肇庆新区体育中心钢结构造型复杂, 专业足球场为W形鱼腹式大跨度长悬挑结构, 而体育馆和训练馆为连在一起的双弦支穹顶结构。根据钢结构安装方案的总体部署, 钢结构支撑胎架需单独设置基础。而根据本工程的岩土详勘报告, 施工场地内为回填软弱土层+强发育的岩溶喀斯特复杂地质, 承受不了钢结构支撑胎架传递下来的荷载。如何在岩溶复杂喀斯特地质条件下选择合适的胎架基础, 进行合理的胎架设计和施工, 是研究的重点。

肇庆新区体育中心项目 (场馆) 为2018年广东省第十五届运动会的开闭幕式举办地, 分为专业足球场、体育馆和训练馆及其连系结构———城市会客厅, 总建筑面积约87 142.63m²。其中专业足球场为“鱼腹式箱形梁+看台分叉柱+尾部V支撑”的W形大跨度长悬挑钢结构受力体系, 最大悬挑跨度32.5m, 最大梁截面2 800mm×600mm×12mm×30mm;体育馆和训练馆都为典型的弦支穹顶钢结构体系, 采用大跨度车辐式变截面箱梁结构, 最大跨度分别为107, 58m, 3个单体之间靠单层空间网格结构连接, 如图1所示。

建筑物场区位于吴川-四会大断裂南东侧, 属构造稳定地块。地貌类型为西江河流冲积平原区, 地质属于石炭系隐伏, 是岩溶较发育地区, 岩面起伏较大, 局部为溶槽。软弱土层主要为人工填土、冲积成因粉质黏土、淤泥、淤泥质粉质黏土、细砂、残积成因粉质黏土等, 厚度在15.90~45.77m。由于钢结构安装要求支撑胎架不能有较大沉降, 现场地质状况根本无法满足支撑胎架受力要求。

根据施工吊装部署, 专业足球场胎架沿结构主梁两端环形布置。其中外圈设置了37组胎架, 内圈设置了32组, 网架结构部分设置了15组, 共84组。在足球场外圈胎架中, 有32组坐落在土建结构以外的原状土上。此原状土为淤泥质和新进回填土, 以及大量具有喀斯特特征的岩层, 承载力较弱, 胎架无法直接坐落。通过数值模拟分析, 土建结构以外的胎架基础采用桩承台基础和独立承台基础2种方式, 其中桩承台基础为12个, 独立承台基础为23个。具体分布如图2所示。

体育馆、训练馆和城市会客厅分片形式复杂多样, 支撑措施侧向受力大, 采用格构式标准胎架———高度超过20m的支撑胎架。在胎架立柱之间设置水平连系桁架, 共计设置132组支撑胎架, 其中63组坐落在土建结构的原状土上, 不满足胎架支撑条件。通过数值模拟分析, 土建结构以外的胎架基础采用桩承台基础和独立承台基础2种方式, 其中桩承台基础为12个, 独立承台基础为65个, 具体布置如图3所示。

桩承台基础采用三桩承台形式, 通过施工过程模拟计算, 可得出每个基础承台的最大荷载值, 其中胎架ZTJ-37的基础支座反力最大, 为260k N, 以胎架ZTJ-37的2倍单桩承载特征值作为终压控制值, 为便于现场施工操作, 取300k N作为PHC管桩终压控制值。

根据地质勘察报告, 选取土质最差土层计算桩身长度, 按照地质勘察报告内ZK237点柱状图内土层各类土力学参数进行计算, 得出配桩长度25m。

通过施工过程模拟计算, 可得出每个基础承台的最大荷载值, 其中最大和最小值如表1所示。

按照承受支座反力最大的ZTJ-8胎架基础荷载取值: (1) 设计值N=486.00k N, M_x=270.00k N·m, V_x=13.50k N, M_y=135.00k N·m, V_y=6.75k N; (2) 标准值N_k=3 600.00k N, M_xk=200.00k N·m, V_xk=10.00k N, M_yk=100.00k N·m, V_yk=5.00k N。

1) 基底反力计算基底反力最小值p_kmin=-7.85k Pa;基底反力平均值p_k=30.50k Pa;基底反力最大值p_kmax=58.81k Pa;根据岩土详勘报告提供的土层承载力建议值, 无法满足基底反力受力要求, 需对胎架基础做软基处理。

2) 基础计算配筋x向实配φ16@200 (1 005mm²/m, 配筋率0.251%) >A_s (800mm²/m) ;y向实配φ16@200 (1 005mm²/m, 配筋率0.251%) >A_s (800mm²/m) ;基础底筋和面筋纵横向配筋均采用φ16@200。

支撑胎架基础设计为φ70mm静压PHC管桩, 单桩竖向抗压承载力特征值150k N, 有效桩长≥25m, 最终压力300k N。三桩承台基础和独立承台基础采用C30混凝土, 如图4所示。

根据计算结果, 独立基础需要对基础原状土采取处理措施, 以满足承载力要求。综合本工程的施工进度、成本、施工条件以及典型的喀斯特地址状况, 决定采取支撑胎架基础加静压管桩的处理措施。

按照现场施工条件和工期因素, 采用2台ZYJ680B液压静力压桩机施工。由于场地地下岩溶强发育, 形成型态各异的喀斯特地貌现象。当桩尖碰到基岩面倾斜或不规则层面时可能导致断桩, 或者遇到较大溶洞, 桩穿过溶洞顶板后, 突然快速下滑, 极容易发生断桩、卡桩、桩位偏移等, 对胎架基础的稳定性有影响, 因此在施工PHC管桩过程中, 应及时采取以下措施: (1) 严格按地质情况配置桩长因为其为摩擦桩, 且单桩承载力特征值不大, 桩端受力不大, 桩端不容易受到破坏, 不能配置长桩用静压桩机强压至设计标高。 (2) 严格控制压力和压桩速度对持力层不平的地质, 压桩过程中要时刻掌握压力大小, 并缓慢沉桩, 当发现压力表突增时, 应立即停止施压, 再缓慢施加压力以达到稳压。 (3) 增加复压次数对岩层有严重溶蚀缺口、岩层破碎带、钻探发现为溶洞区的桩及在复压时发现压力表指针上升速度不均匀的桩, 均要求增加复压次数, 有些桩在复压时穿过溶洞顶岩从而确保了桩基承载力。但应当注意的是复压压力要控制在终压力值内, 压力过大可能引起断桩。 (4) 确保桩进入稳定持力层岩层厚度≥1m且岩芯坚硬呈块状或柱状时, 可作为稳定持力层;如岩层较厚但具有较大溶蚀缺口, 则先按该处岩层深度配桩, 预留1~2m富余量, 如压进过程中发现有压穿岩层现象, 则根据情况驳接一短桩, 确保桩能顺利到达稳定持力层。 (5) 加强对桩身完整性的检查在各桩完成后向桩管内投入石块, 凭经验根据石块撞击铁尖的声音初步判断桩身完好性, 若更精确则用绳子坠物探测以检测桩长。当桩在压入过程中出现压力表陡降2~3MPa, 且伴有“嘭”声及机身振动时, 可判断管桩遇上岩层, 如压力陡降范围不在2~3MPa, 随后压力又上升至设计终压要求时, 可初步判断管桩压穿溶洞壳顶后稳定到达持力层, 凡出现压穿岩层现象时, 则视具体情况加强对桩身完整性的检查。 (6) 动态调整若以上措施都不能有效控制断桩、偏位、斜桩时, 根据现场实际施工情况动态调整桩基设计参数, 减小单桩承载力, 适当增加基桩数量或对桩底进行加固处理。桩底加固处理措施主要是桩底端喷浆、后注浆, 其中包括高压注浆、高压旋喷、分层劈裂注浆等方式。

1) 预压工装设计独立承台基础超载预压设计值按钢结构施工过程中胎架对承台基础反力最大值的1.2倍取值, 通过计算, 超载预压值最大为741.9k N, 最小为155.6k N, 荷载施加方式采用6m×2m×0.3m的路基箱叠加在承台上, 路基箱单个质量为3.5t, 根据需施加的预压荷载换算为个数, 换算后为4~21个, 如图5所示。

2) 沉降观测点布置及监测频率沉降观测点设置在混凝土承台上表面, 分别在4个对角线上各布置1个, 观测点距离承台边20cm。观测点需牢固可靠, 不容易变形, 可使用钢筋植筋代替, 高度超过混凝土3~5cm为宜。承台加载后, 每天对观测点测量3次, 时间分别为8:00 (AM) , 3:30 (PM) , 6:00 (PM) , 连续监测2d后改为早晚各1次, 日沉降量在2mm内可停止监测。

3) 安全注意事项 (1) 承台加载工装安装后需与承台埋件焊接固定, 保证加载过程中整体稳定; (2) 加载试验过程中, 承台外5m范围内需张拉警戒线, 无关人员不得进入; (3) 路基箱堆载过程中, 需保证平稳放置, 避免出现相对滑动; (4) 路基箱加载及卸载过程中需单块装拆, 不得串吊, 起重吊装过程中, 重物范围内禁止站人; (5) 吊绳及卸扣需检验合格后才可使用; (6) 整个加载过程中需有专职安全员旁站监督。

在复杂喀斯特地质条件下, 采用PHC管桩承台基础和经过超载预压处理过的独立承台基础, 确保钢结构吊装和卸载过程中支撑胎架的稳定和结构自身的安全, 施工措施安全可靠、经济合理, 通过钢结构施工过程中的监测数据, 进一步验证了施工方案的合理性。