Самое высокое здание в Европе. Часть 2. Инженерные изыскания для комплекса «Лахта Центр»

«Морской фасад» Санкт-Петербурга украсил футуристичный общественно-деловой комплекс «Лахта Центр» (рис. 1). В нем разместится штаб-квартира инвесторов – ПАО «Газпром нефть» и других компаний корпорации «Газпром». Но почти 60% помещений будут доступны всем желающим. Предполагается, что в комплексе будут работать 8 000 человек, а его общественные зоны будут ежедневно посещать не менее 3 000 человек (до миллиона в год). 

Рис. 1. Общественно-деловой комплекс «Лахта Центр» украсил морское побережье Санкт-Петербурга [2]

Уже в конце октября 2018 года «Лахта Центр» будет введен в эксплуатацию и там начнется обустройство офисов. Официальное открытие состоится в 2019 году. А посетить смотровую площадку, расположенную на высоте около 360 м, жители и гости города смогут лишь к концу 2019 года, что обусловлено установленными сроками въезда основных арендаторов помещений.

Для строительства был выбран намывной участок между северной частью Невской губы Финского залива и озером Лахтинский Разлив, где до этого размещалась пескобаза (которая была необходима для складирования песка, использовавшегося при строительстве Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений между Финским заливом и Невской губой в 1979–2011 годах) (рис. 2). Поэтому возведение «Лахта Центра» не предполагало разрушения каких-либо исторически сложившихся ландшафтов или экологически ценных биологических сообществ и, даже наоборот, должно было улучшить экологическую обстановку на данной территории.

Рис. 2. Бывшая пескобаза между берегом моря и лагунно-лиманным озером Лахтинский Разлив, территория которой была выбрана для строительства «Лахта Центра» [3]

Над созданием комплекса работал международный коллектив (более 20 000 человек из 600 компаний и 18 стран) под управлением российской компании «МФК Лахта Центр» в составе «Газпрома». Наиболее ответственным было возведение спирально закрученной на 89 градусов пятиугольной башни высотой 462 м и весом более 670 000 т. При этом объем научно-технического сопровождения проекта на всех его стадиях был совершенно беспрецедентным [1–10].

Строительству комплекса предшествовали обширные инженерные изыскания, начатые в 2011 году. При этом выполнялись следующие исследования: геологические, геотехнические, геодезические, геофизические (в том числе по сейсмомикрорайонированию), гидрометеорологические (в том числе физическое и виртуальное моделирование воздействий аэродинамических, температурных и других климатических факторов), гидрогеологические, экологические, археологические и историко-культурные.

В изысканиях участвовали самые надежные институты и компании: ООО «Строительное управление № 299», ООО «Бюро геофизического консалтинга»; Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, ООО «ПИ «Петрохимтехнология», Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники им. Б.Е. Веденеева (ОАО), ООО «ТехноТерра», ЗАО «Фирма «Уником», ЗАО «Геострой», Fugro Loadtest, научный центр геомеханики и проблем горного производства Санкт-Петербургского горного университета, ОАО «Трест геодезических работ и инженерных изысканий», лаборатория методов исследования грунтов (№ 9) АО «НИЦ «Строительство», Научно-исследовательский институт оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова (НИИОСП), ООО «Центр геодинамических исследований», ПКБ «Инфорспроект», Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ARUP и др.

Были изучены все подземные и надземные особенности площадки будущего строительства. Такого объема изысканий, как при строительстве «Лахта Центра», в силу сложности проекта, грунтовых и климатических условий не было ранее не то что в Петербурге, но и в целом в России [2, 9, 11, 12].

Сейсмомикрорайонирование показало, что на участке строительства возможны землетрясения интенсивностью до 2 баллов (однако сейсмостойкость «Лахта Центра» в итоге была рассчитана с большим запасом – на выдерживание колебаний силой до 6 баллов).

На основе гидрометеорологических исследований и испытаний виртуальных и физических моделей башни и других объектов комплекса проект был с запасом рассчитан на воздействие даже очень сильных ураганов, ливней, снегопадов, высоких и низких температур. 

Об использованных методах исследований грунтов, оборудовании, нормативной базе и об эффективности научно-технического сопровождения при инженерно-геологических и геотехнических изысканиях для строительства «Лахта Центра» подробно рассказывается в статье А.Н. Труфанова, ранее опубликованной в журнале «Геоинфо» [13]. Мы остановимся на этих вопросах более кратко.

При инженерно-геологических изысканиях было пробурено более 200 скважин глубиной до 150 м (рис. 3), чтобы захватить всю сжимаемую толщу грунта под фундаментами, особенно глубоко простирающуюся под башней комплекса. Скважины создавались по самой плотной сетке (в среднем 20 м х 20 м), которая применяется только для уникальных зданий, возводимых в непростых грунтовых условиях. До кристаллического фундамента не дошли, так как на участке строительства его кровля залегает слишком глубоко (187–211 м от дневной поверхности).

Рис. 3. Буровые работы в процессе инженерно-геологических изысканий на площадке будущего строительства «Лахта Центра» [3]

В процессе бурения до глубины 40 м (но только в случаях, если это было выше кровли твердых вендских глин) выполнялись испытания грунтов винтовыми штампами, специально разработанными для данной площадки и позволяющими проводить тестирование до глубины, в два раза превышающей таковую при стандартных испытаниях.

Для испытаний твердых вендских глин до глубины 40 м использовалась специально разработанная конструкция плоского штампа со встроенным зачистным устройством, снабженным выдвижными ножами. Такая конструкция обеспечивала зачистку забоя и проведение испытаний в один заход без промежуточного извлечения зачистного устройства на поверхность.

В диапазоне 25–130,5 м от дневной поверхности проводили прессиометрические испытания (которые являются единственным полевым методом прямого определения деформационных характеристик глубоко залегающих грунтов). На глубинах 25–70 м использовался нестандартный прессиометрический комплекс ПК-3М конструкции «Гидропроекта» с выдвижным сектором, а в диапапзоне 70–130,5 м – радиальный прессиометр (дилатометр) IF096-3 производства германо-голландской фирмы Boart Longyear Interfels GmbH. Но, поскольку приложение нагрузки в этих приборах является не вертикальным, а горизонтальным, то для анизотропных тонкослоистых вендских отложений результаты прессиометрических испытаний корректировались с помощью поправочного коэффициента, учитывающего геометрическую анизотропию грунта.

Кроме того, проводились испытания грунтов (и самих свай) четырьмя пробными буронабивными сваями с вмонтированными в них ячейками Остерберга. Одна свая выдерживала статическую нагрузку по крайней мере до 4 500 т (далее выходили из строя домкраты, но не сваи или грунты). Этого было более чем достаточно, поскольку на одну сваю под башней планировалась нагрузка около 2 500 т.

Нормативные модули деформации грунтов по результатам испытаний на глубине более 30 м составляли не менее 100 МПа. (Отметим, что для исследования грунтового основания использовались и геофизические методы. Чтобы подтвердить строение толщи, вычисленное геофизическими методами, было выполнено бурение двух дополнительных скважин на глубину 150 м.)

В процессе бурения также отбирались образцы керна для лабораторных исследований и испытаний грунтов. Пробоотбор осуществлялся одноколонковой трубой, обеспечивающей 90–100%-ный выход керна. Сразу же после извлечения монолитов на поверхность производилась обрезка их пятимиллиметрового наружного слоя, наиболее увлажненного буровым раствором.

Лабораторные испытания включали все основные методы определения параметров механики грунтов.

Выполнялись в том числе трехосные испытания методом восстановления фазового состава (то есть с предварительной реконсолидацией образцов, которые были разуплотнены из-за выделения газа из поровой жидкости в результате падения давления после их отбора на большой глубине и подъема на поверхность).

Проводились и компрессионные испытания методом релаксации напряжений, значительно сэкономившие время.

Также применялись нестандартные методы с использованием релаксометров для расчетов по переуплотнению грунта.

Для вычисления поправочных коэффициентов к значениям модулей деформации также проводились расчеты по анизотропии тонкослоистых вендских глин.

Следует подчеркнуть (что и так ясно из вышеизложенного), что, поскольку при высотном строительстве требуется особо высокая надежность результатов инженерных изысканий, наиболее важные механические характеристики грунтов определялись параллельно разными полевыми и лабораторными методами. Напомним, что, например, деформационные характеристики определяли по результатам штамповых и прессиометрических испытаний, статического зондирования, лабораторных трехосных и компрессионных испытаний. Кроме того, одни и те же виды испытаний производились в нескольких лабораториях, что обеспечивало перекрестный контроль получаемых результатов.

При обработке результатов испытаний был проанализирован и обобщен весь массив полученных данных с учетом поправочных коэффициентов, что повысило статистические параметры их надежности. Отметим, что компрессионный модуль деформации вендских глин определялся в диапазоне от бытового давления до суммы бытового давления и строительной нагрузки.

Интересно, что в ходе инженерно-геологических изысканий под высотное строительство выявился ряд недостатков существующих методов и нормативной базы в отношении исследований глубоко залегающих грунтов (поскольку действующие российские нормы установлены для значительно меньших глубин и давлений). Но благодаря хорошо поставленному научно-техническому сопровождению инженерно-геологических и геотехнических изысканий (во главе которого стоял НИИОСП им. Н.М. Герсеванова), был специально разработан и использован ряд нестандартных методов испытаний грунтов. В связи с этим пришлось разрабатывать и соответствующие специальные нормативные документы, в том числе технические указания на проведение отдельных видов работ, включенные в специальные технические условия, необходимые для представления результатов в Госэкспертизу. Это позволило выдвинуть ценные предложения по корректировке существующих и созданию новых нормативных документов по изысканиям [13].

По результатам геологических и геофизических исследований было выявлено, что слои грунтового основания будущего комплекса залегают относительно горизонтально, без больших перепадов по глубине, как и везде в Санкт-Петербурге (рис. 4). Сверху находятся слабые намывные и четвертичные осадочные грунты (морские и озерно-ледниковые). Под ними залегают более прочные моренные отложения с обломочными породами от гальки до валунов (последние вызывали определенные трудности при бурении). А начиная с глубины около 30 м залегают плотные и твердые (полутвердые) вендские глины мощностью около 85 м (рис. 5), вполне подходящие по прочности и глубине залегания для создания свайно-плитной фундаментной системы супервысотного здания с использованием буронабивных свай трения с круглым сечением (такие сваи являются более дешевыми в изготовлении, чем сваи-баретты). Хотя следует отметить, что по числу пластичности эти вендские отложения ближе не к глинам, а к твердым суглинкам. Они имеют тонкослоистую структуру с включением прослоек сцементированного песчаника, поэтому не очень однородны по своим свойствам, в том числе имеют разные механические свойства в вертикальном и горизонтальном направлениях, то есть являются анизотропными.

Рис. 4. Упрощенная трехмерная модель грунтового основания, фундамента и нижней части башни «Лахта Центра» [14]

Рис. 5. Монолиты тонкослоистых вендских глин в разрезе. Эти глины относятся к верхнепротерозойским отложениям вендской системы котлинского горизонта (Vkt2), являются достаточно твердыми, но характеризуются анизотропными свойствами. Их возраст составляет 680–570 млн лет [13]

Коренные же архейско-протерозойские кристаллические породы, залегающие на слишком большой глубине, вообще не рассматривались в качестве несущих для фундамента [3, 13].

Под будущим «Лахта Центром» и ближайшими к нему участками не было обнаружено ни пустот, ни разломных зон, ни погребенных палеодолин. Вызывавшая поначалу подозрения крупная палеодолина, как оказалось, находится севернее площадки комплекса (рис. 6). Не было найдено и объектов, представляющих историческую или культурную ценность. Береговая линия была охарактеризована как относительно устойчивая, хотя и требующая хорошо продуманной берегозащиты [3, 13, 15, 16].

Рис. 6. Погребенная палеодолина (показана штриховкой) находится к северу от площадки строительства комплекса «Лахта Центр» (показан красной стрелкой) [15]

Анализ результатов инженерных изысканий и предложенных на их основе проектов фундаментов и надфундаментных частей объектов «Лахта-Центра» подтвердил их надежность (чтобы убедиться в этом, было проведено 16 различных видов исследований). Они получили положительные заключения НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, Комитета по градостроительству и архитектуре г. Санкт-Петербурга и Главгосэкспертизы России. Отметим, что всего на проектно-изыскательские работы было потрачено 23 млн долларов.

В августе 2012 года Служба государственного строительного надзора и экспертизы Санкт-Петербурга дала разрешение на строительство первого этапа «Лахта Центра» [2, 11, 13, 15].

О геотехнических решениях и строительстве фундаментов и надфундаментных частей башни и других объектов «Лахта Центра» мы расскажем в следующей части статьи.

Список литературы и других источников

1. Самое высокое здание в Европе. Часть 1. Общая информация о проекте «Лахта Центр» // Геоинфо. 27.08.2018. URL: http://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/samoe-vysokoe-zdanie-v-evrope-chast-1-obshchaya-informaciya-o-proekte-lahta-centr-38312.shtml.
2. https://lakhta.center/ru/.
3. https://habr.com/company/lakhtacenter/blog/.
4. https://regnum.ru/news/economy/2433760.html.
5. http://www.1rre.ru/121963-stroitelstvo-laxta-centra-v-sankt-peterburge-operezhaet-grafik.html.
6. https://ria.ru/society/20180202/1513631694.html.
7. https://poisk-ru.ru/s32079t4.html.
8. http://www.spbgid.ru/?news=222638.
9. http://lakhtacenterprodject.tilda.ws/.
10. https://www.techcult.ru/technology/5598-zavershaetsya-stroitelstvo-lahta-centra.
11. https://www.spb.kp.ru/daily/26060/2969433/.
12. http://stopress.ru/archive/html/STO_0235_APRIL_2015/LAHTA_CENTR_PERVIE_ETAZHI.html.
13. Труфанов А.Н. Инженерно-геологические и геотехнические изыскания при высотном строительстве (авторская лекция на 100+ Forum Russia 2016) // Геоинфо. 13.11.2016. URL: http://www.geoinfo.ru/product/trufanov-aleksandr-nikolaevich/inzhenerno-geologicheskie-i-geotekhnicheskie-izyskaniya-pri-vysotnom-stroitelstve-br-avtorskaya-lekciya-na-100-forum-russia-2016-34889.shtml).
14. http://xexe.club/68625-kak-stroitsya-lahta-centr-v-pitere.html.
15. Николаева Т.Н., Норова Л.П. Инженерно-геологические условия строительства в районе палеодолины на северо-западе Санкт-Петербурга // Записки Горного института. 2013. Т. 200. file:///C:/Users/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%8F/Downloads/inzhenerno-geologicheskie-usloviya-stroitelstva-v-rayone-paleodoliny-na-severo-zapade-sankt-peterburga.pdf.
16. Чусов А.Н., Шилин М.Б., Рябчук Д.В., Сергеев А.Ю., Тимошина А.В. Использование намытой береговой территории в Невской губе для строительства Лахта-Центра // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2014. № 35. URL: https://readera.ru/ispolzovanie-namytoj-beregovoj-territorii-v-nevskoj-gube-dlja-stroitelstva-14092562.

Заглавная иллюстрация: http://lakhta.center/ru/