卢赛尔体育场地基加固论证分析

马高峰

（中国铁建国际集团有限公司，北京 100039）

1 工程介绍

2022年世界杯主体育场卡塔尔卢赛尔体育场项目坐落于热带沙漠气候的卡塔尔-多哈市卢赛尔区，开幕式、闭幕式及其他重要赛事都要在这里举行，备受卡塔尔当地政府和外界关注。体育场屋面呈马鞍形，东西高、南北低，地面投影直径约312m，最高处距地面74m，建筑面积近16万m2，可容纳观众9.2万余人。看台混凝土结构形式为独立混凝土基础框架剪力墙结构，围护支撑体系为外挂幕墙的异形钢桁架，屋面为大跨度索膜结构体系。

围护结构和屋面荷载通过体育场周围的24根混凝土矩形柱传递到核心筒筏板基础，看台混凝土结构荷载通过体育场内的柱子传递到各个柱子的独立基础。整个体育场分为8个分区，每个分区都是独立的核心筒筏板基数，各分区之间设置伸缩缝。

2 地基加固论证

2.1 项目地基情况

根据投标阶段对该项目岩土情况的勘察并结合当地岩土资料数据，考虑到地基土质大部分是岩层，岩土承载力能满足设计强度的要求，设计单位对该项目基础的设计没有考虑桩基。在一些分区完成筏板基础浇筑，其他分区基础开挖过程中，岩土中局部出现了溶腔或溶腔群，该区域岩土承载力存在潜在的问题。

2.2 问题研究

（1）岩土土质分析。卢赛尔体育场岩土调查情况报告并参考当地整个岩土资料文献表明，卢赛尔体育场主要为三种岩土层，即西西码石灰岩层、底部西西码石灰岩层和鲁斯层。每种岩层的海拔高度和厚度分布情况如表1所示，ASTM4879对岩土的强度等级规定如表2所示。

表1 岩层分布表

对比表2及现场实际勘察可知，西西码石灰岩一般为中等硬或硬岩石，UCS（无约束压力强度）＞5MPa。

表2 岩土强度等级表

勘测报告所推荐的设计UCS是西西码石灰岩15MPa、底部西西码石灰岩5MPa，这与当地文献所记载的UCS相近（当地文献数据表明西西码石灰岩的UCS范围为5～12MPa），UCS随岩土质量的好坏而变化。对比岩土模型，取西西码石灰岩和底部西西码石灰岩的UCS都为5MPa，用这个保守数值去复核设计的地基承载力，5MPa的UCS（无约束压力强度）设计值可以列为软岩石或中等软岩石，如图1所示。

（2）主要设计参数。基础设计埋深底部标高为+2.5m，上部标高为+4.9m。从表1可知，基础位于西西码石灰岩层的上部，在假定石灰岩层完好的情况下，UCS＞ 5MPa。

岩土设计参数包括可允许的地基承载力及加载后沉降幅度等，按照欧洲岩土工程设计规范，考虑岩土为质量好完整的基岩，采用5MPa的UCS和100mm的保守断裂间距评估岩土的承载力。分析表明，筏板基础和独立基础设计所采用的750kPa的岩土净安全承载力低于岩土勘察解释性报告以及通过其他计算方法所确认的3.3～6.7MPa的岩土承载力。750kPa净安全承载力是一个安全的设计数值，也考虑了可以接受的安全系数。

（3）溶腔影响分析。卢赛尔大部分基岩包括中等强度的石灰岩，部分基岩由于历史上地表水的流动含有溶腔。在基岩溶腔低密度区域，溶腔的出现不会影响整体基岩的强度，不会造成结构承载力的问题，然而通过现场的实际土方开挖来看，有些地方溶腔的密度较高，对基础存在潜在的问题。

图1 岩层的无约束压力强度

卢赛尔建立了理想化的岩土情况模型，浅表层和深层地质情况对基础的影响极小不再研究。在基岩岩石质量很好的情况下，能够为基础提供稳定的承载力，在基岩里面出现微小溶腔，微小溶腔的密度不一样，密度高的地方形成溶腔群，这一假定情况也在现场基础区域开挖后的坑探得以证实。通过模型可以判断基于基础下方的基岩中没有溶腔群的情况，设计的独立桩基和筏基的承载力设计没有问题。通过参数变化研究，进一步确认基岩中含有溶洞群对基础的影响

研究溶腔群如何影响基础，可采用有限元Plaxis 3D软件，通过参数输入情景模拟，确定在筏板基础的多大深度溶腔群不会对结构基础造成影响。在模型中，一个理论上的溶腔群位于深2m、宽12m、长16m的筏板基础下方的基岩层中。

通过上述方法，分析了溶腔群的强度影响（确认潜在的坍塌）、硬度影响（确认可能的沉降）以及对作用在筏板基础上面荷载的敏感性。随着筏板基础下方溶腔群位置和深度不同，沉降数值不同。参数研究的结果表明溶腔群对筏板基础的影响随着深度的增加而减少。当溶腔群的位置位于筏板基础深15m以下时，影响大幅度减少。溶腔群的影响深度与筏板基础的宽度成比例，最大影响深度一般为基础宽度的1.5倍。

溶腔群存在的地方会降低基岩的质量，使基岩抗力低于设计数值。在这些地方，要通过钻孔和灌浆的方式，提高基岩强度。灌浆的目的在于使浆液注入溶腔群的腔体和细微组织中，浆液在28d后应达到5MPa的强度。

（4）溶腔位置锁定。地基的勘察方法可以分为侵入式勘察和非侵入式勘察，侵入式勘察主要包括钻孔勘察、钻孔取样、断层摄影和坑探；非侵入式勘察主要为原位测试和地球物理勘察。本项目采用的是侵入式勘察和非侵入式勘察相结合的方式。

对于尚未浇筑混凝土的筏板基础，通过多道面波分析（MASW）法和钻孔断面图像勘察（Diagraphy Borehole）方法在基础部位进行进一步勘察；对于已经浇筑混凝土的筏板基础，通过X线断层摄影方勘探（Tomography）法在基础四周钻孔进一步勘察，柱子独立基础采用多道面波分析（MASW）法进一步勘察。

通过上述方式，锁定基础下溶腔群的位置和深度，以便后续有针对性地进行压力注浆。

2.3 地基加固

（1）注浆设备。浆液泵和注浆系统应该按照注浆技术要求进行选择，达到以下要求：①浆液泵送速度应可调；②可以输出一定时间段内的注浆体积和注浆压力；③搅拌装置需阻止浆液沉淀直至浆液注射完成；④注射速度可控，使注射压力维持在要求的范围内；⑤在注射点应该设置压力表以便测试压力；⑥注射装置应该限制压力突然增大以免对基岩造成破坏；⑦注射空洞应确保泵压力的安全系数，空洞直径应不会造成浆液以一定速度注入时而产生骨料分离。

使用电脑系统在灌浆的每一个阶段去监控和控制灌浆参数、注浆压力、数量和流量。确保浆液质量和一致性，同时强度和黏度满足设计要求。监控和记录浆液搅拌工艺，同时记录好每次搅拌浆液的成分和数量。

（2）注浆形式。为了确认所选浆液配合比的可行性，应该首先钻出4个第一梯队的钻孔（P1～P4），限制浆液横向流到制定处理区域之外，注浆从注浆区域的四周向内进行，按照设计流量和压力注浆之后，在第一梯度的4个钻孔中钻一个第二梯度的钻孔进行注浆，如2图所示。

图2 第一梯队钻孔形式

如果一个注浆阶段的浆液使用体积超过理论体积的4倍，应该重新评估浆液配合比，在相邻区域使用新的浆液配合比，进行下一阶段的灌浆。不同直径钻孔的理论注浆体积如表3所示。

表3 理论注浆体积

第二梯队钻孔灌浆完成后，第三梯队钻孔（T1～T4）应按如图3所示的位置进行，图3中绿色圆点代表第二梯队的钻孔位置S1。如果第三梯队钻孔的一个注浆阶段的浆液使用体积超过理论体积的4倍，就应该重新评估浆液配合比，新配合比的浆液按如图4所示的第四或第五梯队位置进行注射。

图3 第三梯队钻孔形式

图4 后续钻孔形式

注浆应该从下至上进行，浆液通过软管由浆液搅拌箱输送到浆液泵。在钻孔内部，在3m间隔的位置上装置膨胀栓，以确保注浆从下到上每个阶段都达到注射压力。在达到最大注射压力时，应确保膨胀栓在钻孔内壁和注射管外壁密封严实。注浆时随时调整注射参数（压力、体积、流量），在结构敏感区域和接近地面区域，应该特别小心，避免不可接受的岩土变形和错位发生。

（3）加固实验和加固实施。为确保钻孔和压力灌浆后基岩能够达到预想的效果，在筏板基础基岩相近区域，进行钻孔和压力注浆实验，对实验区域进行抽芯取样、断面图像和X线射线图像等勘察方法对已处理过的基岩进行复核，基岩加固后达到预期的强度。注浆后的勘察结果表明，所采用的钻孔压力灌浆方案和浆液的配合比是符合要求的。实验的成功，为后续所进行的竖向钻孔压力灌浆和斜向钻孔压力灌浆提供了有力的保障

结合现场施工的实际情况，针对未开始混凝土浇筑的基础采用竖向压力灌浆的方式对锁定的溶腔群位置进行灌浆加固，而对已经完成混凝土浇筑的基础采用斜向压力灌浆的方式对基础下方锁定溶腔群位置进行灌浆加固，斜向灌浆方式最大限度上减少了注浆加固对已浇筑基础的影响。

2.4 沉降观测

对已完成地基加固的核心筒筏板基础进行沉降观测，最初的沉降观测时间间隔为半个月，如果观测数据结果误差在合理范围内，后续的沉降观测间隔为一个月。通过一年半的沉降观测，并对比地基加载前后的观测数据，发现没有出现基础的沉降。沉降观测数据的微小变化是在正常的测量精度范围之内，实际的地面位移微乎其微。

3 结束语

地下岩土情况是相对复杂的，如何准确地判断岩土中潜在的问题对基础的影响，并采取科学经济的方式进行基岩加固，达到质量、成本和时间的最优，需要进行科学的论证，希望文章的地基加固论证能给其他项目提供一些借鉴参考。