Инженерно-геологические изыскания города Москвы

Применяется редко. Сущность состоит том, что винтовой породоразрушающий инструмент завинчивается в грунт, а затем извлекается на поверхность. При этом размещенный на лопастях инструмента грунт срезается по боковым поверхностям. Способ может использоваться только в рыхлых и мягких грунтах.

· Роторное бурение.

Применяется только для бурения гидрогеологических скважин на воду, позволяет бурить скважины любого диаметра на любую глубину.

· Ударно-канатное бурение.

Отличается простотой технологии, высокой производительностью. Недостатки метода: невозможность проходки скважин в скальных грунтах, малая длина рейса, невозможность отбора качественных монолитов. Рассмотрим схему ударно-канатного бурения. Кривошипно-шатунный механизм 11, 12 приводит в движение балансирную раму 13, при опускании которой оттяжной ролик 14 натягивает инструментальный канат 7 и поднимает долото 1 над забоем на 0,5-1,5 м. При подъеме балансирной рамы долото падает и разрушает породу. Буровой снаряд канатного бурения кроме долота 1, ударной штанги 2 массой 1-2 т, каната и канатного замка 6 для их соединения включает раздвижную штангу 5 (ясс) и расширитель 3, который обеспечивает увеличение диаметра скважины больше наружного диаметра обсадной колонны 4, внутри которой он опускается.

· Вибрационный метод бурения.

Наиболее производительный метод (до 50-70 м/смену). Вибрационное бурение обеспечивает проведение качественной геологической документации исследуемого разреза.

Что можно сказать о рельефе Москвы в целом? Территория эта сугубо равнинная, хоть и не плоская. В первом приближении такой рельеф типичен для всей Русской равнины, но только в первом приближении, так как именно особенности рельефа и речной сети обусловили возникновение столицы Русского государства в данном месте. Самая низкая точка города находится вблизи Бесединского моста, где река Москва покидает город, и соответствует урезу реки -114,2 м над уровнем моря. Отсюда река устремляется в загородные просторы Мещерской низменности. Самая высокая точка - 255,2 м - расположена у метро "Тёплый Стан" в центре Теплостанской возвышенности. Перепад высот, таким образом, составляет примерно 140м. Между этими точками более 17 км. Но в Москве есть места, где значительные перепады высот свойственны близлежащим участкам. Так Воробьёвы горы возвышаются над рекой Москвой на 70 м. От кромки коренного берега до русла здесь всего 400 м. Лишь немногим меньшие перепады высот характерны для Крылатских холмов (65-70 м). Рельеф Москвы не типичен для её окрестностей. Если к этому добавить особенности речной сети, рассмотренные в соответствующей главе, а также геологические и почвенные различия, то станет ясно, что природа каждой части города специфична. Разнообразие геоморфологических, почвенных и т.п. условий породило разнообразие флоры, а вследствие этого и фауны разных частей Москвы. Именно разнообразие природных условий способствовало быстрому росту города, предопределило его будущую необычную судьбу и дало возможность стать столицей великого государства. Таким образом, мы приходим к необходимости рассматривать рельеф каждой части Москвы отдельно. Москва возникла и долгое время развивалась в долине р. Москвы на её террасах, постепенно осваивая долину Яузы и междуречье этих двух главных рек города - пологие и низкие отроги Смоленско-Московской возвышенности. Северо-восточный вытянутый выступ этой возвышенности иногда называют Клинско-Дмитровской грядой, а междуречье Москвы и Яузы считают её южным пологим склоном. В 1950-е годы город стал подниматься также на Теплостанскую возвышенности, кроме того, осваивать плоские поверхности Мещеры.

На глубинах более 1 км везде в Москве находится кристаллический фундамент, образованный магматическими (мигматиты, гранулиты) и метаморфическими породами (гнейсы, кристаллические сланцы). Магматические породы образовались в результате внедрения магмы в древнейшие осадочные слои, а метаморфические - возникли из осадочных пород под действием высоких температур и давлений. Они и преобладают в составе фундамента, который появился в архее и нижнем протерозое - примерно 1,5-3 миллиарда лет назад. На кристаллическом фундаменте покоится толща осадочных пород, так называемый осадочный чехол. Наиболее явная унаследованность присуща отрезкам долин, находящимся над разломами (шовными зонами) организмов. Море существовало здесь с небольшими перерывами более 100 миллионов лет. В настоящее время известняки выходят на поверхность западнее Москвы (за Звенигородом) и южнее (в районе Подольска, Мячкова). В прошлом они обнажались и в Москве у Дорогомилова близ русла р. Москвы, но сейчас этот участок затоплен вследствие искусственного поднятия уровня воды в р. Москве. Тем не менее, карстовые явления (образование полостей в породах из-за их растворения) иногда приводят к возникновению провалов. Такие явления отмечены, например, в районе Ходынского поля. В конце карбона море отступило к Уралу, и территория будущей Москвы в пермском периоде палеозоя и триасовом периоде мезозоя примерно на 110 миллионов лет опять стала сушей. Новые осадочные слои практически не возникали, и, наоборот, шло эрозионное разрушение известняков.

Следующее наступление моря произошло в юрском периоде мезозоя, и в течение юрского и последующего мелового периодов море периодически то заливает, то освобождает территорию будущего города. За десятки миллионов лет отлагаются мощные слои глин и песков, так как неподалёку всегда находятся участки суши, откуда этот материал сносится реками. Отложения юрского периода представлены песками и глинами разного цвета, но, как правило, сероватыми или тёмными. Особенно известны сажисто-чёрные глины с остатками вымерших морских организмов - брахиопод, аммонитов и белемнитов, в просторечии называемых "чёртовыми пальцами". Эти глины выходят на поверхность во многих местах у рек и в том числе по берегу р.Москвы (например, по левому берегу ниже Карамышевской.

Для мест выхода юрских глин характерен оползневой рельеф, который подробно описывается ниже. С юрскими глинами и оползнями связано также особенно сильное петляние (меандрирование) р. Москвы на участке от Звенигорода и до выхода из города Москвы. Выше Звенигорода и ниже г. Москвы, где на поверхность выходят известняки, р. Москва течёт прямее Последующий, меловой период, сходен с юрским. На территории будущей Москвы большую часть этого отрезка времени тоже плескалось море. Откладывались пески и глины, сносимые с близлежащих участков суши. Однако, наиболее характерны пески. Когда-то они лежали по всей территории, но в пределах москворецкого левого бережья позднее во многих местах были содраны наступающими ледниками, смыты потоками талых ледниковых вод при отступлении ледников или уничтожены реками. Особенно хорошо сохранились пески мелового периода на Теплостанской возвышенности. Ледниковые, водно-ледниковые и озёрно-ледниковые отложения имеют большое и местами решающее значение в формировании рельефа современной Москвы. Ледниковые (моренные) отложения представляют собой смесь песка, глины и более или менее окатанных камней самого разного размера (валуны, галька). Наличием валунов они резко отличаются от глин и песков юрского и мелового периодов, а также от безвалунных покровных суглинков позднейшего происхождения. Водно-ледниковые отложения сходны с ледниковыми по составу, но материал рассортирован по размеру частиц (как в русле любого ручейка).

В послеледниковое время рельефообразующее значение имела деятельность рек (возникновение пойм и надпойменных террас), а также процессы формирования болотных отложений и некоторые другие. В результате деятельности поверхностных сил из нижележащих пород самыми различными способами возникли покровные безвалунные суглинки, которые вне речных долин покрывают поверхность Москвы, являясь почвообразующей породой.

В последние века основной фактор изменения рельефа - это деятельность человека. Возник, в частности, культурный слой, который различен в разных частях Москвы. Необходимо также сказать несколько слов о новейших тектонических и т.п. движениях на территории. Согласно геодезическим наблюдениям, территория Москвы в среднем оседает на 3 мм в год. Теплостанская возвышенность относительно этого фона почти не движется, но остальные части Москвы испытывают тектонические опускания со скоростями до 2 мм в год, а поэтому можно считать, что Теплостанская возвышенность относительно остальной части Москвы даже поднимается. Примыкающие к долине р. Москвы участки опускаются относительно фона со скоростями порядка 1 мм, центральная часть Москвы - от 0,5 до 1 мм. С максимальной скоростью (от 1,5 до 2 мм) опускается восточная, мещерская, часть города. Таким образом, закономерность проявляется достаточно чётко: если не учитывать долины рек, то чем ниже территория, тем сильнее она опускается. Впрочем, направленность причинно-следственных связей, вероятно, другая. Теплостанская возвышенность потому и высока, что в течение длительного времени испытывала тектоническое поднятие, а Мещера потому и низка, что длительное время опускалась. Эта разница "подчёркнута" ледниками и их талыми водами, которые оказали наибольшее воздействие на низ.

Рельеф определяет сложность инженерно-геологических условий на территории города, которые влияют на архитектурно-планировочные решения. Градостроительство существенно изменило первоначальный рельеф. Было засыпано более 100 небольших рек, ручьев и оврагов, десятки стариц, болот, свыше 700 прудов.

3.2 Геоморфология

Инженерно-геологическая область города, в истрико-геологическом аспекте рассматривающаяся как область унаследованного развития речных долин, совпадает с границами современных долин рек Москвы и Яузы и занимает почти треть территории города, пересекая ее с северо-запада на юго-восток. Территория характеризуется интенсивной техногенной нагрузкой. Здесь отмечается высокая плотность застройки, большое количество старых промышленных предприятий, действуют мощные водозаборы и линии метрополитена. В связи с этим геологическая среда здесь претерпела значительные изменения.

История развития долины р. Москвы определила своеобразный характер строения геологической среды, особенности ее рельефа и гидрогеологической обстановки. Долина имеет асимметричное строение с преимущественным развитием террас на левом берегу, и высокими оползневыми склонами на подмываемых правобережных участках. Наибольшей ширины (до 15 км) она достигает в юго-восточной части города: здесь же наиболее ярко выражена асимметричность ее строения.

В долине выделяются три надпойменные террасы и пойма. Самая древняя III надпойменная терраса (Ходынская), среднеплейстоценового возраста, занимает наибольшие площади в городе. Ровная поверхность ее имеет небольшие (1,5--3°) уклоны, расчленена на большую (до 25--30 м) глубину, с превышением над урезом р.Москвы от 30--35 м у тылового шва до 25 м у бровки. Уступ террасы пологий. Абсолютные отметки поверхности составляют 135--160 м.

II надпойменная терраса, позднеплейстоценовая, обычно хорошо выражена в рельефе и встречается вдоль всей реки в черте города, имеет слабонаклонную поверхность с уклонами не более 1,5°, пологий уступ. Относительная высота увеличивается от 12 - 18 м у бровки до20 - 22 м у тылового шва.

Схема инженерно-геологического районирования территории Москвы. Условные обозначения: А -область умеренных новейших тектонических движений в кайнозойскую эру с преобладанием устойчивых поднятий; Б - область слабых проявлений новейших тектонических движений в кайнозойскую эру с преобладанием поднятий; В - область весьма слабых проявлений новейших тектоническим движений в кайнозойскую эру с преобладанием поднятий; Г - область унаследованного развития речных долин. 1 - номера инженерно-геологических районов (условные обозначения к районам).

Типы строения геологической среды территории Москвы.

Условные обозначения: 1-13 - инженерно-геологические районы (описание в тексте); 2 - пески, 3 - суглинки с валунами и галькой, 4 - суглинки, 5 - глины, 6 - известняки, 7 - оползневые накопления

I надпойменная терраса, также позднеплейстоценового возраста, встречается лишь в виде отдельных фрагментов и имеет относительную высоту 8 - 10 м. Поверхность террасы преимущественно спланирована, особенно в центральной части города.

Пойма тянется практически сплошной полосой вдоль реки. Относительная высота ее 1 - 4 м. Поверхность слабонаклонная, плоская, преимущественно спланированная, характеризуется минимальными морфометрическими показателями глубины расчленения (5-10 м/км2) и уклонами поверхности не более 1,5°.

Область Г наиболее разнообразна по инженерно-геологическим условиям. Наибольшие сложности обусловлены существованием глубоковрезанных древних, доледниковых долин. Основанием четвертичных обложений на разных участках служат либо карбонатные породы среднего и верхнего карбона, либо юрские глины или пески.

Средне-верхнекаменоугольные карбонатные породы вскрываются под четвертичными отложениями в пределах древних погребенных долин, на глубине от 20 до 50 м. Наибольшую протяженность они имеют в пределах прадолин рек Москвы и Яузы. Глубокие размывы установлены в верховьях Яузы, в бассейне р. Лихоборки.

Среднекаменноугольные отложения сложены преимущественно органогенными известняками с прослоями мергелей и доломитов, местами окремненными, пористыми, сильнотрещиноватыми и закарстованными. Верхнекаменноугольные карбонатно-глинистые породы представлены чередованием известняков, мергелей, глин и доломитов. Известняки органогенные, глинистые, мергелистые. Местами окремненные, пористые, кавернозные, сильнотрещиноватые закарстованные местами разрушенные до щебня, с прослоями доломитовой муки. Известняки и доломиты карбона в ненарушенном состоянии обладают высокой прочностью -- в среднем от 20--34 МПа у известняков и до 40-50 МПа у доломитов. С уменьшением зернистости пород прочность возрастает: от 12 МПа у крупнозернистых известняков до 37 МПа у микрозернистых разностей. Наиболее характерные значения модуля упругости известняков -3х104 МПа. для доломитов преобладают значения 4х104 МПа,

По всему разрезу карбонатных пород, и во всех литологических разностях встречаются зоны дробления. В верхнекаменноугольных породах они представлены обломками щебня, дресвы и доломитовой мукой. Мощность их в среднем в породах верхнего карбона составляет 20--50 см, а в среднем карбоне -- от первых сантиметров до 4--5 м. В большей части они приурочены к породам мячковского горизонта и связаны с зонами повышенной трещиноватости.

На остальной территории четвертичные отложения залегают на юрских породах, мощность которых колеблется от первых метров до 20--30 м. Верхние горизонты юры почти повсеместно размыты, и четвертичный комплекс подстилается толщей глин оксфордского яруса. Местами на относительно крупных площадях сохранились глины и пески волжского яруса. Глинистые породы волжского яруса в долине р. Москвы претерпели значительные разгрузки в результате размыва вышележащих пород и обладают низкой уплотненностью и высокими показателями влажности и пористости. Среди четвертичных отложений преобладают песчаные разности аллювиального, флювиогляциального, озерного генезиса. Их мощность в пределах древних долин достигает 50, вне их -- 20--25 м, Современные аллювиальные отложения пойм представлены разнозернистыми песками, в меньшей степени супесями и суглинками с включениями гравия и гальки, часто заиленными, с прослоями и линзами торфов. Общая мощность пойменного аллювия 8 - 15м.

Низкие террасы р. Москвы и ее притоков более однородны по составу аллювия и сложены разнозернистыми песками позднеплейстоценового возраста мощностью до 8 - 10м.

Среднеплейстоценовые аллювиальные отложения представлены мелкозернистыми песками, переходящими в верхней части (2 - 3 м) в неотсортированные валунные пески, общей мощностью до 15 - 17 м. Аллювиальные пески подстилаются либо моренными валунными суглинками донскою возраста мощностью от 3 - 4 до 6 - 7 м, особенно широко развитыми в пределах III надпойменной террасы, либо флювиогляциальными и озерными отложениями сетуньско-донского комплекса мощностью от 5 - 10 до 15 - 20 м.

Особое положение в разрезе занимают техногенные образования, широко развитые в центральной части города, где мощность их в среднем составляет 4 - 6 м и более. Значительные площади поймы заняты насыпными и намывными грунтами. Последние по своему составу близки к аллювиальным грунтам, но отличаются от них более высокой сжимаемостью; при нагрузках они дают значительные, хотя и равномерные осадки. По строительным свойствам наименее благоприятны техногенные отложения в районах засыпки оврагов мелких рек, ручьев, болот, прудов, которые характеризуются разнообразным составом, неуплотненностью, высоким содержанием органики.

3.3 Геологическое строение

Москва расположена на Русской платформе, как говорится в геологии.

Платформа - крупная часть земной коры, которая слабо деформируется, представляет собой жесткую плиту из магматических и метаморфических пород, покрытую сверху осадочным чехлом.

Фундамент Русской платформы состоит из магматических и метаморфических пород, выходит на поверхность в Карелии, на Украине (Днепропетровск), Воронеже. На территории Москвы, он залегает на глубине от 1,5 до 2,5 км, и никакого участия в процессах не принимает. Осадочный чехол мощностью 1,5-2,5 км., сложен породами Девонского каменно - угольного (карбон), Юрского, Мелового и Четвертичного периодов.

На территории Москвы представлены отложения Протерозоя, Кайнозоя, Мезозоя (в верхних до 300 м. разреза, порода Каменноугольного, Юрского, Мелового и четвертичного периода.)

Ш Каменно - угольные отложения представлены преимущественно известняком и доломитом с прослоями мергелей и глины. Известняки и доломиты - прочные скальные породы. Известняки растворимы в воде. Доломиты - слаборастворимы.

Мергель - карбонатно-глинистая порода. 50 % глины, 50 % кальцита, не растворим в воде. Скальная порода малой прочности. Сопротивления раздавливанию 20-30 МПа.

Мергели, известняки, доломиты расчленены трещинами. Прочность их сильно понижена, а спаянность повышена.

Модуль деформации трещиноватых пород меньше в 10-30 раз, по сравнению с модулем деформации горной породы в образце. Водопроницаемость по трещинам: 100 м. в сутки.

Ш Юрские отложения представлены глинами, суглинками, песками (пылеватыми или тонкими). Отличительная особенность юрских отложений - черный цвет, который переходит местами в темно-зеленый. Залегают горизонтальными слоями, имеют большую пористость и среднюю сжимаемость. Они более сжимаемы, чем некоторые из четвертичных отложений. Сопротивление небольшое. Дисперсные грунты, водонепроницаемые.

Ш Меловые отложения представлены песками и суглинками морского происхождения, характерен зеленый цвет. Преимущественно мелкие пески и зеленовато-бурые суглинки с прослойкой глины.

Ш Четвертичные отложения представленными песками, супесями, суглинками, глинами различного происхождения (континентальные отложения).

Речные надпойменные террасы, ледниковые и водно-ледниковые на водораздельных равнинах, болотные и озерные на водораздельных равнинах, покровные. Наиболее древними являются водно-ледниковые и ледниковые отложения. За последние 300 тыс. лет ледник три раза приходил на территорию города. Последнее оледенение закончилось около 15 тыс. лет назад. Ледник оставил три слоя ледниковых отложений (Морена).

Морена - это суглинки с включениями гравийно-галечного и валунных фракций.

Морена имеет бурый цвет и очень высокую плотность. Плотность ее намного больше всех других дисперсных грунтов г. Москвы. Марена - прекрасное основание для промышленных и гражданских сооружений, малосжимаема.

Останкинская башня и МГУ стоят на таких основаниях.

· Водно-ледниковые отложения - это пески и глинистые отложения, сжимаемые и водопроницаемые, средне пригодные для строительства (fgQ).

Водно-ледниковые отложения не содержат органики.

Речные отложения залегают на пойме и террасах, они представлены песчаниками и глинистыми грунтами. Неуплотненные, сильносжимаемы. На таких грунтах строят с применением свай. На террасах Москвы-реки, пойменный слой почти не сохранился, размыт (лежат пески).

· Покровные отложения (pQ3) суглинки, типа Лессов (Лессовидные суглинки), макропористые, непросадочные, однородные, желто-бурые. На них не строят, но в них проложены траншеи инженерных коммуникаций.

· Оползневые отложения (dpQ4): все названные породы, исключая каменноугольные, смещенные вниз по склонам в процессе оползания. Деформированные, разрыхленные.

3.4 Гидрогеологические условия

Гидрогеология- это подземные воды Москвы. В пределах Москвы встречены грунтовые воды, а также межпластовые. Грунтовые воды приурочены в основном в водно-ледняковых отложениях, относящихся к Московко-Днепровскому межледниковью, а также к юрским пескам и к трещиноватым закарстованным известнякам каменноугольного периода.

За последние 15 лет в городе в корне изменилась гидрогеологическая ситуация: увеличилось количество подтопляемых территорий. Это связано, в первую очередь, с потерями из инженерных коммуникаций. К этому следует добавить инфильтрацию воды на открытых территориях (парки, скверы, газоны) - осадки, полив, складирование снега и пр.

Большое влияние на изменение гидрогеологии оказывает освоение подземного пространства. Единичные подземные сооружения, перегораживая поток подземных вод, вызывает подъем уровня перед собой и его спад ниже по потоку. Величина подъема и спада зависит от длинны подземного контура. Здание действует, как подземная плотина. Если освоение подземного пространства производится на значительной площади, то изменения гидрогеологии может быть существенным и повлиять на изменение гидрогеологии целых районов.

Большое влияние на изменение гидрогеологии имеет, как отбор грунтовых вод, так и водоотлив из сооружений метрополитена. Существуют все виды гидрогеологических рисков, кроме вечной мерзлоты:

- оползни;