П.В. Химченко, Н.Б. Филиппов, И.В. Богатырев, М.А. Ткаченко, М.А. Шишкин ФБГУ «Всероссийский геологический институт им. А.П. Карпинского
В 2023 году по заданию Федерального агентства по недропользованию Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации РФ Институтом им. А.П. Карпинского выполнена работа по построению 3D-модели геологического строения подземного пространства Санкт Петербурга для южной и центральной частей города (рис. 1)
Основным видом информации для построения модели являются данные Территориального фонда геологической информации (ТФГИ) Санкт-Петербурга о пространственном положении буровых скважин на территории города и их послойные описания, собранные из различных источников и приведенные к единой геологической легенде. Всего в базе данных содержится информация на 6097 скважин. Общее количество описанных слоев в скважинах – 34421. С учетом обрамления 1000 м в расчетах модели использовались 6443 скважины с послойным описанием 42606 слоев. Кроме данных ТФГИ, в базу данных для построения модели включены 430 скважин, пробуренных в акватории Невской губы. Схема расположения буровых скважин приведена на рис. 1. Изученность территории бурением приведена в табл. 1.
Кроме данных по скважинам, при построении слоев модели использовались также другие данные из ТФГИ. В частности, при расчетах горизонта Осташковской морены и ниже учитывались данные о рельефе кровли дочетвертичных образований. Расчет кровли кристаллического фундамента выполнялся также с учетом данных о его рельефе. В качестве рельефа дневной поверхности использовалась цифровая модель рельефа с разрешением 20х20 м также из базы данных ТФГИ.
Также в ТФГИ хранятся в оцифрованной форме 77 геологических и гидрогеологических разрезов, построенных в рамках различных проектов. На площадь отчетных листов из них попадают 42 разреза. Эти данные используются для верификации модели.
Приведение данных к геологической легенде модели
Несмотря на то, что исходные геологические данные ТГФИ по скважинам представлены в унифицированной легенде, на начальной стадии была проведена их геологическая экспертиза с целью приведения выделенных слоев в скважинах к легенде модели и их генерализация до принятого уровня детализации.
Рисунок 2. Геологическая модель легенды для четвертичных образований
Геологическая легенда модели составлена на основе легенды Ильменской серии листов Госгеолкарты-200 с ее необходимой адаптацией (рис. 2, 3). Определяются состав геологических слоев, включаемых в модель, и ее детализация в зависимости от объема и качества имеющейся пространственной геологической информации. Для каждого подсечения в скважине определены его кровля и подошва (от–до). Соседние интервалы, имеющие одинаковый код по легенде, объединены в один. Самые нижние подсечения, в которых завершаются скважины, как правило, не имеют точных значений подошвы (в базе данных такие подошвы обозначены числом -9999). Для обеспечения представительности более всех равномерной горизонтов при выполнении расчетов в пределах глубины бурения колонки скважин дополнены в соответствии с геологической легендой модели недостающими условными слоями с нулевой мощностью.
Рисунок 3. Геологическая модель легенды для четвертичных образований
Расчет трехмерной геологической модели
Расчет трехмерной геологической модели информации, такие как, например, Осташковская морена (gIIIos), кровля дочетвертичных образований, включающая совокупность самых верхних дочетвертичных горизонтов в скважинах. В Расчет трехмерной модели геологического строения подземного пространства выполнен по отчетным топографическим листам О-35–VI, О-36-I в пределах территории Санкт-Петербурга. Трехмерная геологическая модель включает в себя набор согласованных матриц, описывающих пространственное положение кровли и подошвы горизонтов, соответствующих подразделениям стратиграфической легенды модели.
Порядок расчета горизонтов модели определяется представительностью данных в скважинах. Вначале были построены «опорные» горизонты, обеспеченные наибольшим объемом дальнейшем расчет слоев выполнялся в порядке уменьшения их представительности с учетом границ ранее рассчитанных, более представительных горизонтов.
Расчет матриц выполнялся методом интерполяции «Топо в растр», который позволяет рассчитывать значения высотных отметок в регулярной сети на основе совокупности данных топографических элементов: высотных отметок, изолиний рельефа, береговых линий, русел рек, тальвегов долин и т. п.
В качестве исходных высотных отметок использовались абсолютные отметки кровли и подошвы соответствующего слоя. Дополнительно при расчетах слоев Осташковской морены и ниже учитывалось положение тальвегов палеодолин, построенных на основе изолиний рельефа дочетвертичных образований, а при расчете кристаллического фундамента – изолинии его кровли из базы данных ТФГИ. В результате рассчитаны матрицы с разрешением 20х20 м абсолютных отметок кровли и подошвы 31 стратиграфического горизонта легенды модели, представленные на территории города по листам О-35-VI, О-36-I. Построенная трехмерная геологическая модель может использоваться в различных программных средах. В настоящее время она представлена в двух программных продуктах. В среде геоинформационной системы ArcGIS модель организована в формате персональной базы геоданных, включающей набор матриц кровли и подошвы всех горизонтов в пределах отчетных листов. Каждая матрица имеет формализованное название в формате: SnnZm _<индекс слоя>_<версия> , где S – содержание слоя (стратиграфия), дополнительно, с учетом возможной перспективы развития модели, зарезервированы символы: H – гидрогеология, L – литология; nn – порядковый номер слоя по легенде сверху вниз; Z1 – абсолютная отметка кровли; Z2 – абсолютная отметка подошвы; <индекс слоя> – геологический индекс слоя в соответствии с легендой модели; <версия> – версия слоя. В среде геоинформационной системы ИНТЕГРО модель представлена в двух форматах. Послойное представление в формате объекта ТОС 2D по составу аналогично базе данных ArcGIS и включает в себя набор матриц со значениями абсолютных отметок кровли слоев модели.
На основе объекта ТОС 2D построено объемное представление модели в формате объекта ТОС 3D, которое состоит из трехмерных элементов регулярной сети. Каждый элемент содержит порядковый номер соответствующего ему слоя по легенде модели. Детальность представления модели определяется размерами элемента. Они составляют 20х20 м в плане и 0,25 м по вертикали. В связи с большим размером трехмерной матрицы и техническими ограничениями ИНТЕГРО модель не может быть представлена в виде одного объекта ТОС 3D, поэтому она разбита на фрагменты, соответствующие листам масштаба 1:50000, покрывающим территорию города в пределах отчетных листов O-35-12-Б, O-36-1-А, Б, В, Г, O-36-2-В.
На рис. 4 приведена расчетная карта кровли дочетвертичных образований. На построенной карте отчетливо выделяются дочетвертичные погребенные долины, которые впоследствии были снивелированы средне верхненеоплейстоценовыми ледниковыми, морскими, водноледниковыми образованиями. В четвертичное время сформировалась мощная долина субмеридионального простирания, выполненная полигенетическими образованиями осташковского и московского горизонтов. На основе базы данных возможно оценить мощности определенных горизонтов и отобразить их в виде карты изопахит. Например, мощность межморенного водоносного горизонта рассчитана по данным модели, как разность между подошвой осташковской морены (g III os) и кровлей московской морены (g II ms).
На рис. 5 приведена карта мощности московско-осташковского межморенного напорного водоносного горизонта, которая позволяет оценить гидрогеологические условия территории, в т. ч. и риски прорыва напорных подземных вод в строительные котлованы.
На рис. 6 приводится пространственное изображение межморенного водоносного горизонта в пределах листа O-36-1-Б масштаба 1:50000 в ГИС ИНТЕГРО на основе представления ТОС 3D.
На рис. 7 показан пример построения геологического разреза по заданной линии. Отчетливо выделяются две палеодолины, которые пересекаются линией разреза.
На рис. 8 приводится пример отображения планового положения и фрагмента разреза, построенного в ГИС ИНТЕГРО на основе представления ТОС 3D. В системе реализовано синхронное отслеживание положения курсора в окнах, отображающих план и разрез.
На рис. 9 показан вариант изображения сечений модели по осям координат в ГИС ИНТЕГРО на основе представления ТОС 3D. Положение секущих плоскостей меняется в интерактивном режиме. Изображение вращается в трех плоскостях. Технология позволяет в онлайн-режиме посмотреть любой интересующий фрагмент и отобразить его графически.
Средства визуализации позволяют также построить геологические блок-диаграммы по заданной площади (Рис. 10).
На рис. 11 приводится пространственное изображение геологических слоев модели и колонок скважин в ГИС ИНТЕГРО на основе представления ТОС 2D.
Нами было проведено тестирование модели на конкретных участках с известным геологическим строением по данным инженерно-геологических изысканий.
Орловский автомобильный тоннель – объект, планировавшийся к строительству автомобильный подводный тоннель под Невой в Санкт-Петербурге (рис. 12, 13). Предполагалось, что тоннель соединит Смольную и Свердловскую набережные. Ожидалось, что пропускная способность тоннеля составит до 60 000 автомобилей в сутки и тоннель будет иметь шесть полос движения в двух уровнях.
В апреле 2007 года Правительство Санкт Петербурга приняло постановление о мерах по созданию и последующей платной эксплуатации тоннеля. В 2011 году Правительство Санкт Петербурга отложило, а впоследствии отменило строительство Орловского тоннеля, расторгнув контракт с концессионером.
По данным 3D-модели был рассчитан и построен трехмерный геологический разрез подземных участков Орловского тоннеля (рис. 14).
На рис. 15 приведено сопоставление фактического (инженерно-геологический разрез 15-15) и модельного разрезов. Отмечается хорошее совпадение геологических границ, что свидетельствует о достоверности модельных построений.
Визуализации палеодолин. Палеодолины представляют собой участки резкого понижения дочетвертичного рельефа, отражающие в большинстве случаев древнюю погребенную речную сеть. Выполнены насыщенными водой песчано гравийными отложениями. Границы палеодолин установлены по линии, соответствующей максимальному градиенту погружения поверхности дочетвертичного рельефа (рис. 16).
Наличие палеодолин на территории строительства является крайне неблагоприятным фактором. На рис. 17 приведены геологические разрезы через меридиональную региональную палеодолину.
Четвертого декабря 1995 года в тоннеле метро на перегоне «Площадь Мужества» – «Лесная» произошла крупная авария. В перегон ворвалось около 18 кубометров водно-песчаной смеси. Аварийная ситуация возникла в месте пересечения перегона крупной палеодолины (рис. 18, 19).
Рисунок 19. Аварийный участок тоннеля
По данным 3D-модели был построен геологический разрез по линии метро «Площадь Мужества» – «Лесная». На расчетном разрезе отчетливо картируется крупная палеодолина в месте разрыва тоннеля метро (рис. 20).
Рисунок 20. Расчетный геологический разрез по линии метро «Площадь Мужества» – «Лесная»
Вокзальный комплекс «Ладожский». После ввода комплекса в эксплуатацию возникла проблема подтопления подземными водами подвальных помещений (рис. 21).
Рисунок 21. Подтопление подвальных помещений вокзального комплекса «Ладожский»
В 2011 году ГГУП «СФ «Минерал» выполнило комплексные гидрогеологические исследования. В результате работ был сделан вывод о том, что в подтоплении подвального этажа участвует вода грунтового водоносного горизонта и напорного надморенного водоносного горизонта, кровля которого залегает на абсолютных отметках от минус 3,0 мБС до минус 13 мБС. Напорный (пьезометрический) уровень надморенного горизонта устанавливается на абсолютных отметках плюс 2,4-2,8 мБС, что соответствует залеганию уровня безнапорных грунтовых вод (данные бурения скважин в 2011 году). Водовмещающими породами надморенного горизонта являются супеси и мелкие пески. При проходке буронабивных свай с глубиной погружения конца свай 14,1–14,66 м (абсолютные отметки минус 11,43–11,85 мБС) этот напорный горизонт был вскрыт, напоры над кровлей достигли 5,5–16,0 м.
Таким образом, сваями была нарушена сплошность ленточных глин, перекрывающих напорный надморенный водоносный горизонт, что привело к просачиванию подземных вод данного горизонта вдоль тела свай (рис. 22). Постоянное динамическое воздействие (вибрация от движения железнодорожного транспорта) и связанные с ней процессы тиксотропии – разжижение структуры грунтов – усугубили ситуацию.
Для территории вокзального комплекса «Ладожский» по данным модели был построен геологический разрез (рис. 23), который хорошо согласуется с данными бурения. Созданная геологическая модель может использоваться для оценки условий строительства крупных объектов.
В качестве примера можно привести сопоставление геологического строения площадок предлагаемого и выбранного положения главного офиса «Газпрома» (рис. 24).
Концепция развития железных дорог Санкт-Петербурга предусматривает появление двух тоннелей: один между Московским и Финляндским вокзалами, другой – между Финляндским и Балтийским вокзалами. В 2024 году планируется утверждение проекта планировки, а запуск проекта – в 2028 году (Фонтанка.ру, 26.02.2024). По линии тоннеля Московский вокзал – Финляндский вокзал по данным модели был построен геологический разрез, который позволяет на стадии предпроекта оценить условия планируемого строительства (рис. 25).
Заключение
1. Подход, реализованный при составлении трехмерной модели, обеспечивает возможность представления и анализа геологического строения подземного пространства территории Санкт-Петербурга в виде карт поверхностей геологических горизонтов, разрезов по заданным линиям, блок-диаграмм по выбранным площадям.
2. Созданная модель может быть использована для оценки геологических условий строительства с целью оптимизации затрат и технологии работ.
3. Составленная версия модели может использоваться в качестве основы для ее развития добавлением других видов геологической информации, в частности данными гидрогеологического блока.
4. Разработанная модель может совмещаться с другими системами для выполнения работ по инженерно-геологическому районированию и проектированию подземного пространства города.
