Arup Singapore использует метод 3D-моделирования геологии при проектировании фундамента самой высокой башни в Сингапуре

С помощью приложений Bentley Systems проектной команде удалось сэкономить средства и избежать использования нескольких программных платформ.

Разнородный грунт — проблема для строительства фундаментов

Arup Singapore Pte. Ltd является местным филиалом Arup Group Ltd — лондонской компании, предоставляющей услуги по проектированию, архитектуре, разработке, планированию, управлению проектами и консалтингу по всему миру. Реализованные проекты компании представлены в 143 странах. Компания GuocoLand (Singapore) Pte. Ltd заключила контракт с Arup Singapore на оказание услуг по проектированию и строительству самой высокой башни в стране.

Изображение предоставлено SOM и GuocoLand

Башня Guoco Tower стоимостью 3,2 млрд сингапурских долларов, ранее известная как проект смешанной застройки Танджонг Пагар, представляет собой 64­этажное здание высотой 290 м с офисными и жилыми помещениями, гостиничным блоком средней этажности, шестиэтажным подиумом для использования в коммерческих целях и трехэтажной нежилой подземной частью глубиной 18 м, с паркингом и прямым выходом к станции Сингапурского метрополитена. Несмотря на масштаб и сложность проекта, строительство планировалось в центре оживленного делового района Сингапура.

По материалам инженерно­геологических изысканий было ясно, что грунты, залегающие в районе строительства башни, будут представлять серьезную проблему. На участке возведения фундамента присутствует доломит, известняк, аргиллит, песчаник и сланец. Для такого грунта характерна высокая проницаемость и изменчивость свойств. Значительный объем земляных работ при выемке грунта для возведения подземной части башни и фундамента создает риск деформации уже построенных зданий и сооружений на прилегающей территории.

В связи с этим регулирующие органы местной власти Сингапура установили строгие критерии к величине смещений уже существующих зданий, вызванных строительством башни Guoco Tower. Смещение конструкций пассажирской станции Сингапурского метрополитена, функционирование которого будет продолжаться на протяжении всего строительства башни, не должно превышать 15 мм в любом направлении. Кроме того, смещение ряда магазинов, находящихся всего в 20 м от объекта, не должно превышать 25 мм. «Этим магазинам по сотне лет, и они признаны культурными объектами Сингапура», — заявляет Эи Сандар Аунг Вин (Ei Sandar Aung Win), старший инженер­геотехник компании Arup Singapore.

Глубокая выемка грунта с помощью gINT

Arup Singapore определила, что проект потребует детального анализа состояния геологических слоев, выполненного с использованием надежных геотехнических решений. Именно они сыграют ключевую роль в устранении последствий выемки грунта для более старых конструкций. Более того, команда должна была выполнить все эти работы в сжатые сроки. Чтобы решить эту проблему, Arup Singapore для управления данными всего проекта использовала геотехническое и геоэкологическое программное обеспечение gINT компании Bentley. С помощью gINT были исследованы сложные осадочные отложения, что позволило получить полную информацию о состоянии и свойствах грунтов, залегающих в месте будущего фундамента башни. Это программное обеспечение позволило инженерам точно определить, какие специальные тесты необходимы для каждой секции, а руководители команд смогли с легкостью представить результаты своих исследований всем участникам. Всего за одну неделю после завершения инженерно­геологических изысканий команда смогла подготовить полный детальный геотехнический отчет, в котором была произведена оценка всех свойств грунта и рисков, связанных с ним на любом заданном участке строительства.

Изображения предоставлены SOM и GuocoLand

Исследование, проведенное с помощью gINT, показало, что геологические слои на строительной площадке находятся в достаточно хорошем состоянии для возведения фундамента. Тем не менее анализ продемонстрировал, что для 290­метровой башни потребуется фундамент глубокого заложения. Это необходимо для того, чтобы не произошло непредвиденных деформаций и разрушений близлежащей станции Сингапурского метрополитена. В идеале фундамент должен минимизировать смещения строительных конструкций станции, но при этом оставаться достаточно гибким, обеспечивая устойчивость башни при строительстве и дальнейшей эксплуатации. Arup Singapore выбрала конструкцию, сочетающую в себе плиту и многочисленные погруженные в землю сваи. «Сваи могут быть дополнительно усовершенствованы при взаимодействии с плитой. Оседание башни при этом поддерживается в приемлемом диапазоне», — отметил Сандар Аунг Вин.

На этапе строительства подрядчик предложил последовательный процесс выемки грунта, который разделил бы участок на подзоны (две для станции Сингапурского метрополитена и по одной для башни и отеля), что позволило бы надлежащим образом контролировать прогибы подпорной стены и увеличить скорость выполнения строительных работ. Однако такая ситуация могла оказать существенное влияние на первоначальный прогноз смещения грунта.

Точный прогноз поведения грунта — ключ к эффективному проектированию

Для создания геологической модели и уточнения первоначального проекта специалисты компании Arup Singapore, используя полученные из программы gINT данные и фактические результаты геодезического мониторинга, с помощью функции PLAXIS 2D SoilTest определили точную нагрузку на грунт и его смещение. PLAXIS 3D позволила проектной команде зафиксировать сложное взаимодействие между предлагаемым плитно­свайным фундаментом, поэтапной выемкой грунта и существующими конструкциями зданий и станции метрополитена. Компания Arup Singapore дополнила общую модель фундамента независимыми 3D­моделями, которые будут калиброваться с помощью данных нагрузочных (штамповых) испытаний на строительной площадке. Таким способом они будут моделировать производительность отдельных свай. Посредством итерационных возможностей, заложенных в PLAXIS 3D, Arup Singapore смогла заранее рассчитать, как именно будет происходить оседание башни с течением времени. Это удалось сделать путем вычисления точных характеристик грунта и созданной модели фундамента.

3D-модели башни Guoco Tower

Используя PLAXIS в качестве универсального решения для определения воздействия грунта на конструкции станции метрополитена и деформации зданий, находящихся вблизи строительной площадки, Arup Singapore сэкономила средства и устранила необходимость в применении многочисленных программных платформ. Применение PLAXIS позволило исключить необходимость работ по стабилизации грунта, рассчитав зоны деформации прилегающей территории, вызванные выемкой грунта. Рассчитать такие прогностические данные с помощью стандартного анализа не представлялось возможным. Эти результаты ускорили процесс предоставления документации и исключили необходимость в работах по стабилизации грунта и оценке воздействия проекта на окружающую среду.

Расчеты в PLAXIS для выемки грунта под фундамент

Работа в PLAXIS также помогла проектной команде оптимизировать процесс выемки грунта и проектирования фундамента. После начала работ подрядчик попросил, чтобы Arup Singapore не включала в работы запланированную берму и некоторые наклонные угловые распорки из­за ограничений строительной площадки. Для выполнения этого требования проектная команда проанализировала производительность на строительной площадке и сравнила ее с моделью в PLAXIS, определив, что проект может работать без этих элементов, и другие меры по стабилизации не потребуются.

Встроенные датчики для поддержания движения грунта значительно ниже установленных пределов

Во время и после строительства Arup Singapore осуществляла оценку грунта с помощью специальных инструментов, таких как плоские ячейки, пьезометры и тензометрические датчики, установленные под фундаментной плитой. Результаты измерений показали, что смещение стен станции Сингапурского метрополитена, находящихся всего в 6 м от места работ по выемке грунта, не превысило 10 мм. Кроме того, осадка грунта на прилегающем к строительной площадке участке составила всего 20 мм. Этот показатель был гораздо ниже критериев, установленных уполномоченными органами. Разработанная в PLAXIS 3D­модель плитно­свайного фундамента позволила облегчить проникновение свай и снизить нагрузку на буронабивные сваи на 30­35%. Кроме того, модель обеспечила Arup Singapore возможность оптимизировать толщину плиты для каждой зоны нагрузки, учитывая неоднородный характер конструкции — как наземной, так и подземной.

Строительство комплекса Guoco Tower было завершено в 2016 году, и башня стала одним из знаковых сооружений в Сингапуре. Работа над этим проектом продемонстрировала, как геотехнические приложения и другие передовые технологии могут стимулировать инженерные инновации. Ожидается, что аналитическая и проектная работа компании Arup Singapore послужит ориентиром для подобных проектов в будущем.