盧賽爾體育場地基加固論證分析

馬高峰

（中國鐵建國際集團有限公司，北京 100039）

1 工程介紹

2022年世界杯主體育場卡塔爾盧賽爾體育場項目坐落于熱帶沙漠氣候的卡塔爾-多哈市盧賽爾區(qū)，開幕式、閉幕式及其他重要賽事都要在這里舉行，備受卡塔爾當?shù)卣屯饨珀P(guān)注。體育場屋面呈馬鞍形，東西高、南北低，地面投影直徑約312m，最高處距地面74m，建筑面積近16萬m2，可容納觀眾9.2萬余人?？磁_混凝土結(jié)構(gòu)形式為獨立混凝土基礎(chǔ)框架剪力墻結(jié)構(gòu)，圍護支撐體系為外掛幕墻的異形鋼桁架，屋面為大跨度索膜結(jié)構(gòu)體系。

圍護結(jié)構(gòu)和屋面荷載通過體育場周圍的24根混凝土矩形柱傳遞到核心筒筏板基礎(chǔ)，看臺混凝土結(jié)構(gòu)荷載通過體育場內(nèi)的柱子傳遞到各個柱子的獨立基礎(chǔ)。整個體育場分為8個分區(qū)，每個分區(qū)都是獨立的核心筒筏板基數(shù)，各分區(qū)之間設(shè)置伸縮縫。

2 地基加固論證

2.1 項目地基情況

根據(jù)投標階段對該項目巖土情況的勘察并結(jié)合當?shù)貛r土資料數(shù)據(jù)，考慮到地基土質(zhì)大部分是巖層，巖土承載力能滿足設(shè)計強度的要求，設(shè)計單位對該項目基礎(chǔ)的設(shè)計沒有考慮樁基。在一些分區(qū)完成筏板基礎(chǔ)澆筑，其他分區(qū)基礎(chǔ)開挖過程中，巖土中局部出現(xiàn)了溶腔或溶腔群，該區(qū)域巖土承載力存在潛在的問題。

2.2 問題研究

（1）巖土土質(zhì)分析。盧賽爾體育場巖土調(diào)查情況報告并參考當?shù)卣麄€巖土資料文獻表明，盧賽爾體育場主要為三種巖土層，即西西碼石灰?guī)r層、底部西西碼石灰?guī)r層和魯斯層。每種巖層的海拔高度和厚度分布情況如表1所示，ASTM4879對巖土的強度等級規(guī)定如表2所示。

表1 巖層分布表

對比表2及現(xiàn)場實際勘察可知，西西碼石灰?guī)r一般為中等硬或硬巖石，UCS（無約束壓力強度）＞5MPa。

表2 巖土強度等級表

勘測報告所推薦的設(shè)計UCS是西西碼石灰?guī)r15MPa、底部西西碼石灰?guī)r5MPa，這與當?shù)匚墨I所記載的UCS相近（當?shù)匚墨I數(shù)據(jù)表明西西碼石灰?guī)r的UCS范圍為5～12MPa），UCS隨巖土質(zhì)量的好壞而變化。對比巖土模型，取西西碼石灰?guī)r和底部西西碼石灰?guī)r的UCS都為5MPa，用這個保守數(shù)值去復核設(shè)計的地基承載力，5MPa的UCS（無約束壓力強度）設(shè)計值可以列為軟巖石或中等軟巖石，如圖1所示。

（2）主要設(shè)計參數(shù)?；A(chǔ)設(shè)計埋深底部標高為+2.5m，上部標高為+4.9m。從表1可知，基礎(chǔ)位于西西碼石灰?guī)r層的上部，在假定石灰?guī)r層完好的情況下，UCS＞ 5MPa。

巖土設(shè)計參數(shù)包括可允許的地基承載力及加載后沉降幅度等，按照歐洲巖土工程設(shè)計規(guī)范，考慮巖土為質(zhì)量好完整的基巖，采用5MPa的UCS和100mm的保守斷裂間距評估巖土的承載力。分析表明，筏板基礎(chǔ)和獨立基礎(chǔ)設(shè)計所采用的750kPa的巖土凈安全承載力低于巖土勘察解釋性報告以及通過其他計算方法所確認的3.3～6.7MPa的巖土承載力。750kPa凈安全承載力是一個安全的設(shè)計數(shù)值，也考慮了可以接受的安全系數(shù)。

（3）溶腔影響分析。盧賽爾大部分基巖包括中等強度的石灰?guī)r，部分基巖由于歷史上地表水的流動含有溶腔。在基巖溶腔低密度區(qū)域，溶腔的出現(xiàn)不會影響整體基巖的強度，不會造成結(jié)構(gòu)承載力的問題，然而通過現(xiàn)場的實際土方開挖來看，有些地方溶腔的密度較高，對基礎(chǔ)存在潛在的問題。

圖1 巖層的無約束壓力強度

盧賽爾建立了理想化的巖土情況模型，淺表層和深層地質(zhì)情況對基礎(chǔ)的影響極小不再研究。在基巖巖石質(zhì)量很好的情況下，能夠為基礎(chǔ)提供穩(wěn)定的承載力，在基巖里面出現(xiàn)微小溶腔，微小溶腔的密度不一樣，密度高的地方形成溶腔群，這一假定情況也在現(xiàn)場基礎(chǔ)區(qū)域開挖后的坑探得以證實。通過模型可以判斷基于基礎(chǔ)下方的基巖中沒有溶腔群的情況，設(shè)計的獨立樁基和筏基的承載力設(shè)計沒有問題。通過參數(shù)變化研究，進一步確認基巖中含有溶洞群對基礎(chǔ)的影響

研究溶腔群如何影響基礎(chǔ)，可采用有限元Plaxis 3D軟件，通過參數(shù)輸入情景模擬，確定在筏板基礎(chǔ)的多大深度溶腔群不會對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成影響。在模型中，一個理論上的溶腔群位于深2m、寬12m、長16m的筏板基礎(chǔ)下方的基巖層中。

通過上述方法，分析了溶腔群的強度影響（確認潛在的坍塌）、硬度影響（確認可能的沉降）以及對作用在筏板基礎(chǔ)上面荷載的敏感性。隨著筏板基礎(chǔ)下方溶腔群位置和深度不同，沉降數(shù)值不同。參數(shù)研究的結(jié)果表明溶腔群對筏板基礎(chǔ)的影響隨著深度的增加而減少。當溶腔群的位置位于筏板基礎(chǔ)深15m以下時，影響大幅度減少。溶腔群的影響深度與筏板基礎(chǔ)的寬度成比例，最大影響深度一般為基礎(chǔ)寬度的1.5倍。

溶腔群存在的地方會降低基巖的質(zhì)量，使基巖抗力低于設(shè)計數(shù)值。在這些地方，要通過鉆孔和灌漿的方式，提高基巖強度。灌漿的目的在于使?jié){液注入溶腔群的腔體和細微組織中，漿液在28d后應(yīng)達到5MPa的強度。

（4）溶腔位置鎖定。地基的勘察方法可以分為侵入式勘察和非侵入式勘察，侵入式勘察主要包括鉆孔勘察、鉆孔取樣、斷層攝影和坑探；非侵入式勘察主要為原位測試和地球物理勘察。本項目采用的是侵入式勘察和非侵入式勘察相結(jié)合的方式。

對于尚未澆筑混凝土的筏板基礎(chǔ)，通過多道面波分析（MASW）法和鉆孔斷面圖像勘察（Diagraphy Borehole）方法在基礎(chǔ)部位進行進一步勘察；對于已經(jīng)澆筑混凝土的筏板基礎(chǔ)，通過X線斷層攝影方勘探（Tomography）法在基礎(chǔ)四周鉆孔進一步勘察，柱子獨立基礎(chǔ)采用多道面波分析（MASW）法進一步勘察。

通過上述方式，鎖定基礎(chǔ)下溶腔群的位置和深度，以便后續(xù)有針對性地進行壓力注漿。

2.3 地基加固

（1）注漿設(shè)備。漿液泵和注漿系統(tǒng)應(yīng)該按照注漿技術(shù)要求進行選擇，達到以下要求：①漿液泵送速度應(yīng)可調(diào)；②可以輸出一定時間段內(nèi)的注漿體積和注漿壓力；③攪拌裝置需阻止?jié){液沉淀直至漿液注射完成；④注射速度可控，使注射壓力維持在要求的范圍內(nèi)；⑤在注射點應(yīng)該設(shè)置壓力表以便測試壓力；⑥注射裝置應(yīng)該限制壓力突然增大以免對基巖造成破壞；⑦注射空洞應(yīng)確保泵壓力的安全系數(shù)，空洞直徑應(yīng)不會造成漿液以一定速度注入時而產(chǎn)生骨料分離。

使用電腦系統(tǒng)在灌漿的每一個階段去監(jiān)控和控制灌漿參數(shù)、注漿壓力、數(shù)量和流量。確保漿液質(zhì)量和一致性，同時強度和黏度滿足設(shè)計要求。監(jiān)控和記錄漿液攪拌工藝，同時記錄好每次攪拌漿液的成分和數(shù)量。

（2）注漿形式。為了確認所選漿液配合比的可行性，應(yīng)該首先鉆出4個第一梯隊的鉆孔（P1～P4），限制漿液橫向流到制定處理區(qū)域之外，注漿從注漿區(qū)域的四周向內(nèi)進行，按照設(shè)計流量和壓力注漿之后，在第一梯度的4個鉆孔中鉆一個第二梯度的鉆孔進行注漿，如2圖所示。

圖2 第一梯隊鉆孔形式

如果一個注漿階段的漿液使用體積超過理論體積的4倍，應(yīng)該重新評估漿液配合比，在相鄰區(qū)域使用新的漿液配合比，進行下一階段的灌漿。不同直徑鉆孔的理論注漿體積如表3所示。

表3 理論注漿體積

第二梯隊鉆孔灌漿完成后，第三梯隊鉆孔（T1～T4）應(yīng)按如圖3所示的位置進行，圖3中綠色圓點代表第二梯隊的鉆孔位置S1。如果第三梯隊鉆孔的一個注漿階段的漿液使用體積超過理論體積的4倍，就應(yīng)該重新評估漿液配合比，新配合比的漿液按如圖4所示的第四或第五梯隊位置進行注射。

圖3 第三梯隊鉆孔形式

圖4 后續(xù)鉆孔形式

注漿應(yīng)該從下至上進行，漿液通過軟管由漿液攪拌箱輸送到漿液泵。在鉆孔內(nèi)部，在3m間隔的位置上裝置膨脹栓，以確保注漿從下到上每個階段都達到注射壓力。在達到最大注射壓力時，應(yīng)確保膨脹栓在鉆孔內(nèi)壁和注射管外壁密封嚴實。注漿時隨時調(diào)整注射參數(shù)（壓力、體積、流量），在結(jié)構(gòu)敏感區(qū)域和接近地面區(qū)域，應(yīng)該特別小心，避免不可接受的巖土變形和錯位發(fā)生。

（3）加固實驗和加固實施。為確保鉆孔和壓力灌漿后基巖能夠達到預想的效果，在筏板基礎(chǔ)基巖相近區(qū)域，進行鉆孔和壓力注漿實驗，對實驗區(qū)域進行抽芯取樣、斷面圖像和X線射線圖像等勘察方法對已處理過的基巖進行復核，基巖加固后達到預期的強度。注漿后的勘察結(jié)果表明，所采用的鉆孔壓力灌漿方案和漿液的配合比是符合要求的。實驗的成功，為后續(xù)所進行的豎向鉆孔壓力灌漿和斜向鉆孔壓力灌漿提供了有力的保障

結(jié)合現(xiàn)場施工的實際情況，針對未開始混凝土澆筑的基礎(chǔ)采用豎向壓力灌漿的方式對鎖定的溶腔群位置進行灌漿加固，而對已經(jīng)完成混凝土澆筑的基礎(chǔ)采用斜向壓力灌漿的方式對基礎(chǔ)下方鎖定溶腔群位置進行灌漿加固，斜向灌漿方式最大限度上減少了注漿加固對已澆筑基礎(chǔ)的影響。

2.4 沉降觀測

對已完成地基加固的核心筒筏板基礎(chǔ)進行沉降觀測，最初的沉降觀測時間間隔為半個月，如果觀測數(shù)據(jù)結(jié)果誤差在合理范圍內(nèi)，后續(xù)的沉降觀測間隔為一個月。通過一年半的沉降觀測，并對比地基加載前后的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)基礎(chǔ)的沉降。沉降觀測數(shù)據(jù)的微小變化是在正常的測量精度范圍之內(nèi)，實際的地面位移微乎其微。

3 結(jié)束語

地下巖土情況是相對復雜的，如何準確地判斷巖土中潛在的問題對基礎(chǔ)的影響，并采取科學經(jīng)濟的方式進行基巖加固，達到質(zhì)量、成本和時間的最優(yōu)，需要進行科學的論證，希望文章的地基加固論證能給其他項目提供一些借鑒參考。