Кембрийские глины как порода для тоннелей¶

Кембрийские глины — это толща древних морских отложений нижнекембрийского возраста (около 540–520 миллионов лет назад), широко распространённая на северо-западе России, в частности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области. Представлены преимущественно плотными, твёрдыми и маловлажными глинистыми породами, которые залегают на глубинах от 10 до 100 метров и служат естественным основанием для многочисленных городских сооружений, включая тоннели метрополитена.

¶Геологическая характеристика

Кембрийские глины относятся к валдайской (балтийской) серии нижнего кембрия. Они сформировались в условиях мелководного морского бассейна и за длительное время подверглись значительному уплотнению (диагенезу). В регионе выделяют несколько горизонтов, наиболее известным из которых является синяя глина — плотная, жирная на ощупь, с характерным голубовато-серым оттенком, приобретающим бурый цвет при выветривании.

Минералогический состав породы представлен преимущественно гидрослюдами (иллитом), хлоритом и каолинитом. В меньших количествах присутствуют кварц, полевые шпаты и карбонатные минералы. Благодаря высокой плотности и низкой пористости (10–20 %), кембрийские глины обладают высокой несущей способностью и практически водонепроницаемы. Коэффициент фильтрации крайне мал и составляет 10⁻⁵–10⁻⁷ м/сут.

¶Свойства породы

Для тоннелестроения важнейшими характеристиками кембрийских глин являются:

• Твёрдая и полутвёрдая консистенция — глины не размокают в воде и сохраняют устойчивость при вскрытии.
• Высокое сопротивление сдвигу — угол внутреннего трения достигает 15–20°, сцепление — 0,05–0,1 МПа.
• Малая сжимаемость — модуль деформации составляет 20–40 МПа, что обеспечивает незначительные осадки сооружений.
• Склонность к набуханию — при длительном контакте с водой глины способны увеличиваться в объёме, что создаёт дополнительное давление на обделку тоннеля.

¶Применение в тоннелестроении

Исторически строительство Петербургского метрополитена с 1930-х годов велось именно в кембрийских глинах. Первая очередь метро (открыта в 1955 году) проходила на глубине около 50–70 метров, где залегает монолитная толща синей глины. Это позволило применять относительно простые и экономичные способы проходки без использования дорогостоящего сжатого воздуха и водопонижения.

При проходке в кембрийских глинах используют щитовой способ с механизированной разработкой забоя. Крепление выполняется из чугунных тюбингов или железобетонных блоков. Благодаря устойчивости породы, обделка воспринимает в основном горное давление, а не гидростатическое, что упрощает гидроизоляцию.

Однако при пересечении зон с включениями песчаных линз и прослоев (так называемые «плывуны»), а также в местах тектонических нарушений, возникает риск прорыва воды. В таких случаях применяют замораживание грунтов, цементацию или использование кессонного способа работ.

¶Опасности и ограничения

Главную опасность при строительстве представляют не сами глины, а их неоднородность. В толще кембрийских отложений встречаются прослои мелкозернистых песков, насыщенных водой под высоким напором. При вскрытии таких зон возможны внезапные выбросы воды и плывуна, что приводило к авариям на строительстве ленинградского метро в 1960–1970-х годах.

Также отмечается, что при длительной эксплуатации тоннелей в кембрийских глинах происходит их медленное набухание, что увеличивает нагрузку на обделку. Для компенсации этого эффекта в конструкцию тоннелей закладывают деформационные швы и усиленное армирование.

¶Значение для городской инфраструктуры

Кембрийские глины являются надёжным естественным экраном, защищающим тоннели от поверхностных вод и обеспечивающим стабильность подземных выработок. Благодаря этим породам стало возможным строительство глубокого заложения метрополитена в Санкт-Петербурге, который насчитывает более 70 станций. Кроме того, глины используются как сырьё для производства кирпича и керамзита, однако их основная ценность для города связана именно с геомеханическими качествами.

¶Источники

• Геология Санкт-Петербурга / под ред. В. А. Кирюхина. — СПб., 2001.
• Метрополитены: учебник для вузов / под ред. В. Е. Меркина. — М., 2004.
• Дмитриев В. В., Ярг Л. А. Инженерная геология СССР. — М.: Недра, 1987.