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奥运场馆及大型公用建筑中的岩土工程

张在明

(北京市勘察设计研究院)

        为迎接北京2008年奥运会,开展了大规模的场馆建设。同时,一批市政配套工程和大型公用建筑也相继进行。在解决有关场地和地基问题中,岩土工程遇到了空前的挑战,也取得了很大的进展。
        北京2008年奥运会新建、改建共31个场馆,分布在“一个主中心加三个区域”内(图1)。其中,“奥林匹克公园”是举办奥运会的“主中心区”,地处城市中轴线北端,面积1135公顷,“主中心区”北部是占地680公顷的森林公园;南部405公顷奥运中心区,包括国家体育场、国家游泳馆和国家体育馆等13个场馆,是奥运会比赛项目最集中的地区,奥运会70%的金牌将在这里产生。其他三个区域包括“西部社区”、“大学区”、“北部风景旅游区”。

        为保证场馆市政和交通组织需要,修建的交通设施包括:重点工程首都国际机场快速轨道线路、地铁4、5、10号线、奥运支线和三条直通快速路。还有59条道路和5座桥梁,并完成奥运会赛时交通组织路线及场馆和相关设施周边环境整治工程。同时,为满足航运的巨大需求,建设了首都国际机场第三航站楼。

        位于北京北中轴北端,北四环南北两侧的主中心区岩土工程条件复杂,基础影响范围内有多层地下水分布。北京市勘察设计研究院承担了场地的初勘任务,并开发了三维岩土工程系统对中心区和临近的轨道交通场地的地层和地下水的变化规律进行描述的分析(图3)。

        除了一半的岩土工程勘察,对场区进行工程地质与岩土工程条件分区外,还进行了多年月平均水面蒸发量分析、30年地下水位观测记录的分析(图4)、场区水位地质试验、抗浮水位预测等项工作。

        国家体育场(图5)是北京2008年第29届奥林匹克运动会的主会场,与国家体育馆和国家游泳中心相对于中轴线均衡布置。用地面积20.4万m2,建筑平面南北向总长度约450m,东西向总宽度300m。国家体育场整体平面呈椭圆形,外观即结构,犹如树枝织成的鸟巢。屋盖巨型钢桁架结构均由环形布置在看台外部的24根组合柱支撑,采用整体的桩筏式基础。
        国家体育场地基基础的主要问题是,(1)地层分布不均匀,地下水有5层之多。因此需要合理选择持力层和对地层数据的严格控制;(2)组合柱竖向荷载和水平荷载都非常大,其余部分柱荷载较小,需要进行桩基础的协调作用分析,进行筏板的沉降控制;(3)大直径、高承载力的桩基的设计、施工、压桩试验与质量检测;(4)地下水的施工控制与抗浮设计。对此都做了专门的研究攻关。图6是桩基础现场实验。


        国家游泳中心,可容纳1.7万人,是游泳项目的主赛场,建筑面积65000-80000m2, 奥运会后可成为公共运动场所。采用“水的立方”设计方案,如图8所示。基础桩4366根,全部采用“后植入钢筋笼灌注桩成桩法”施工,如图9所示,实现了绿色文明施工。


        国家体育馆(图10),可容纳1.8万人,是体操比赛、手球和排球决赛的场地,建筑面积8.09万m2。

        五棵松体育馆(图11),工程总占地约460m×260m,其主体部分位于一个人工开挖的凹地内,凹地四壁为向外延伸的斜坡,在凹地周边坡趾以下均设有直立的挡土支撑结构。整个上部结构均由馆外的缘的20根结构柱和设在四角的筒柱支撑,支柱轴线间距约24m,跨度120m。基础底板厚约0.65-0.8m,四周边的结构柱和角筒柱采用条形箱基础,宽度13m,高度约5m。图12为体育馆基础施工。


        奥林匹克水上公园,如图13所示。

        首都国际机场第三航站楼位于现首都国际机场航站楼东侧,拟建T3工程总长度约3km,由航站楼与地下捷运通道两部分组成,共分南、北、中三个区 (T3A、T3B和T3C)。T3主体T3A和T3B为地上2~4层,中心区域设2层地下室。停车楼位于T3的最南端,为地下2层。整个地跨三个地质单元,地下水条件复杂。主要岩土工程问题,第一是承重结构部分数以万计的基础桩的评价、施工与检测;第二是荷载较小部分大面积的抗浮水位的确定。由于资料缺乏,采用利用现有渗流状态反求水文地质参数和渗流分析边界条件的方法,采用3D分析,得到圆满结论。


        国家大剧院建筑平面由三部分组成,中心部分为由椭圆穹形结构形成的主体建筑,平面东西向的椭圆长轴长212.2m,南北向的短轴长143.6m,穹顶高度46m。穹形外围结构内的巨大空间包含了相互独立的歌剧院、戏剧院和音乐厅,区外有水池环绕。南北两侧分别由地下通道、车库及其他配套设施组成,多为地下结构。项目总占地面积超过8万m2,总建筑面积19万m2。图17是国家大剧院效果图
        工程的主要特点是:(1)工程规模宏大,又地处首都核心部位,基坑边线距人民大会堂西侧路仅15m,场地及周边地区原有地下管线设施密布;(2)占地面积2.55万m2的主体建筑,大部分基础埋深在-26m,几个剧院的台仓部位基础最深达-32.5m,对基坑支护和不均匀沉降控制形成了严峻的挑战;(3)在相对隔水层之间分布有多层地下水含水层和非饱和带,形成了复杂的水文地质条件。基础部位的承压水头高2~6m,再下面的含水层承压水头超过15m,对岩土工程设计、施工和基础抗浮都提出了很多新的课题;(4)含水层渗透系数高,影响半径大,施工降水不得对人民大会堂和分布于场地北侧的地铁线路造成不良影响,为地下水的施工控制带来很大困难。设计和施工中,进行了基坑开挖的严格检测和地下水控制措施;对抗浮问题进行了饱和-非饱和渗流分析;对不均匀沉降控制采用了地基与基础的协调作用分析,在岩土工程的分析和工程处理中有多项创新。



        中央电视台新址,建筑体型复杂,基础荷载大。双塔(图20)分别高51层和45层,高234m和205m,基底压力达900kPa左右,桩基础。施工分5个阶段。为确保沉降满足要求,特别要保证双塔悬臂准确对接,进行了不同工况下的桩基与上部结构的协同左右分析,准确地预测了各阶段的沉降和总沉降量。