Инженерные решения и геотехническая безопасность освоения подземного пространства памятников архитектуры: Анализ нормативной базы и современных технологий

Введение: Актуальность проблемы и задачи Курсовой работы

Сохранение исторического и архитектурного наследия является приоритетной задачей в условиях стремительного развития крупных городских агломераций, однако растущая плотность застройки и потребность в создании современной инфраструктуры неизбежно приводят к необходимости освоения подземного пространства, часто расположенного под или в непосредственной близости от памятников архитектуры. Данная ситуация порождает сложнейший инженерный вызов, требующий ювелирной точности расчетов, применения щадящих технологий и строгого соблюдения нормативов.

Исторические здания, как правило, имеют неглубокие фундаменты ленточного или столбчатого типа, а их несущие конструкции обладают повышенной чувствительностью к малейшим изменениям напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива. Неконтролируемое освоение подземного пространства может вызвать критические неравномерные осадки, раскрытие трещин, и, как следствие, потерю исторической целостности объекта, что является недопустимым риском для культурного наследия.

Цель данной курсовой работы состоит в систематизации и глубоком анализе современных инженерных решений и технологий, которые позволяют безопасно и эффективно использовать подземное пространство в охранных зонах, а также в изучении актуальной нормативно-технической базы Российской Федерации, регулирующей эту деятельность.

Для достижения поставленной цели необходимо ответить на следующие ключевые исследовательские вопросы:

1. Определить и проанализировать нормативные документы, регулирующие проектирование подземных сооружений вблизи памятников.
2. Выявить основные геотехнические риски и установить численные критерии безопасности (предельные деформации).
3. Описать и дать техническую оценку современным методам усиления фундаментов и ограждения котлованов, обеспечивающим минимальное воздействие.
4. Детализировать требования к комплексному геотехническому мониторингу, включая точность измерений.

Нормативно-правовое регулирование и геотехническая классификация объектов

Геотехническое проектирование в условиях плотной исторической застройки является одной из наиболее регламентированных областей строительства. Проектные решения должны соответствовать не только требованиям промышленной безопасности и градостроительным нормам, но и специализированному законодательству об охране культурного наследия. Из этого следует, что инженер, работающий в данной сфере, должен быть равно компетентен как в строительной механике, так и в юридических аспектах.

Основные нормативные документы в области подземного строительства и охраны наследия

Базовым документом, задающим рамки для проектирования любых подземных сооружений, является актуализированный свод правил СП 248.1325800.2023 «Сооружения подземные. Правила проектирования». Введенный в действие с 10 февраля 2024 года, он содержит ключевые требования к расчету нагрузок, выбору конструктивных схем и учету взаимодействия с окружающей застройкой.

Второй критически важный документ — СП 473.1325800.2019 «Здания, сооружения и комплексы подземные. Правила градостроительного проектирования», который регулирует общие градостроительные аспекты формирования подземного пространства.

С точки зрения классификации объектов, подземное строительство вблизи памятников часто попадает в зону повышенного внимания. Согласно СП 473.1325800.2019, объекты капитального строительства, заглубление подземной части которых (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли составляет более чем 15 метров, автоматически относятся к категории уникальных объектов по уровню ответственности (класс КС-3). Это влечет за собой ужесточение требований к инженерным изысканиям, проектированию, авторскому надзору и обязательному геотехническому мониторингу.

Кроме того, при работе в охранных зонах необходимо учитывать требования СП 116.13330.2012 «Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов», который регламентирует меры по защите от карста, оползней, подтопления и других явлений, активизация которых может быть спровоцирована подземными работами.

Ключевые инженерно-геологические риски и численные критерии безопасности

Главный инженерно-геологический риск при освоении подземного пространства рядом с историческими зданиями — это изменение напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтового массива. Разработка котлована, даже при наличии ограждения, неизбежно вызывает перераспределение напряжений, что может привести к:

• Неравномерной осадке и смещению грунта под существующими фундаментами.
• Изменению гидрогеологического режима (понижение или повышение уровня грунтовых вод), что критически опасно для деревянных свай или кладки, чувствительной к влажности.
• Горизонтальному смещению ограждающих конструкций котлована, которое передает нагрузку на основание соседнего здания.

Для минимизации этих рисков требуется обязательное составление Геотехнического прогноза влияния строительства на окружающую застройку, как того требует СП 248.1325800.2023. Это означает, что прогнозирование должно быть проведено с высокой степенью детализации и учитывать все возможные сценарии.

Критическим моментом является установление численных порогов безопасности, которые нельзя превышать. Основным показателем, контролируемым при мониторинге, является относительная разность осадок (крен или наклон), определяемая как отношение разности осадок соседних фундаментов ($\Delta S$) к расстоянию между ними ($L$).

Согласно СП 22.13330 «Основания зданий и сооружений», для особо чувствительных зданий (таких как памятники архитектуры, представляющие собой бескаркасные сооружения с несущими стенами из кирпичной кладки без армирования или крупнопанельные дома) предельное значение относительной разности осадок ($\Delta S / L$) должно быть крайне низким и составлять не более 0,0016–0,0020. Как можно обеспечить безопасность, если само по себе строительство является источником деформаций?

Для сравнения, здания с жестким железобетонным каркасом могут выдержать значительно большие деформации. Предельное значение разности осадок соседних фундаментов, находящихся в одном ряду, для них составляет около 12 мм.

Тип сооружения	Предельная относительная разность осадок ($\Delta S / L$)	Предельная разность осадок соседних фундаментов
Особо чувствительные (Кирпичная кладка, Памятники архитектуры)	0,0016 – 0,0020	Требует индивидуального расчета
Каркасные здания (Ж/Б каркас)	0,0025 – 0,0030	До 12 мм

Соблюдение этих численных критериев является главным залогом сохранения несущей способности и архитектурной целостности памятника.

Современные технологии усиления фундаментов и ограждения котлованов

При освоении подземного пространства критически важно применять такие инженерные решения, которые минимизируют динамические и вибрационные воздействия на конструкции исторического здания и обеспечивают надежную защиту основания. Именно поэтому традиционные методы, такие как забивка свай, категорически исключаются.

Технологии усиления оснований: Буроинъекционные сваи и инъекционное закрепление

Исторические здания часто нуждаются в усилении фундаментов перед началом подземных работ. Среди наиболее щадящих и эффективных методов выделяются те, которые не требуют масштабной разработки грунта под существующим фундаментом.

1. Буроинъекционные сваи (БИС):

Этот метод является одним из самых предпочтительных для усиления оснований исторических зданий, поскольку он не требует разработки котлована и обнажения фундамента, сохраняя при этом структуру грунта вблизи основания.

• Принцип: Сваи малого диаметра (обычно 150–300 мм) бурятся через существующий фундамент или непосредственно рядом с ним. Затем в скважину под давлением инъектируется цементный или специальный раствор (микроцемент, полимерный раствор), который, затвердевая, формирует несущую сваю.
• Преимущества: Минимальные вибрации и динамические воздействия, высокая точность позиционирования, возможность работы в стесненных условиях и на ограниченной площади.

2. Инъекционное закрепление грунтов:

Используется для повышения прочности, улучшения деформационных характеристик и снижения водопроницаемости массива грунта в зоне влияния нового строительства.

• Методы:
  • Силикатизация: Применяется для песчаных грунтов и обеспечивает повышение прочности за счет инъектирования силиката натрия.
  • Смолизация: Используется для мелкодисперсных грунтов и обеспечивает гидроизоляцию и повышение прочности.
• Применение: Инъекционное закрепление часто используется как вспомогательный метод для создания водонепроницаемых завес или для временного усиления грунта вокруг зоны будущей выемки.

Высокоэффективные решения для ограждения котлованов: Струйная цементация и «стена в грунте»

Защита котлована вблизи памятника архитектуры требует создания жесткого, водонепроницаемого и минимально деформируемого ограждения.

1. Струйная цементация грунтов (Jet Grouting):

Это современная, высокоэффективная технология, позволяющая создавать грунтоцементные конструкции (колонны, панели) с высокими прочностными и гидроизоляционными характеристиками без необходимости удаления грунта.

• Принцип: В грунт подается инъекционная труба, через которую под очень высоким давлением (до 70 МПа) через специальные форсунки выпускается цементный раствор. Энергия струи разрушает структуру грунта и замещает его цементной суспензией, создавая прочное грунтоцементное тело.
• Технические параметры (Jet-1): Для однокомпонентной системы Jet-1 рабочее давление цементного раствора составляет 40–70 МПа (400–700 атм). Это позволяет формировать грунтоцементные колонны диаметром от 0,4 до 2,0 м, в зависимости от типа грунта и целевых прочностных характеристик. Jet Grouting используется как для усиления оснований, так и для создания надежных, жестких противофильтрационных завес и ограждений котлованов.

2. Технология «стена в грунте» (СВГ):

Является универсальной и наиболее распространенной конструкцией для устройства ограждения глубоких котлованов в условиях плотной городской застройки.

• Принцип: Разработка узких траншей под защитой тиксотропного глинистого раствора с последующим бетонированием или устройством сборных элементов. СВГ обеспечивает высокую жесткость и водонепроницаемость ограждения.
• Технические параметры: Технология позволяет возводить монолитные или сборные конструкции толщиной от 0,4 до 1,5 м. При использовании стандартного грейферного оборудования глубина может достигать 40 м, а при специализированных гидрофрезах — 60 м и более.

Выбор между Jet Grouting и «стеной в грунте» зависит от геологических условий. Jet Grouting часто предпочтителен при сложной геологии (например, в неоднородных или обводненных грунтах), а СВГ — при необходимости создания максимально жесткой и глубокой несущей конструкции, причем обе технологии обладают минимальным динамическим воздействием на окружающую застройку.

Комплексный геотехнический мониторинг при освоении подземного пространства

Геотехнический мониторинг — это обязательный и неразрывный элемент обеспечения безопасности исторических объектов при подземном строительстве. Его роль заключается в непрерывном контроле фактических деформаций и сравнении их с предельно допустимыми значениями, установленными в Геотехническом прогнозе и нормативной документации. Фактически, мониторинг является единственной гарантией того, что численные критерии безопасности не будут нарушены.

Среди контролируемых параметров памятников архитектуры выделяют:

• Вертикальные осадки и подъем грунта.
• Крен и горизонтальные смещения конструкций.
• Степень и динамика раскрытия трещин.
• Уровень и химический состав грунтовых вод.
• Вибрационные и динамические воздействия, возникающие от строительных работ (забивка свай, работа тяжелой техники).

Геодезические методы и требования к высокой точности измерений

Классические геодезические методы остаются основой для мониторинга деформаций, так как обеспечивают наивысшую точность измерений вертикальных и горизонтальных перемещений.

Геометрическое нивелирование является основным методом контроля вертикальных осадок сооружений и фундаментов. Для обеспечения надежности результатов в условиях строительства в охранных зонах требуется применение высших классов точности:

Класс нивелирования	Область применения	Требования к точности
I класс	Создание государственной высотной основы, особо точные исследования	η ≤ 0,5 мм на 1 км двойного хода
II класс	Высокоточный мониторинг вертикальных осадок уникальных сооружений и памятников архитектуры	η ≤ 2,0 мм на 1 км двойного хода
III и IV классы	Мониторинг менее ответственных объектов	η ≤ 5,0 мм и выше

Для высокоточного мониторинга вертикальных осадок памятников архитектуры используют геометрическое нивелирование I и II классов. Это означает, что случайная средняя квадратическая погрешность (η) нивелирования II класса на 1 км двойного хода не должна превышать 2,0 мм. Такая точность позволяет своевременно выявить даже минимальные, но опасные изменения положения фундамента.

Для контроля горизонтальных смещений и крена конструкций применяются высокоточные тахеометры и тригонометрическое нивелирование.

Инновационные системы контроля деформаций

В дополнение к геодезическим измерениям, активно используются автоматизированные и инновационные системы:

1. Беспроводные системы мониторинга: Использование струнных, тензометрических и инклинометрических датчиков, оснащенных беспроводными модулями передачи данных, позволяет контролировать развитие суммарных напряжений и деформаций в режиме 24/7. Это особенно важно для исторических зданий, где прокладка кабельных линий может нарушать архитектурный облик или несущие конструкции.
2. Инклинометрические скважины: Устанавливаются в массиве грунта и за ограждением котлована для контроля горизонтальных смещений грунтового массива и самой ограждающей конструкции. Полученные данные критически важны для оценки эффективности распорной системы котлована и прогнозирования потенциальных сдвигов.
3. Вибрационный мониторинг: Специализированные акселерометры и сейсмостанции регистрируют уровень вибрации на фундаменте памятника, сравнивая его с допустимыми нормами, чтобы исключить риск динамических повреждений.

Система мониторинга должна быть настроена на автоматическое оповещение при приближении контролируемых параметров к установленным предельным значениям (например, к пороговым 0,0016–0,0020 относительной разности осадок).

Функциональное использование подземного пространства и примеры реализации

Эффективное освоение подземного пространства под историческими объектами позволяет решить проблему дефицита площадей, сохраняя при этом надземную историческую среду. Это является ключевым аргументом в пользу дорогостоящего и сложного подземного строительства.

Функциональное назначение объектов, располагаемых в подземном пространстве, строго классифицируется в СП 473.1325800.2019 по длительности пребывания людей, что влияет на требования к вентиляции, пожарной безопасности и эвакуации:

• Объекты без пребывания людей: Инженерное оборудование, технические помещения, склады.
• Кратковременное пребывание (до 1 часа): Паркинги, технические коридоры, подсобные помещения магазинов.
• Средней продолжительности (1–3 часа): Кафе, небольшие торговые площади, музейные экспозиции.
• Длительное пребывание (более 3 часов): Офисы, крупные торговые центры, жилые помещения (в исключительных случаях).

В подземном пространстве исторических зданий наиболее целесообразно размещать функции, требующие минимальной инсоляции, но при этом критически важные для современного функционирования комплекса: многоуровневые паркинги, инже��ерные центры, фондохранилища музеев, а также интерактивные музейно-выставочные комплексы, не нарушающие планировку верхних этажей.

Анализ успешных отечественных и зарубежных кейс-стади

Комплексное освоение подземного пространства, сопряженное с сохранением исторической застройки, — это мировой тренд. В России примером раннего и масштабного освоения подземного пространства является советский градостроительный опыт.

Кейс-стади: Жилой район Чертаново-Северное (Москва, 1975–1982 гг.)

Хотя Чертаново-Северное не является в строгом смысле памятником архитектуры, этот проект демонстрирует успешную модель комплексной подземной урбанистики. Здесь, под землей, было размещено около 17% общего объема зданий. Подземное пространство использовалось для размещения:

• Многоуровневых гаражей-стоянок, освобождающих придомовую территорию.
• Инженерного оборудования (тепловые пункты, трансформаторные подстанции).
• Технических коридоров.

Примененные технологии: При строительстве подземной части использовались методы, позволяющие минимизировать воздействие на окружающие конструкции. Основным было создание монолитных железобетонных конструкций с использованием эффективной гидроизоляции. Этот опыт показывает, что освоение подземного пространства позволяет достичь высокого уровня функциональности при сохранении надземной среды.

Международный опыт: Ярким примером работы с памятниками является создание подземных пристроек и расширений под крупными музейными комплексами, такими как Лувр (Париж) или Британский музей (Лондон). В этих проектах применялись технологии «стены в грунте» и компенсационного нагнетания для предотвращения осадок существующих исторических фундаментов.

Заключение

Инженерное освоение подземного пространства, расположенного под или в непосредственной близости от памятников архитектуры, представляет собой сложнейшую междисциплинарную задачу, требующую интеграции геотехники, строительной механики и законодательства об охране наследия.

Проведенный анализ подтверждает, что безопасное освоение подземного пространства возможно только при соблюдении трех ключевых условий:

1. Строгое соблюдение нормативной базы: Проектирование должно опираться на актуальные документы, такие как СП 248.1325800.2023 и СП 473.1325800.2019. Особое внимание уделяется требованиям к уникальным объектам (КС-3), если заглубление превышает 15 м.
2. Применение щадящих и высокотехнологичных решений: Для усиления оснований предпочтительно использовать методы, не вызывающие динамических нагрузок, такие как буроинъекционные сваи. Для ограждения котлованов выбор делается в пользу жестких конструкций — «стена в грунте» или грунтоцементные завесы, созданные методом струйной цементации (Jet Grouting с рабочим давлением 40–70 МПа), которые гарантируют минимальное горизонтальное смещение.
3. Непрерывный, высокоточный геотехнический мониторинг: Критически важно обеспечить контроль деформаций с точностью, соответствующей требованиям I и II классов нивелирования (погрешность $\eta \le 2,0$ мм на 1 км двойного хода). Главная цель мониторинга — гарантировать, что фактическая относительная разность осадок особо чувствительных конструкций не превысит предельные значения, установленные в СП 22.13330 (0,0016–0,0020).

Только при комплексном подходе, сочетающем академическую точность расчетов, инновационные технологии и непрерывный контроль, можно гарантировать сохранение исторической целостности памятника при одновременном эффективном использовании дефицитного подземного пространства современного города.

Список использованной литературы

1. Свод правил по проектированию и строительству СП 13-102-2003 «Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений» (принят постановлением Госстроя РФ от 21 августа 2003 г. N 153).
2. Руководство по комплексному освоению подземного пространства крупных городов. Москва, 2004.
3. Пособие по обследованию строительных конструкций зданий. М.: АО «ЦНИИПромзданий», 1997.
4. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия.
5. ARX building, 05 // Универсальный язык архитектуры. М., 2006. С. 160.
6. Вестник // «Зодчий. 21 век» : информационно-аналитический журнал. С.-Пб., февраль 2009. С. 110.
7. Татлин // Пространство, материал, объем, конструкция. Екатеринбург, №1/31/2006. С. 128.
8. Александрова З.Д., Пастухов Ю.И. Организация комплексного капитального ремонта зданий: Учебное пособие. Л.: ЛИСИ, 1985. 86 с.
9. ГОСТ 27751-88. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету.
10. Инструкция по проектированию и устройству свайных фундаментов зданий и сооружений в г. Москве. М.: Москомархитектура, 2001.
11. Рекомендации по проектированию и устройству оснований и фундаментов при возведении зданий вблизи существующих в условиях плотной застройки в г. Москве. М.: Москомархитектура, 1999.
12. Кривошеев П.И. Усиление ж/б конструкций производственных зданий и просадочных оснований. М.: Логос, 2004. 219 с.
13. МДС 20-1.2006. Временные рекомендации по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве. М.: ФГУП «НИЦ «Строительство», 2006.
14. СП 248.1325800.2023. Сооружения подземные. Правила проектирования. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200201018 (дата обращения: 22.10.2025).
15. СП 473.1325800.2019. Здания, сооружения и комплексы подземные. Правила градостроительного проектирования. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293849/4293849202.htm (дата обращения: 22.10.2025).
16. СП 116.13330.2012. Инженерная защита территорий, зданий и сооружений от опасных геологических процессов. URL: https://np-ciz.ru/sp-116-13330-2012-inzhenernaya-zashchita-territorij-zdanij-i-sooruzhenij-ot-opasnyh-geologicheskih-protsessov-aktualizirovannaya-redaktsiya-snip-22-02-2003 (дата обращения: 22.10.2025).
17. СП 45.13330.2017. Земляные сооружения, основания и фундаменты. URL: https://docs.cntd.ru/document/456057755 (дата обращения: 22.10.2025).
18. Ограждающие конструкции котлованов, методы строительства подземных и заглубленных сооружений / П.И. Кривошеев. 2021. URL: http://elima.ru/publ/2021/04/09/ograzhdayushhie-konstrukcii-kotlovanov-metody-stroitelstva-podzemnyh-i-zaglublennyh-sooruzhenij/ (дата обращения: 22.10.2025).
19. Современные способы усиления оснований и фундаментов // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-sposoby-usileniya-osnovaniy-i-fundamentov (дата обращения: 22.10.2025).
20. Методы укрепления оснований и фундаментов // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-ukrepleniya-osnovaniy-i-fundamentov (дата обращения: 22.10.2025).
21. Подземная урбанистика Москвы в советский период: сложность и противоречивость развития // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/podzemnaya-urbanistika-moskvy-v-sovetskiy-period-slozhnost-i-protivorechivost-razvitiya (дата обращения: 22.10.2025).
22. Конюхов Д.С. Использование подземного пространства: учебное пособие. Москва, 2004. URL: https://tehne.com/izdaniya/konyuhov-d-s-ispolzovanie-podzemnogo-prostranstva-moskva-2004 (дата обращения: 22.10.2025).
23. Особенности геодезических методов мониторинга памятников архитектуры // Cyberleninka. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-geodezicheskih-metodov-monitoringa-pamyatnikov-arhitektury (дата обращения: 22.10.2025).