Геотехнические аспекты проекта башни ОДЦ «Охта»

Санкт-Петербург по праву называют второй столицей России как в историческом, так и экономическом смысле. Идея создания бизнес-района с высотным зданием по образцу ведущих городов мира формировалась несколько лет.

Изобретение в 1857 году пассажирского лифта позволило сделать многоэтажные здания не только удобными для использования, но и расширить их назначение. Современные небоскребы, помимо выполнения основной функции офисного или, реже, жилого здания, являются еще и показателем экономической мощи и технического прогресса. Строительство небоскреба – это своеобразный пропуск в клуб экономически успешных городов.

В России советского периода наиболее известными высотными зданиями являлись так называемые «сталинские высотки» (до 240 м), возведенные в Москве в 50-е годы XX века. В 50 – 90-е годы также было построено несколько зданий высотой до 150 м. В 1996 г. со строительства «Башни 2000» началось возведение делового района «Москва-Сити», включающего в себя 9 зданий высотой от 250 до 350 м, среди которых самое высокое в Европе – 509-метровый комплекс «Федерация».

Начали возводить деловой район и в Екатеринбурге, однако мировой экономический кризис внес свои коррективы. Сегодня работы возобновлены, и в 2014 году планируется завершить строительство 215-метровой башни «Исеть». В конце 2006-го года в Санкт-Петербурге прошел конкурс проектов для общественно-делового центра (ОДЦ) «Охта», в котором победила фирма RMJM из Великобритании. В соответствии с представленным проектом рядом с устьем реки Охта, в районе, ныне определяемом как депрессивный, планируется возведение башни высотой 396 метров с комплексом зданий различного назначения.

Участок строительства ОДЦ «Охта» находится за пределами исторического центра города и отделен от него Невой. Близлежащие кварталы застроены жилыми и промышленными зданиями. Для справки: до Октябрьской революции в тогдашней столице России действовал царский указ о запрете строительства зданий выше последнего карниза Зимнего дворца – 11-ти саженей, или 23,5 метра. В настоящее время высота строящихся и уже возведенных высоток в городе составляет 90 – 120 метров.

Сооружение столь высокого здания, как башня «Охта», в Петербурге еще никогда не велось, поэтому к разработке проекта привлекли ведущих отечественных и иностранных специалистов. Для проектирования геотехнической части и научно-технического сопровождения на всех стадиях приглашены специалисты Научно- исследовательского института оснований и подземных сооружений им Н. М. Герсеванова. Институт с 80-летней историей принимал участие во всех значимых проектах СССР и РФ.

Среди наиболее известных – «сталинские высотки», Останкинская башня, здания ММДЦ «Москва-Сити», множество объектов промышленного назначения. В институте были разработаны практически все ныне действующие нормативные документы по проектированию фундаментов и подземному строительству, а также геотехнические разделы документов по высотному строительству. Для разработки проекта конструктивных решений башни была привлечена фирма ООО «Инфорс-проект».

Проект бареттного основания на стадии «П» был выпущен ООО «СПИ «Гидроспецпроект». Основой архитектурной концепции здания стала разрушенная в XVII веке крепость Ниеншанц, имевшая пятиугольную форму. На этом месте и будет возведена башня, перенявшая ее очертания. Пять «крыльев» высотного сооружения по мере роста поворачиваются на один градус, уменьшаясь с каждым этажом. Планируемая высота здания – 396 м, количество этажей – 67.

Нормативная нагрузка от него составляет 330 тысяч тонн. Диаметр окружности, вписанной в контур башни у основания, – приблизительно 50 метров. Подземная часть – пятиугольная в плане, размер каждой стороны – 56 метров. Площадь фундамента – 5700 кв. метров. В здании применена набирающая все большую популярность в высотном строительстве конструктивная схема с жестким центральным ядром, воспринимающим значительную часть вертикальных и горизонтальных нагрузок, периметральными колоннами и несколькими аутригерами.

Аутригеры представляют собой балки большой жесткости, с высотой сечения в 2 этажа, размещаемые в нескольких уровнях по высоте и используемые для восприятия горизонтальной нагрузки. Общая устойчивость здания обеспечивается совместной пространственной работой мощного центрального ствола, периметральных колонн, дисков перекрытий и аутригерных балок. Центральный ствол представляет собой железобетонную кольцевую стену, толщина которой на нижних этажах равна 2 метрам и постепенно уменьшается с высотой.

Внутри центрального ствола находятся стены и перекрытия лифтовых шахт и лестничных клеток, придающие дополнительную жесткость зданию. По периметру башни расположены 15 металлических колонн коробчатого сечения размером до 850 ? 850 мм. Особенностью выбранной конструктивной схемы является концентрация больших вертикальных усилий от центрального ствола жесткости в пределах небольшой части фундамента.

Большинство современных высотных зданий, за редким исключением, построено на глубоких опорах, таких как сваи или баретты (сваи прямоугольного сечения). Это обусловлено тем, что применение плитного фундамента для высотного здания возможно лишь в том случае, когда прочные грунты находятся не слишком глубоко от поверхности (до 30 – 40 м) и устройство глубокого котлована экономически оправдано.

В инженерно-геологических условиях рассматриваемой площадки прочные скальные грунты залегают на глубине свыше 200 м, что, в совокупности со слабыми грунтами вблизи поверхности, не оставляет иного варианта фундамента кроме свайного. Еще в I в. н. э. римский архитектор Витрувий сформулировал в своем трактате «Десять книг об архитектуре» один из принципов проектирования фундаментов, который используют по сей день: «для фундаментов этих построек надо копать до материка, если можно до него дойти, да и в самом материке, на глубину, соответствующую объему возводимой постройки…». Другими словами, вес вынутого грунта должен быть равен весу здания.

Применить этот принцип в рассматриваемых условиях в полной мере невозможно, так как устройство столь глубокого котлована в слабых грунтах экономически не оправдано. Второй принцип, впервые использованный при строительстве «сталинских высоток» в Москве группой инженеров-конструкторов под руководством Н. В. Никитина (автора в т. ч. уникальной конструкции Останкинской телевизионной башни), заключается в устройстве коробчатых фундаментов, выступающих за контуры высотной части здания с целью снижения давления по подошве фундамента.

Оба эти принципа были частично реализованы при проектировании фундамента и подземной части башни ОДЦ «Охта». Особенностью высотного строительства в Петербурге являются крайне сложные инженерно- геологические условия, заключающиеся в том, что сверху, до глубины 30 – 40 м, залегают очень слабые грунты. Скальные же грунты, в большинстве случаев использующиеся в качестве оснований для высотных зданий, расположены на глубинах более 200 м.

Такая глубина залегания не позволяет использовать их в данном случае в качестве основания, т. к. возможности и опыт применения современной строительной техники для изготовления свай ограничены глубинами 100 – 120 м, не говоря уже об экономической неэффективности подобного фундамента. При устройстве свай глубиной более 100 м каждый дополнительный метр становится «золотым». Учитывая все вышеперечисленные факторы, было принято решение использовать в качестве основания свайного фундамента вендские глины, залегающие с глубины 40 – 50 м.

В настоящей работе будут упоминаться два слоя вендских глин – инженерно-геологические элементы ИГЭ-12 и ИГЭ-13. Вендские глины являются относительно прочными и представляют собой грунт, имеющий свойства твердой глины и полускального грунта одновременно. В странах, где такие грунты наиболее распространены, существует специальный термин Mudstone, что можно перевести как «окаменевшая глина».

Осуществить опирание свай на вендские глины было сложно из-за отсутствия опыта использования их в качестве основания высотного здания. Среди петербургских специалистов существует множество мнений о свойствах вендских глин. Некоторые говорят, что глины обладают блочно-трещиноватой структурой, другие утверждают, что они имеют ярко выраженную слоистость. Сходятся специалисты в одном – вендские глины требуют тщательного изучения.

Полную версию статьи Вы можете скачать здесь

Текст ВАЛЕРИЙ ПЕТРУХИН, д-р техн. наук, директор института,
ОЛЕГ ШУЛЯТЬЕВ, канд. техн. наук, зам. директора института,
ИГОРЬ БОКОВ, инженер, мл. научный сотрудник,
СТАНИСЛАВ ШУЛЯТЬЕВ, инженер. НИИОСП им. Н. М. Герсеванова