершенствования разработки и проведения четкого геомеханического обоснования конфигурации плитно-свайного фундамента в каждом конкретном случае.

В 1991-м г. было построено здание Мессетурм, ставшее на тот момент высочайшим в Европе. Это 60-этажное сооружение высотой 256 м, имеющее в плане габариты 41x41 м. Общая нагрузка от здания составляет 1880 МН и расположено оно в северо-западной части Франкфурта-на-Майне в районе максимального распространения франкфуртских глин - мощность этой толщи под основанием сооружения составляет около 100 м, в связи с чем применение обычного свайного фундамента для этого проекта было практически невозможным.

Фундамент здания представляет собой плиту, расположенную на глубине 14 м, толщина которой варьируется в пределах 3-6 м, стоящую на 64-х массивных буронабивных сваях. Сваи под подошвой плиты образуют 3 концентрических круга, длина которых составляет от 27 до 35 м, увеличиваясь по мере приближения к центральной части здания. Как и в предыдущем случае, была реализована широкомасштабная программа геотехнического мониторинга. Измерительные приборы были установлены под плитой и внутри стволов свай. Результаты мониторинга показали, что нагрузки от здания были распределены приблизительно в равных пропорциях. Буронабивные сваи передают нагрузку на грунт в первую очередь через трение на боковой поверхности в нижней части свай.

Небоскреб Коммерцбанк-Тауэр, высота которого составляет 259 м, а со шпилем - около 300 м, до постройки в 2003 г в Москве здания Триумф-Палас оставался высочайшим в Европе. Башня расположена в юго-восточной части Франкфурта-на-Майне. Этот район характеризуется относительно близким к поверхности залеганием толщи франкфуртский известняков, на площадке строительства этого сооружения это 39-40 м. В непосредственной близости от проектируемого здания располагалось существующее высотное здание, принадлежащее тому же банку и построенное на базе плитного фундамента.

Здание было построено на 111 сваях, задача которых была практически полностью перенести нагрузку от сооружения на относительно прочную толщу известняков. Были использованы телескопические сваи, диаметр которых составлял в верхней части 1,8 м, в нижней - 1,5, а длина варьировалась в интервале 37,6-45,6 м. Величина заглубления в толщу известняков составила около 9 м. Изучение геологического строения участка строительства при этих параметрах сооружения производилась более чем на 100 м. В ходе разработки конфигурации свайного фундамента применялся расчетный метод конечных элементов с использованием упруго-пластичной модели. С целью улучшения прочностных свойств кавернозных и трещиноватых известняков было проведено цементное инъецирование грунтов [31]. Очевидно, что применение зарубежных наработок и технологий в области проведения изысканий, проектирования и строительства высотных сооружений необходимо, и, в той или иной мере, этот опыт учитывался при строительстве первых высотных сооружений нового поколения в г. Москве. В частности, главное здание Сбербанка на ул. Вавилова, построенное в 1997 г., стало первым в России сооружением, построенным на базе плитно-свайного фундамента, к разработке проекта конструкции которого были привлечены многие специалисты, работавшие над проектами высотных зданий Франкфурта-на-Майне. Под руководством немецких специалистов также выполнялись испытание свай методом Остенберга (погруженного домкрата) при строительстве зданий комплекса "Федерация" ММДЦ Москва-Сити [29]. Фактически, при проектировании и строительстве большинства крупнейших высотных объектов в России производилось привлечение иностранных, прежде всего немецких специалистов на том или ином этапе. Многие авторитетные зарубежные геотехники участвовали в создании проекта нормативного документа МГСН 4.19-05 "Многофункциональные здания и комплексы", так что в каком-то смысле можно говорить о преемственности российской геотехнической школы по отношению к европейской.

Выводы по главе 1

Анализ примеров из практики проектирования и строительства крупнейших мировых высотных сооружений позволяет сделать вывод об отсутствии четкой системы закономерностей в области проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства. Многообразие инженерно-геологических и природно-технических условий и конструктивных особенностей высотных зданий обуславливает практическую невозможность разработки универсальной инструктивной методики в этой области. Однако эти же примеры хорошо иллюстрируют принципиальные различия в подходе к проведению инженерно-геологических изысканий, принятом за рубежом и в РФ.

Процесс проведения инженерных изысканий для строительства ответственных сооружений в зарубежной практике рассматривается как этап разработки проекта фундаментного основания здания. Такой подход можно назвать "геотехническим" - материалы инженерных изысканий в этом случае рассматриваются не как самостоятельный продукт, а как массив данных, позволяющий осуществить построение геомеханической модели, на основе которой разрабатывается фундамент сооружения.

Проектирование и строительство высотных зданий "второго поколения" в г. Москве и других крупных городах РФ ведется в условиях жесткой регламентации нормативно-правовыми документами и контроля со стороны экспертных органов. При этом наблюдается тенденция к ужесточению требований в части, касающейся определения объемов полевых и лабораторных работ. При проведении инженерно-геологических изысканий на застроенных территориях, выполнение этих требований зачастую невозможно из-за административных ограничений. Тем не менее, при осуществлении Государственной экспертизы проектных материалов, факты уменьшения объемов работ по сравнению с приведенными в нормативных документах служат причиной признания результатов изысканий некондиционными. Выносятся требования о проведении дополнительных работ и бурении недостающих скважин, что на практике приводит только к учащению случаев фальсификации изыскательских материалов. В то же время осуществляется отход от применения территориальных строительных документов, что в условиях разнообразия инженерно-геологических условий на территории РФ можно расценивать только как стремление к формализации отрасли инженерно-геологических изысканий.

Примером организации нормативно-правовой базы в строительной отрасли может служить единая система технических регламентов - Еврокодов, заменившая национальные стандарты и действующая на всей территории Евросоюза начиная с 2010 г. Европейскую систему технического регулирования строительной области можно назвать "рамочной" - в единой для ЕС части практически отсутствуют требования к технологиям проведения инженерно-геологических изысканий, которые делегируются в национальные приложения [116]. Таким образом, осуществляется одновременный учет территориальных особенностей и регламентация общеевропейских требований.

Существенным отличием европейской системы технического регулирования является то, что использование Еврокодов базируется на презумпции соответствия результатов инженерно-геологических изысканий требованиям нормативных документов. Применение этого принципа не отменяет осуществление контроля качества проектных материалов, но оставляет за изыскателями и проектировщиками существенно бомльшую свободу в выборе методов и средств проведения испытаний по сравнению с российской практикой. Контроль качества результатов инженерно-геологических изысканий при этом осуществляется по многоэтапной схеме. К экспертизе ответственных проектов за счет средств инвесторов муниципалитетом в обязательном порядке осуществляется привлечение независимых авторитетных экспертов. Однако высокий уровень качества изыскательских работ обеспечивается в первую очередь за счет функционирования систем страхования ответственности и подготовки и контроля деятельности инженерных кадров. С позиции проектно-изыскательских организаций от качества проработки проектных материалов зависят суммы страховых взносов, а с точки зрения специалистов каждое ошибочное решение может стать причиной понижения в должности или лишения аккредитации на ведение профессиональной деятельности [83].

Из всего вышеизложенного следует вывод о том, что на сегодняшний день в РФ назрела критическая необходимость в пересмотре подхода к нормативно-правому обеспечению проектно-изыскательских работ. В первую очередь это касается инженерных изысканий, направленных на строительство уникальных сооружений, таких как высотные здания. Для этого необходима разработка "рамочного" документа, в котором будут заложены принципы проведения инженерных изысканий под такие объекты и территориальных инструкций по их применению в разных региональных инженерно-геологических условиях.

Глава 2. Принципы проведения инженерно-геологических изысканий для высотного строительства

Методика инженерно-геологических изысканий - научно-практическое направление, находящееся на стыке инженерной геологии, грунтоведения и геодинамики, занимающееся исследованием и разработкой правил, приемов и технологий проведения инженерно-геологических работ. В отличие от других направлений инженерной геологии, изучающих геологическую среду, ее свойства и происходящие в ней геологические процессы, объектом методики является процесс производства инженерно-геологической информации. Благодаря трудам таких ученых как Г.К. Бондарик, Н.В. Коломенский, Л.Г. Ломтадзе, Ф.П. Саваренский, Е.М. Сергеев на сегодняшний день разработана обширная база методических разработок в области проведения инженерно-геологических изысканий [3].

Разделяются общие методологические исследования, рассматривающие теоретические и технологические вопросы проведения инженерно-геологических работ безотносительно специфики конкретных видов строительства и специальные, в число которых попадает разрабатываемая методика инженерно-геологических изысканий для высотного строительства. Первая группа методологических разработок имеет фундаментальный характер, в то время как вторая - скорее прикладной. Специальные методики не могут противоречить общим методологическим положениям, но могут их уточнять в отдельных аспектах.

Специальные методологические разработки направлены на оптимизацию процесса проведения инженерно-геологических исследований с учетом особенностей вида хозяйственной деятельности. В основе процесса оптимизации лежит положение о том, что инженерно-геологическую информацию следует получать в данных природных условиях методами, требующими минимально необходимых, но достаточных затрат труда, средств и времени, т.е. обеспечивающими получение информации нужного качества в требуемые сроки [3].

Проблема оптимизации инженерно-геологических изысканий осложняется тем, что объемы инженерно-геологических работ и методы их выполнения зависят как от условий решаемой инженерной задачи, так и от природных, в том числе геологических условий [3]. Обзор зарубежных и отечественных публикаций и опыт работ на высотных объектах города Москвы свидетельствуют о том, что разработка абсолютно полной и универсальной методики инженерно-геологических исследований и изысканий для высотного строительства, учитывающей все многообразие природно-технических условий вряд ли возможна. Однако можно выделить ряд взаимосвязанных принципов, выполнение которых позволит оптимизировать процесс инженерно-геологического обеспечения высотного строительства. Некоторые из них давно известны и на первый взгляд тривиальны, некоторые формулируются впервые, однако только комплексная их реализация на практике обеспечит соблюдение критериального условия оптимизации: сокращения сроков и стоимости проведения инженерно-геологических работ при обеспечении процесса проектирования инженерно-геологической информацией в достаточном объеме и нужном виде.

2.1 Принцип этапности работ

Практика проведения инженерных изысканий для строительства зданий и сооружений предполагает соблюдение стадийности работ, увязанной с основными этапами их проектирования и строительства:

1. инженерно-геологические изыскания для разработки предпроектной документации (стадия "ПП");

2. инженерно-геологические изыскания для разработки проекта (стадия "П"); геологическое проектирование высотное строительство

3. инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей документации (стадия "РД");

4. инженерно-геологические изыскания в период строительства, эксплуатации и ликвидации зданий и сооружений [73].

Каждая из стадий включает в себя комплекс работ, направленных на решение специфических задач этапа и обеспечивающий постепенную детализацию изучения массива. Однако в современных условиях, в особенности в крупных городах эта этапность соблюдается редко, что обусловлено сжатостью сроков строительства объектов, сложностью процедуры регистрации и проведения полевых исследований в пределах городской черты.

Так или иначе, современные реалии таковы, что работы на предпроектной стадии, как правило, не проводятся вовсе, а на стадиях "Проект" и "Рабочая документация" часто объединяются. При проектировании ответственных сооружений, таких как высотные здания, экономия времени, скорее всего, окажется мнимой и приведет либо к необходимости проведения дополнительных исследований на завершающих этапах проектирования, либо к вынужденной необходимости заложения в проект значительных коэффициентов запаса прочности, исключающих строительные риски, но существенно удорожающие строительство.

Рассмотрим особенности проведения изысканий на разных стадиях строительства.

Инженерные изыскания для строительства с целью обоснования предпроектной документации должны обеспечивать комплексное изучение природных и техногенных условий региона (района, площадки), осуществление прогноза возможного изменения этих условий при взаимодействии с объектами строительства [72].

Инженерно-геологические исследования и изыскания для разработки предпроектной документации проводятся:

· при составлении различного рода схем, концепций и программ развития регионов;

· при разработке градостроительной документации;

· при разработке обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений [73].

Работы на этой стадии могут быть разделены на две больших группы, согласующиеся с классификацией этапов инженерно-геологических работ, предложенной Г.К. Бондариком и Л.А. Ярг [3]:

1. Исследования, направленные на выбор участков, характеризующихся благоприятными для строительства высотных сооружений инженерно-геологическими условиями, осуществляемые в рамках Генерального планирования. В соответствии с Градостроительным кодексом г. Москвы, "разработка Генерального плана должна осуществляться с учетом результатов реализации действующего Генплана, результатов инженерных изысканий, нормативно-правовых актов и региональных планов и программ". По существу же, механизм геологического обоснования осуществления деятельности на этапе градостроительного проектирования не описан ни в одном документе, и можно сказать, что размещение высотных объектов в пределах городской территории сегодня ведется исключительно в соответствии с функциональными соображениями.

2. Изыскания на стадии предварительного проектирования, проводимые с целью проведения оценки инвестиционной привлекательности проекта, определения базовой стоимости строительства, осуществления первичного выбора конфигурации фундаментного основания и составления программы инженерно-геологических изысканий на стадии "Проект" с учетом особенностей геологических условий строительного участка. Градостроительный кодекс РФ не содержит требований об осуществлении проектирования на предпроектной стадии, хотя ряд нормативно-правовых документов прямо или косвенно указывает на необходимость разработки предпроектной документации [70]. Требования документов, регламентирующих проведение инженерно-геологических изысканий на этом этапе достаточно разрознены и размыты. Так, "Инструкция по инженерно-геологическим и геоэкологическим изысканиям в г. Москве" регламентирует выполнение инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий на предпроектной стадии с целью проведения общей оценки геологических условий территории, осуществления предварительного выбора типа фундамента сооружения, выявления специфических грунтов и опасных геологических и инженерно-геологических процессов, при наличии которых строительство высотных зданий на данном участке допускается лишь после специального обоснования [27], однако составы и объемы работ на этой стадии нигде не определены.

Итак, в современных условиях проведение инженерно-геологических изысканий на предпроектной стадии в крупных городах - скорее исключение, чем правило. Механизм инженерно-геологического обоснования программ, разрабатываемых в рамках Генерального планирования не ясен, инженерно-геологические изыскания для разработки эскизных проектов сооружений не проводятся в первую очередь в связи со сложностью и бюрократизированностью процесса оформления разрешительной документации на проведение полевых работ и непониманием инвесторами и заказчиками строительства факта, что наличие априорных сведений об инженерно-геологических условиях площадки строительства и обоснованное их применение в перспективе приведет к сокращению его сроков и стоимости.

С введением в действие "Положения о составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию", утвержденного постановлением Правительства Российской Федерации от 16.02.2008 № 87, законодательно установлено двухстадийное проектирование с разработкой, соответственно, проектной документации и рабочей документации [70]. Таким образом, в отличие от предпроектных изысканий, содержание материалов проектной документации на этих стадиях четко регламентируется нормативными документами, и они проходят государственную экспертизу. Инженерно-геологические изыскания для разработки проекта строительства предприятий, зданий и сооружений должны обеспечивать комплексное изучение инженерно-геологических условий выбранной площадки и прогноз их изменений в период строительства и эксплуатации с детальностью, достаточной для разработки проектных решений. Инженерно-геологические изыскания должны обеспечивать получение материалов и данных для обоснования компоновки зданий и сооружений, конструктивных и объемно-планировочных решений, составления генерального плана проектируемого объекта, разработки мероприятий и сооружений по инженерной защите, охране геологической среды и созданию безопасных условий жизни населения, проекта организации строительства [73].

Инженерно-геологические изыскания для разработки рабочей документации должны обеспечивать детализацию и уточнение инженерно-геологических условий конкретных участков строительства проектируемых зданий и сооружений, прогноз их изменений в период строительства и эксплуатации с детальностью, необходимой и достаточной для обоснования окончательных проектных решений [73].

Как говорилось выше, в современных условиях эти две стадии обычно объединяются. Не редки случаи, когда инженерно-геологические работы на стадии "РД" проводятся только после того, как проектирующая организация сталкивается с недостаточностью материалов проведенных изысканий для разработки окончательного проекта сооружения, в результате чего весь процесс проектирования подземной части приостанавливается до момента окончания работ.

Инженерно-геологические изыскания в период строительства, эксплуатации и ликвидации предприятий, зданий и сооружений должны обеспечивать получение материалов и данных о состоянии и изменениях отдельных компонентов геологической среды на территории объекта [73]. Эти работы должны обеспечивать получение материалов и данных для:

· установления соответствия или несоответствия природных условий, заложенных в рабочей документации - фактическим;

· оценки качества возводимых сооружений и их оснований, проверки соответствия их проектным требованиям с установкой, при необходимости, контрольно-измерительной аппаратуры;

· оценки состояния зданий и сооружений и эффективности работы систем их инженерной защиты;

· выполнения специальных инженерно-геодезических, инженерно-геологических, гидрогеологических, кадастровых и других работ и исследований (наблюдений);

· локального мониторинга компонентов окружающей среды;

· санации и рекультивации территории (при необходимости) после ликвидации объектов [72].

Итак, к этой категории относится широкий спектр работ разного вида. Не будем останавливаться на вопросе проверки соответствия природных условий данным описанным в материалах инженерных изысканий - это в первую очередь вопрос компетенции изыскательских организаций, проводящих их. В свете специфики высотного строительства к наиболее важным исследованиям на этой стадии можно отнести проведение дополнительных натурных испытаний со дна строительных котлованов и осуществление локального мониторинга компонентов окружающей среды. Изыскания на этих стадиях проводятся не всегда, однако при строительстве высотных зданий нормативные документы регламентируют их как обязательные (см. раздел 1.2).

Таким образом, можно констатировать, что наблюдаемая тенденция к упрощению процедуры проведения инженерно-геологических изысканий для строительства высотных зданий, заключающаяся в сокращении их стадийности и обусловленная в первую очередь сложностью оформления и проведения полевых работ в городской черте, увеличивает риск возникновения ошибок в проектировании и в перспективе увеличивает сроки и стоимость строительства. Отсюда вытекает принцип этапности работ: инженерно-геологические исследования и изыскания для строительства высотных зданий должны быть неразрывно связаны с основными этапами проектирования их подземных частей.

2.2 Принципы альтернативности местоположения

Иcходя из вышеизложенных соображений, очевидно, что в современных условиях проведение полноценных многостадийных полевых исследований в пределах мегаполисов на ранних стадиях проектирования (и в особенности при решении задач Генерального планирования) возможно далеко не всегда. В то же время, выход из сложившейся ситуации может быть найден путем вовлечения в процесс на ранних стадиях проектирования массивов архивной информации, накопление которой осуществляется во всех крупных городах по мере их застройки. Однако прямое ее применение, как правило, невозможно - фондовые материалы разрознены, распределены по городской территории неравномерно и имеют недостаточную глубину изучения. Первый шаг на пути решения этой проблемы - систематизация, унификация и критический анализ имеющихся материалов. После этого, на основе этих данных должна быть осуществлена разработка геологической основы для проектирования, охватывающей всю городскую территорию или значительные ее части (например, районы перспективного освоения). Наиболее традиционный метод представления такой информации - разработка карт и схем инженерно-геологических условий и районирования. Однако на современном этапе развития строительной отрасли, когда подземное пространство представляет собой сложную многоярусную систему, включающую в себя существующие сооружения и коммуникации, этот метод становится все менее информативным. Наиболее актуальный и функциональный способ вовлечения архивных данных в процесс осуществления градостроительной деятельности заключается в разработке баз геотехнических данных и компьютерных объемных моделей геологического пространства городских территорий.

Компьютерная модель геологического пространства, по сути, представляет собой набор трехмерных тел, описывающих пространственное распространение геологических формаций, литотипов, стратотипов и их комплексов, водоносных горизонтов, областей распространения опасных геологических процессов, инженерно-геологических элементов и т.д., взаимоотношение которых определяет особенности геолого-гидрогеологических условий в каждой точке пространства. В свою очередь, их соотношение с модельными телами проектируемых сооружений с учетом зон влияния характеризует условия освоения подземного пространства. Критерии оценки этих условий при этом могут гибко варьироваться в зависимости от решаемых задач.

Разработка таких моделей ведется с использованием существующих или специально разработанных геоинформационных программных продуктов. Основой для разработки трехмерной модели геологической среды служит база данных, включающая в себя обработанные и унифицированные фондовые материалы (как точечные (скважины), так и площадные картографические).

Опыт зарубежных (прежде всего Европейских) городов, таких как Лондон [90], Глазго [92], Турин [95] и пр. свидетельствует о том, что такие модели находят широкое применение в процессе осуществления градостроительной деятельности. По сравнению с классической картографией трехмерное моделирование характеризуется рядом преимуществ, в том числе:

* существенно большей информационной емкостью;

* возможностью перманентного пополнения базы данных и оперативной корректировки материалов;

* широкими возможности информационного анализа и геологического прогнозирования;

* возможностью оперативного доступа и визуализации больших объемов фактографической информации;

* возможность интеграции с моделями подземных и наземных сооружений, коммуникаций и т.д.

Методика и средства разработки таких моделей могут быть самыми разными, однако несомненно, что трехмерная модель геологического пространства должна выполнять функции геологической основы для Генерального планирования. Однако одной лишь основы для эффективного функционирования системы такого обоснования градостроительной деятельности в масштабе города недостаточно - необходима разработка критериев оценки условий освоения подземного пространства, одновременно учитывающих специфику высотных зданий и региональные геолого-гидрогеологические условия. Это позволит при разработке программ размещения высотных зданий в пределах городской территории (таких, например, как "Новое кольцо Москвы") наряду с соображениями функциональности осуществлять учет удорожания и технического усложнения строительного процесса за счет геологических факторов. С учетом того, что высотные здания существенно варьируются по высоте (которая косвенным образом связана со значением величин нагрузок на фундаментное основание) и заглубленности (опять же, косвенным образом связанной с высотой сооружения), механизм такого учета может быть достаточно гибок. Отсюда вытекает принцип альтернативности местоположения высотных зданий - при осуществлении территориального планировании их размещения в пределах городской территории в расчет должны приниматься не только функциональные соображения, но и инженерно-геологические условия в разных точках геологического пространства в пределах городской территории.

Применение технологий трехмерного моделирования геологической среды для задач градостроительного проектирования прогрессивно и актуально, но на первом этапе может быть затруднено в связи с отсутствием или непроработанностью инструментов визуализации и интерпретации данных. Однако при наличии разработанных критериев оценки условий освоения подземного пространства модель может быть с легкостью преобразована в комплект более привычных специальных карт и схем. Опыт разработки специальной модели геологического пространства городской территории и критериев оценки условий освоения подземного пространства территории г. Москвы для целей высотного строительства приведен в гл. 3.

2.3 Принцип перманентного моделирования

Следующая стадия проектирования, которая должна быть обеспечена геологической информацией - разработка предварительного (эскизного) проекта сооружения. На этом этапе локализация объекта до уровня строительного участка уже выполнена. В рамках работ осуществляется первичное "виртуальное" размещение подземной части высотного здания в геологической среде в пределах ограниченного участка, по результатам которого со стороны проектирующей организации принимаются принципиальные объемно-планировочные решения, а со стороны изыскательской осуществляется предварительная инженерно-геологическая схематизация массива и разрабатывается комплекс полевых и лабораторных исследований.