馬高峰

（中國鐵建國際集團(tuán)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(xiàng)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(dāng)?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。看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)框架剪力墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)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(hù)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(tái)混凝土結(jié)構(gòu)荷載通過體育場內(nèi)的柱子傳遞到各個(gè)柱子的獨(dú)立基礎(chǔ)。整個(gè)體育場分為8個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都是獨(dú)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(xiàng)目地基情況

根據(jù)投標(biāo)階段對(duì)該項(xiàng)目巖土情況的勘察并結(jié)合當(dāng)?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(jì)強(qiáng)度的要求，設(shè)計(jì)單位對(duì)該項(xiàng)目基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)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(bào)告并參考當(dāng)?shù)卣麄€(gè)巖土資料文獻(xiàn)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(duì)巖土的強(qiáng)度等級(jí)規(guī)定如表2所示。

表1 巖層分布表

對(duì)比表2及現(xiàn)場實(shí)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(qiáng)度）＞5MPa。

表2 巖土強(qiáng)度等級(jí)表

勘測報(bào)告所推薦的設(shè)計(jì)UCS是西西碼石灰?guī)r15MPa、底部西西碼石灰?guī)r5MPa，這與當(dāng)?shù)匚墨I(xiàn)所記載的UCS相近（當(dāng)?shù)匚墨I(xiàn)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(duì)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(gè)保守?cái)?shù)值去復(fù)核設(shè)計(jì)的地基承載力，5MPa的UCS（無約束壓力強(qiáng)度）設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)?；A(chǔ)設(shè)計(jì)埋深底部標(biāo)高為+2.5m，上部標(biāo)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(jì)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(jì)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?cái)嗔验g距評(píng)估巖土的承載力。分析表明，筏板基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)計(jì)所采用的750kPa的巖土凈安全承載力低于巖土勘察解釋性報(bào)告以及通過其他計(jì)算方法所確認(rèn)的3.3～6.7MPa的巖土承載力。750kPa凈安全承載力是一個(gè)安全的設(shè)計(jì)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(qiáng)度的石灰?guī)r，部分基巖由于歷史上地表水的流動(dòng)含有溶腔。在基巖溶腔低密度區(qū)域，溶腔的出現(xiàn)不會(huì)影響整體基巖的強(qiáng)度，不會(huì)造成結(jié)構(gòu)承載力的問題，然而通過現(xiàn)場的實(shí)際土方開挖來看，有些地方溶腔的密度較高，對(duì)基礎(chǔ)存在潛在的問題。

圖1 巖層的無約束壓力強(qiáng)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(duì)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?yàn)榛A(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(shí)。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(jì)的獨(dú)立樁基和筏基的承載力設(shè)計(jì)沒有問題。通過參數(shù)變化研究，進(jìn)一步確認(rèn)基巖中含有溶洞群對(duì)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(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)造成影響。在模型中，一個(gè)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(qiáng)度影響（確認(rèn)潛在的坍塌）、硬度影響（確認(rèn)可能的沉降）以及對(duì)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(duì)筏板基礎(chǔ)的影響隨著深度的增加而減少。當(dāng)溶腔群的位置位于筏板基礎(chǔ)深15m以下時(shí)，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(huì)降低基巖的質(zhì)量，使基巖抗力低于設(shè)計(jì)數(shù)值。在這些地方，要通過鉆孔和灌漿的方式，提高基巖強(qiáng)度。灌漿的目的在于使?jié){液注入溶腔群的腔體和細(xì)微組織中，漿液在28d后應(yīng)達(dá)到5MPa的強(qiáng)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(xiàng)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(duì)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(jìn)行進(jìn)一步勘察；對(duì)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(jìn)一步勘察，柱子獨(dú)立基礎(chǔ)采用多道面波分析（MASW）法進(jìn)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(duì)性地進(jìn)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(jìn)行選擇，達(dá)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(shí)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(diǎn)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(duì)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(huì)造成漿液以一定速度注入時(shí)而產(chǎn)生骨料分離。

使用電腦系統(tǒng)在灌漿的每一個(gè)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(shí)強(qiáng)度和黏度滿足設(shè)計(jì)要求。監(jiān)控和記錄漿液攪拌工藝，同時(shí)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(rèn)所選漿液配合比的可行性，應(yīng)該首先鉆出4個(gè)第一梯隊(duì)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(jìn)行，按照設(shè)計(jì)流量和壓力注漿之后，在第一梯度的4個(gè)鉆孔中鉆一個(gè)第二梯度的鉆孔進(jìn)行注漿，如2圖所示。

圖2 第一梯隊(duì)鉆孔形式

如果一個(gè)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(píng)估漿液配合比，在相鄰區(qū)域使用新的漿液配合比，進(jìn)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(duì)鉆孔灌漿完成后，第三梯隊(duì)鉆孔（T1～T4）應(yīng)按如圖3所示的位置進(jìn)行，圖3中綠色圓點(diǎn)代表第二梯隊(duì)的鉆孔位置S1。如果第三梯隊(duì)鉆孔的一個(gè)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(píng)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(duì)位置進(jìn)行注射。

圖3 第三梯隊(duì)鉆孔形式

圖4 后續(xù)鉆孔形式

注漿應(yīng)該從下至上進(jìn)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(gè)階段都達(dá)到注射壓力。在達(dá)到最大注射壓力時(shí)，應(yīng)確保膨脹栓在鉆孔內(nèi)壁和注射管外壁密封嚴(yán)實(shí)。注漿時(shí)隨時(shí)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(cuò)位發(fā)生。

（3）加固實(shí)驗(yàn)和加固實(shí)施。為確保鉆孔和壓力灌漿后基巖能夠達(dá)到預(yù)想的效果，在筏板基礎(chǔ)基巖相近區(qū)域，進(jìn)行鉆孔和壓力注漿實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行抽芯取樣、斷面圖像和X線射線圖像等勘察方法對(duì)已處理過的基巖進(jìn)行復(fù)核，基巖加固后達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)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(shí)驗(yàn)的成功，為后續(xù)所進(jìn)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(shí)際情況，針對(duì)未開始混凝土澆筑的基礎(chǔ)采用豎向壓力灌漿的方式對(duì)鎖定的溶腔群位置進(jìn)行灌漿加固，而對(duì)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(duì)基礎(chǔ)下方鎖定溶腔群位置進(jìn)行灌漿加固，斜向灌漿方式最大限度上減少了注漿加固對(duì)已澆筑基礎(chǔ)的影響。

2.4 沉降觀測

對(duì)已完成地基加固的核心筒筏板基礎(chǔ)進(jìn)行沉降觀測，最初的沉降觀測時(shí)間間隔為半個(gè)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(gè)月。通過一年半的沉降觀測，并對(duì)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(shí)際的地面位移微乎其微。

3 結(jié)束語

地下巖土情況是相對(duì)復(fù)雜的，如何準(zhǔn)確地判斷巖土中潛在的問題對(duì)基礎(chǔ)的影響，并采取科學(xué)經(jīng)濟(jì)的方式進(jìn)行基巖加固，達(dá)到質(zhì)量、成本和時(shí)間的最優(yōu)，需要進(jìn)行科學(xué)的論證，希望文章的地基加固論證能給其他項(xiàng)目提供一些借鑒參考。