Лахтинская терра инкогнита: битва за устойчивость небоскреба
Чтобы небоскреб вырос вверх, нужно сначала спуститься вниз. Чем выше здание — тем глубже спуск. Для возведения «Лахта центра», высотой 462 м., пришлось прокопать 40 км скважин, в том числе — глубиной до 150 метров. Сегодняшний пост — про путешествие к центру земли.
Петербург, 2011-й. До начала строительства самого высокого здания в Европе, небоскреба «Лахта центр» — три года. Перед строителями — участок в Лахте, на перешейке Финского залива и Лахтинского разлива. И стоять тут в этот момент немного страшно.
Участок — бывшая пескобаза, граница города и курортной зоны.
Под ногами — четырнадцать гектаров песка, отсеченных от залива полосой гранитных глыб.
В воздухе — песок, соль и сырость. Перед глазами — морской горизонт. На юг — Петербург, на север — Сестрорецк, на запад ничего не видно, но там — путь в Скандинавию: поплывешь мимо Котлина, между Коткой и Нарвой, между Хельсинки и Таллином и упрешься прямиком в Стокгольм.
А стоять и смотреть на это страшно, потому что пока не ясно, можно ли тут строить небоскреб, не найдутся ли под землей сюрпризы в виде хляби под несущим грунтом или карстовых полостей, или особо богатого культурного слоя. Последнее найти приятно, но все ж не на своем участке…
Карстовые образования в Ленобласти. Село Рождествено
Дать ответы на все вопросы должны изыскатели. Они обоснуются в Лахте первыми и проведут тут три года года. Выход с участка — через план: что под землей, на что и как опереться башне.
Открыватели
В 2011 году в Лахте работало много исследователей. На участке, ближе к заливу, расположился наблюдательный пункт орнитологов. Они переписывали количественно-качественный состав и маршруты «птичьих мигрантов» — для прогноза влияния застройки на поведение пернатых и разработки рекомендаций по предотвращению «воздушных происшествий». Экологи делали замеры по шуму, составу воды и воздуха — реперные точки для оценки последующего воздействия строительства и эксплуатации небоскреба. Метеорологи уточняли данные по микроклимату — потом потребуется для проектных построений, испытаний по аэродинамике, антиобледенительным мероприятиям. Археологи… на этот раз — мимо, без открытий.
Нас же сегодня интересуют инженеры-изыскатели — первооткрыватели лахтинских недр.
Их работа охватывала полевые и лабораторные инженерно-геологические исследования. Затем подключались геотехники. За ними — расчеты по фундаментным конструкциям комплекса. На различных этапах участвовало 13 компаний, включая мировых «звезд».
Инженерные изыскания и геотехнические расчеты проведены:
Строительным управлением № 299, ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН (сейсмика), ПИ «Петрохимтехнология» (экология), ТехноТерра, ЗАО «Фирма «Уником» (гидрометеорология плюс радон), ЗАО «Геострой», Фугро ЛоадТест (испытания грунтов сваями), научный центр геомеханики и проблем горного производства Горного университета, НИИОСП им. Н.М. Герсеванова (лабораторные тесты грунтов), ПКБ «Инфорспроект» под научным руководством академика В.И. Травуша, лаборатория МГУ им. М.В. Ломоносова. Проверка расчетов и проектных решений — ARUP.
Некультурный грунт
Сначала разберемся с культурным слоем, в котором иногда откапывают камни преткновения.
20 век — время революционного наступления человека на природу, символом которого можно считать проекты поворота рек вспять. Лахту хозяйственная деятельность не обошла стороной. С 30-х годов тут добывали торф, осушали болота, а с 60-х и вовсе начали менять береговую линию.
Намыв. Песок — со дна Лахтинского разлива (Фото отсюда)
Новая земля — для новых кварталов. В Градпланах Ленинграда 1966–1986 гг в 2-х километрах от «Лахта центра» планировалась «доминанта» и парк, а вокруг (на месте Лахта-Ольгино) — 20 кварталов жилой застройки.
Макет северо-западной части Приморского района, 1975 г. Фото из книги Н. Михайлова «Лахта: пять веков истории», Квартальный надзиратель)
Планировавшаяся доминанта (зеленая стрелка) и сегодняшнее место строительства «Лахта центра» (синяя стрелка): 
Скрин из Гугла
Так намеревались реализовать идею «Морского фасада», сделав Ленинград «красивым приморским городом, обнимающим широким фронтом Финский залив» (цитата отсюда).
***
Ни кварталов, ни доминант в итоге не построили. Зато в 1980 начали сооружать дамбу, маршрут которой проходил через Сестрорецк и Колтин на юг.
Фото из альбома 1 «Защита Петербурга от наводнений. Фотографии, события, факты, люди»
Исторический курьез в том, что участок возведения супернебоскреба внес вклад и в мега-проект с дамбой. Тут складировали и приводили в кондицию песок для стройки защитных сооружений. Песчаные горы уходили на высоту до 30 метров — вровень с десятиэтажками через Лахтинскую гавань.
Конечно, когда сюда ступила нога первого изыскателя «Лахта центра», «барханы» вывезли. От них остался «техногенный слой» — песок, мощностью около метра. Исторической ценности такой культурный грунт, конечно, не представляет.
***
Интересно, перед тем, как песок вывезли, успел ли кто-нибудь сделать так:
Вниз!
Исследования грунта можно разделить на три блока: полевые, лабораторные и расчеты, которые строятся по результатам первых двух.
Как мы рассказывали тут, грунт представляет собой подобие «слоеного пирога». Главная задача — выяснить, на каких отметках залегают разные слои и уточнить их свойства — провести испытания в поле и в лаборатории. Для этого бурят скважины. Вероятность «сюрпризов» при строительстве — в прямой зависимости от глубины и частоты бурения.
За год на участке «Лахта центра» пробурили более 200 скважин, общая протяженность которых — свыше 40 км. Сетка скважин — 20×20 метров. Это — самая плотная сетка, которая применяется только для особых случаев — уникальных зданий, возводимых в непростых грунтовых условиях.
Схема скважин
Глубина бурения — до отметки минус 150 метров. До кристаллического фундамента не дошли — в Лахте тот залегает на глубинах от минус 187 до минус 211 метров.
Почему бурение остановили на отметке минус 150 м.?
Понять, где остановится, строителям помогают СНиПы. Идти до щита или платформы не нужно. Глубина бурения зависит от величины сжимаемой толщи грунта. Берется подошва сваи (она уже есть в проекте на тот момент) и от нее отсчитывается 20 метров вниз. Этого достаточно. Пята самых глубоких свай под башней «Лахта центра» — на отметке минус 82 м. Чтобы подтвердить строение толщи грунта, вычисленное геофизическими методами выполнено бурение двух скважин на глубину минус 150 метров.
Грунт со снарядами
Скважины бурят, чтобы провести разные серии испытаний. Узнаем про некоторые.
Винтовой штамп
Выглядит так: 
Схема: 
Упрощенно, штамп — это поршень, цилиндр которого вдавливают в грунт. Изыскатель измеряет, насколько штамп углубился и какие усилия для этого пришлось приложить. Штамповые исследования показывают прочность грунта.
Типовая конструкция пригодна для работы на глубинах до минус 20 м. Специально для лахтинских испытаний разработан «снаряд двойной дальности» — с усиленным поршнем. Его удалось погрузить на глубины до минус 40 м — несмотря на то, что «кровля верхнекотлинских отложений верхнего венда» располагается на площадке на глубине около минус 20 м. Это означает, что с минус 20 м начинаются глины твердой консистенции. Название консистенции — не формальность. Уже с минус 40 м глина тверда настолько, что нет поршней, способных вдавить в нее штамп.
В эту плотную глину не вдавливают, в ней бурят — вот такими серьезными бурами. Или такими — с выдвижными ножами для зачистки забоя скважины:
Оба бура — свайные, и о них мы еще расскажем.
Минус 40 — рекордная глубина работы штампов и, по расчетам геотехников, предельная.
Прессиометрические испытания
Ниже минус 40 метров в ход пошло прессиометрическое оборудование.
Принцип его работы такой. Заранее готовят скважину. Затем в нее опускают эластичную камеру. В камеру подается давление, она увеличивается и давит на грунт, после чего измеряется деформация толщи от воздействия. И вот тут есть одна нестыковка. Камера давит на грунт горизонтально, а будущее здание будет давить вертикально. Кажется, что особой разницы нет, но это — не так. Если вернуться к аналогии со слоеным пирогом, то это легко понять. Надавите на него сверху — будет одна деформация, а если сбоку — другая, ведь вы будете давить на конкретный слой: крем будет сжиматься одним образом, а бисквит — другим.
(Фото отсюда)
Чтобы получить достоверные данные от прессиометрических испытаний, вводят поправочные коэффициенты, плюс перепроверяют значения дополнительными методами — например, статическим зондированием. В остальном тест универсален и пригоден для работы на любых глубинах. В Лахте его использовали на отметках от минус 25 до минус 130,5 м.
Итог испытаний — нормативное значение модуля деформации составило не менее 100 МПа с глубины 30 м и ниже.
Съемки в скважине на отметке — 80 м.
Тестовые сваи
Еще один полевой метод — испытание грунтов сваями. Проводилось по технологии «Ячейка Остерберга» (О-Селл). Во время теста сваю устанавливают в грунт, затем на нее воздействуют гидравлическими домкратами — давят сверху и по боковым поверхностям. Это показывает, как работает свая в грунте под нагрузкой, как минимум равной той, что окажет здание. Испытание считается законченным, когда не выдержит один из трех «участников»: либо достигнут предел поверхностного трения сваи о грунт (то есть — дальше не хватит его несущей способности), либо — деформируется свая, либо — достигнута предельная мощность оборудования.
В Лахте тестовых свай было 4. Процесс испытаний затянулся на долгие месяцы. Инженеры терпеливо ждали, когда же свая даст слабину под растущей нагрузкой. В итоге с дистанции первым сошел домкрат.
Так выявили, что одна свая выдерживает 4,5 тысячи тонн. Возможно и больше, но нет оборудования для проверки. Да, собственно, и не нужно — на одну сваю под башней придется «только» 2,5 тысячи тонн веса.
Сам процесс тестирования выглядит так. Обсадная труба, вот такого размера: 
отправляется в шахту
туда же — армокаркас с датчиками и домкратами: 
Бетонируем: 
Ждем, пока застынет. Жмем домкратами.
Что еще делали?
Среди других исследований — пробоотбор, трехосные испытания методом ВФС (Метод восстановления фазового состава), компрессионные испытания методом релаксации напряжений, нестандартные методы с использованием релаксометров для расчета по переуплотнению грунта, расчеты по анизотропии грунтов (для вычисления поправочного коэффициента к модулю деформации). Проведено сейсмомикрорайонирование — наличие вертикальных трещин и блочного строения вендских отложений не зафиксировано.
Сахарная пудра, патока и грильяж
Грунт набирает плотность с глубиной. Под «культурным» песком начинаются самые слабые — морские и озерные ледниковые отложения. Они легкие, пылеватые, тягучие и пластичные. Представьте «плотное» болото — и вы увидите этот слой. Он идет до отметки минус 14 м.
За ним — более прочная морена, мощностью от 3 до 8 метров. Сложена из обломков, от гальки до валунов. Размер потенциальных «сюрпризов» можно представить по величине Гром-камня.
В 18 веке постамент для «Медного всадника» искали по всей России, а нашли — в Лахте. Изначальный вес — 2 тыс. тонн, габариты — 13 м*8 м*6 м. Картина «Вид начала обработки Гром-камня». Художник Якоб ван де Шлей, 1770-е
Опорный слой
На отметке с минус 18,9 м начинаются твердые глины с небольшими прослоями. Они идут до минус 102,9 м Эта толща, мощностью примерно в 85 м. — и есть опорный слой, цель поисков и изучения. До его «кровли» — меньше 20 метров. Неплохо! Не Манхэттен, но нам есть с чем сравнивать.
Геотехнические условия в центре города куда хуже. Свидетельство black_semargl из дискуссии к прошлому посту — «в центре по прежнему тяжко — при забивании свай они уходят в грунт чуть ли не под собственным весом», можно подкрепить данными изыскателей. Твердые глины на Охте начинаются, например, только на глубине 40 м., плюс — сразу три водоносных горизонта по маршруту прохождения глубоких свай!
Еще интереснее данные геологического атласа Петербурга. На его картах видно, что из всей площади петербургской агломерации хуже места для строительства, чем центр города, не придумаешь. Именно там, где родилась северная столица встречаются все возможные в регионе грунтовые риски. Строители просто смогли примирить город с грунтом. И продолжают это делать сегодня.
Что под опорным слоем?
Ниже отметки минус 102,9 м начинаются песчаники. Это твердая скальная порода, ее прочность — выше, чем у глины.
Песчаник — скальная порода
Эти реки текут в никуда
Напоследок — страшилка с разоблачением. В петербургских СМИ кочует такой рассказ:
«Город подмывают подземные реки …под Петербургом протекают две огромные подземные реки, почти 50 крупных и множество мелких. Самая крупная и длинная речка идет под дном Финского залива. У Сестрорецка она поворачивает и далее движется под землей вдоль берега, пересекает Петербург и уходит дальше к Всеволожску…».
Граждане пугаются — если под Лахтой (она по дороге получается) есть огромная река, то как там строить?
Строить можно — ни большой, ни маленькой реки исследователи не нашли, да и не рассчитывали.
Петербургу затопление подземными реками тоже не грозит.
Княжна Тараканова. 1864 г. Худ. Константин Флавицкий
Основой истории, вероятно, стала своеобразно понятая информация о погребенных палеодолинах — то есть, руслах бывших рек, которые в период таяния ледников после окончания Великого оледенения текли в Финский залив. Сейчас водотока в них нет.
Палеодолина. Петербургские намного меньше и — под толщей грунта.
На севере Петербурга погребенное русло представляют собой сложный геологический объект, шириной 1,5–2 км и длиной — 25 км, с неоднородным разрезом и, как следствие рыхлости пород — высоким уровнем грунтовых вод — то, чем вряд ли можно удивить петербургских строителей со времен Петра. Учтут, но не испугаются.
Схема палеодолины. Данные ФГГУП «Минерал» из статьи Т.Н. Николаевой, Л.П. Норовой «Инженерно-геологические условия строительства в районе палеодолины на северо-западе Санкт-Петербурга»
Участок «Лахта центра» (красная стрелка) палеодолина и вовсе обходит стороной, хотя относительно недалеко.
—
В опоре на слой твердых глин есть своя тактика. В ней учитывается, что небоскреб, весом в 600 тысяч тонн, будет давить на грунт малой площадью: каждая из 3 фундаментных плит всего — 5700 кв.м. Большую часть вертикальных нагрузок воспринимает ядро, площадь которого у основания — около 500 кв. м. Как перераспределить нагрузки от центра здания и максимально использовать несущую способность грунта? Об этом читайте в следующих постах.
—
Консультанты:
В.М. Лукин — руководитель проекта по железобетонным конструкциям «Лахта центра», к.т.н.; Р.В. Инамов — главный специалист-конструктор «Лахта центра», к.т.н
