Отправить сообщение, заявку, вопрос

Зарегистрироваться для участия в конференции

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению

Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 74 , авторов - 234 ,
всего информационных продуктов - 2157 , из них
статей журнала - 475 , статей базы знаний - 58 , новостей - 1563 , конференций - 3 ,
блогов - 8 , постов и видео - 40 , технических решений - 9

Copyright © 2016-2018 ГеоИнфо
Все права защищены

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
25 июня 2018 года

Удачи и неудачи изыскателей и проектировщиков в Малайзии. Часть 2. Строительство башен «Петронас»

В предыдущей части статьи мы рассказали об экономике Малайзии, в том числе ее строительной сфере, и рассмотрели последствия неадекватных инженерных изысканий из-за неразвитости их нормативно-правовой базы и плохого финансирования рядовых строительных проектов. Теперь подробнее остановимся на грандиозной удаче – изысканиях и геотехнических решениях для возведения знаменитых башен-близнецов «Петронас» в Куала-Лумпуре.

Когда-то такие символы богатства и власти, как небоскребы, были чисто западным (в первую очередь американским) явлением. Потом они выросли и по всей Азии. Например, всемирно известные башни-близнецы «Петронас» (рис. 1) являются предметом национальной гордости Малайзии и визитной карточкой ее столицы – Куала-Лумпура. Решение об их строительстве было принято, чтобы продемонстрировать экономическое процветание страны и ее стремление стать лидером региона.

 

Рис. 1 а. Башни-близнецы «Петронас» [1, 2] Рис. 1 а. Башни-близнецы «Петронас» [1, 2] Рис. 1 б. Башни-близнецы «Петронас» [1, 2] Рис. 1 б. Башни-близнецы «Петронас» [1, 2]

 

Премьер-министр Малайзии Махатхир Мохамад предложил построить башни «Петронас» в исламском стиле. Их главным архитектором был американец аргентинского происхождения Сезар Пелли – один из самых авторитетных архитекторов мира [3, 4].

Каждый из этих небоскребов имеет 88 этажей, высокую корону, 5 подземных этажей для парковки автомобилей, 29 двухэтажных пассажирских и 6 одноэтажных грузовых лифтов [4, 5].

В башнях «Петронас» работает около 10 тысяч человек. Общая площадь всех их помещений составляет 213 750 кв. м, что соответствует 48 футбольным полям. На уровне 41-го и 42-го этажей небоскребы подвижно соединены крытым двухэтажным мостом длиной 58 м, который необходим для частичного гашения колебаний башен при ветровых или сейсмических нагрузках, а также служит в качестве запасного пути эвакуации в случае пожара.

Эти здания имеют в плане форму восьмиконечных звезд, символизирующих такие важные принципы ислама, как единство, гармония, стабильность и рациональность (рис. 2). Для устойчивости у них имеются малые овальные выступы между лучами звезд и по одному большому полукруглому выступу. Башни опираются на кольцо из 16 цилиндрических несущих колонн из высокопрочного железобетона, но могут оставаться устойчивыми даже при потере трех из них.

 

Рис. 2. Сечения одной из башен «Петронас» [6] Рис. 2. Сечения одной из башен «Петронас» [6]

 

Проект комплекса «Петронас» был принят на основе конкурса в 1992 году, строительство велось в 1993–1996 годах, отделка была завершена в 1998 году, а официальное открытие состоялось в 1999 году. Башни возводились в основном для нужд основного заказчика – малазийской государственной нефтегазовой корпорации Petroleum Nasional (Petronas). Штаб-квартиры этой корпорации и ее дочерних и ассоциированных компаний занимают башню 1, а офисные помещения в башне 2 арендуются другими фирмами.

Комплекс также вмещает в себя торговые центры (рис. 3), кафе, рестораны, выставки, музеи, концертный зал, научный центр, аттракционы, аквариум, мечеть, смотровые площадки и пр. Рядом с башнями располагается великолепная парковая зона и другие здания района «Городской центр Куала-Лумпура» (KLCC) [4, 7].

 

Рис. 3. Внутри торгового центра «Сурия КЛСС» в нижней части комплекса «Петронас» [5] Рис. 3. Внутри торгового центра «Сурия КЛСС» в нижней части комплекса «Петронас» [5]

 

По первоначальным планам предполагалось построить башни высотой 427 м, которые всего 15 м уступали бы по высоте самому высокому на тот момент зданию – башне Сирс (Уиллис) в американском Чикаго. Но премьер-министр попросил архитекторов и инженеров найти способ увеличить высоту зданий «Петронас», в результате чего они стали самыми высокими в мире (451,9 м вместе со шпилем) и оставались ими с 1996 по 2004 год. А их фундаменты до сих пор считаются самыми глубокими [8–10].

 

Инженерные изыскания и проектирование фундамента

Опубликованные геологические карты показывают, что в большинстве районов столицы Малайзии в разрезе доминируют известняки куала-лумпурской формации мощностью около 1 850 м, перекрывающие графитовые сланцы. Эти известняки известны своими чрезвычайно изменчивыми карстовыми особенностями, которые требуют тщательного исследования и учета при проектировании фундаментов. В центральной части Куала-Лумпура над известняками залегают более слабые грунты так называемой кенни-хилльской формации [11, 12].

В ходе предварительных инженерных изысканий для строительства башен «Петронас» выяснилось, что кровля скальных известняковых пород с одной стороны площадки выпячивается в зону будущей подвальной части башен, что вызвало бы проблемы при создании котлована. При этом более слабые грунты с другой стороны участка дали бы гораздо более высокую осадку после возведения тяжелых небоскребов и было бы невозможно предотвратить неравномерные осадки под всем комплексом в целом. Поэтому место строительства зданий пришлось перенести примерно на 61 м, чтобы их фундаменты располагались значительно выше кровли скального грунта – полностью в элювиальных и метаосадочных грунтах кенни-хилльской формации.

Программа инженерных изысканий для строительства башен состояла из проходки более чем 200 буровых скважин с отбором и исследованием образцов керна, выполнения 200 зондирований, 260 полевых прессиометрических испытаний и двух испытаний свай на статическую нагрузку (рис. 4) [14, 15].

 

Рис. 4. Испытание сваи на статическую нагрузку 3 500 тонн (31 000 кН) от  бетонных блоков, проведенное компанией Geokon [13] Рис. 4. Испытание сваи на статическую нагрузку 3 500 тонн (31 000 кН) от  бетонных блоков, проведенное компанией Geokon [13]

 

Было выявлено, что верхняя часть разреза грунтового основания в районе башен состоит из 12–20-метрового слоя аллювиального пылеватого и глинистого песка средней плотности, подстилаемого пермско-каменноугольными элювиальными и выветрелыми метаосадочными грунтами кенни-хилльской формации от средней до чрезвычайно высокой плотности (песчаным, гравийно-пылеватым, глинистым материалом, выветрелыми алевролитами, песчаниками, аргиллитовыми сланцами и иногда филлитами). Ниже залегали силурийские коренные породы куала-лумпурской формации, состоявшие в основном из кальцитового и доломитового известняка и мрамора. Их кровля под башнями располагалась на разной глубине – примерно от 80 до 200 м. В основании между зданиями имелось что-то вроде погребенной долины в скальных породах, дно которой располагалось на глубине более 200 м (рис. 5).

 

Рис. 5. Разрез фундамента и грунтового основания башен «Петронас» (N – число ударов на 30,5 см при испытаниях SPT; RQD – показатель нарушенности породы) [15] Рис. 5. Разрез фундамента и грунтового основания башен «Петронас» (N – число ударов на 30,5 см при испытаниях SPT; RQD – показатель нарушенности породы) [15]

 

Поверхность известняков была очень изменчивой в отношении не только высотных отметок, но и форм развития карста. В местах карстовых провалов, воронок и оседаний отдельные зоны кенни-хилльской формации разрушались и заполняли полости c образованием зон неустойчивых грунтов в области контакта с известняком. По данным динамического зондирования (SPT) было идентифицировано шесть таких зон под будущей башней 2 и ни одной – под башней 1.

Для достижения оптимального распределения веса башен и минимизации неравномерности осадок был выбран фундамент в виде мощной бетонной плиты-ростверка диаметром 53,7 м на набивных фрикционных (висячих) сваях-бареттах, целиком расположенных в пределах грунтов кенни-хилльской формации. Длину баретт над разными участками крутого склона кровли коренного известняка меняли в соответствии с результатами моделирования и конечноэлементного анализа с использованием программ SAP 90 и Plaxis на основе модулей деформации грунта, полученных по данным прессиометрических тестов и испытаний свай [11, 14 –19]. 

 

Создание фундаментной системы

Поскольку при изысканиях под башнями был выявлен ряд довольно крупных полостей диаметром 0,4–14,7 м в известняке, а также зоны неустойчивых грунтов над его кровлей, предполагалась возможность возникновения осадок в этих местах под нагрузкой от башен. Поэтому до начала строительства фундамента была выполнена инъекционная цементация слабых грунтов и пустот (рис. 6) до глубины 160–162 м, ограничивающей зону влияния башен. Целью было увеличение модуля деформации неустойчивых зон до величины, типичной для кенни-хилльской формации.

 

Рис. 6. Изолинии глубины залегания кровли коренной породы (м) и места инъекционной цементации [15] Рис. 6. Изолинии глубины залегания кровли коренной породы (м) и места инъекционной цементации [15]

 

Вокруг каждой инженерно-геологической скважины, при бурении которой были обнаружены пустоты или слабые зоны, выполнялось по 8 инъекционных скважин. Сама тампонированная разведочная скважина пробуривалась еще раз и также использовалась в качестве инъекционной.

Учитывая большую глубину цементации, использовали цементный раствор со специальными добавками для замедления его затвердевания. При этом выполнялся лабораторный контроль его образцов. Кроме того, после цементации и затвердевания цемента вокруг каждой инъекционной скважины выполнялась проходка 1–3 контрольных скважин с проведением испытаний SPT. При обнаружении полостей или слабых зон они цементировались через контрольные скважины.

Всего было инъецировано 900 куб. м цементного раствора в зоны слабых грунтов над кровлей коренного известняка и 3 400 куб. м – в полости в известняке.

Предварительная выемка грунта для строительства котлована была выполнена на глубину 4 м от дневной поверхности. С этого уровня были изготовлены набивные железобетонные сваи-баретты с поперечным прямоугольным сечением 1,2 м х 2,8 м для башен и 0,8 м x 2,8 м для овальных выступов до глубины от 60 до 130 м от дневной поверхности (рис. 7). Для них была принята проектная величина трения по поверхности, равная 110 кН/кв. м.

 

Рис. 7. План размещения свай-баретт и датчиков давления под башней 1 [15] Рис. 7. План размещения свай-баретт и датчиков давления под башней 1 [15]

 

Всего было выполнено по 104 баретты для каждой башни. Их создавали до основной выемки грунта, поскольку они противостояли разрушению и разрыхлению грунтов кенни-хилльской формации при проведении дальнейших земляных работ.

Затем был выкопан котлован до глубины около 25 м от поверхности.

Верхние части свай-баретт были объединены монолитной плитой-ростверком толщиной 4,5 м (рис. 8). Для создания этой плиты потребовалась заливка 13 309 куб. м бетона в течение 54 часов, что вплоть до 2007 года было самым большим объемом непрерывно заливаемого бетона в мире.

 

Рис. 8. Строительство фундамента одной из башен «Петронас» [20] Рис. 8. Строительство фундамента одной из башен «Петронас» [20]

 

Над фундаментной плитой каждой башни по всему ее периметру была создана сплошная водонепроницаемая подпорная стена (по технологии «стена в грунте») толщиной 0,6–1,8 м, высотой 21 м и периметром около 1 км [7, 13, 15, 16, 21, 22].

 

Контроль напряжений и осадок

Для контроля напряжений и осадок от веса строящихся башен 21 репрезентативная баретта была оснащена датчиками на разных уровнях. Еще 30 датчиков было установлено под фундаментной плитой (см. рис. 5).

Максимальная осадка, смоделированная для завершенных башен с помощью трехмерного конечноэлементного анализа с использованием усредненного модуля деформации грунтов кенни-хилльской формации 250 МПа, составила 73 мм с максимальными изменениями под всей площадью плиты 11–12 мм.

Измерения, проведенные во время строительства, показали, что осадки и их неравномерность были даже меньше, чем прогнозировалось, так что цели улучшения несущих свойств грунтов основания были достигнуты. Например, максимальная осадка башни 1 составила 35 мм при максимальном разбросе 7 мм – почти в два раза меньше предсказанных величин. Возможно, это произошло из-за того, что грунты кенни-хилльской формации в местах испытаний свай были немного слабее, чем непосредственно под башнями. Кроме того, мелкомасштабные полевые прессиометрические испытания не могут точно моделировать крупномасштабное поведение кенни-хилльских грунтов, свойства которых все же варьируют. И действительно, тензодатчики, установленные в бареттах, показали вариации в передаче на них нагрузок, что указало на изменчивые свойства кенни-хилльской формации. Однако в целом эти изменения были в пределах допустимых и согласовывались с результатами тестирования свай.

Датчики под фундаментной плитой показали, что в начале строительства малые нагрузки распределялись между ней и сваями достаточно пропорционально. Но затем при увеличении нагрузок их основная часть передалась на сваи. Это может быть связано с тем, что верхняя часть грунтов кенни-хилльской формации под плитой была более слабой, чем более глубокие части, а в расчетах условно принимался один и тот же модуль деформации [15].

 

Строительство надземных частей башен

После окончания строительства фундамента в 1994 году началось возведение надземных частей небоскребов. Было принято решение использовать для этого в основном местные строительные материалы. Поскольку малазийская промышленность не могла в нужные сроки произвести высококачественную сталь, для создания каркаса башен «Петронас» был разработан высокопрочный (с добавлением кварца) и одновременно достаточно эластичный бетон, качество которого постоянно контролировалось в процессе строительства. В итоге здания получились вдвое тяжелее аналогичных небоскребов со стальными каркасами, но выглядят они не менее «воздушными».

По мере того как башни поднимались вверх сужающимися ступенями, производилась облицовка их фасадов панелями из нержавеющей стали и безосколочного многослойного стекла, которые были специально разработаны для рассеивания солнечного света и уменьшения шума.

Доставленный по частям из Южной Кореи и предварительно собранный крытый двухэтажный мост был установлен между башнями на высоте 170 м.

Самыми высокими в мире башни стали после установки их корон со шпилями [1, 9, 22].

 

Заключение

В работе над проектом по строительству башен-близнецов «Петронас» приняли участие ведущие мировые специалисты и преуспевающие компании из разных стран.

Главный архитектор Сезар Пелли работал вместе со своим архитектурным бюро Cesar Pelli & Associates (США). За разработку общего проекта отвечала американская компания Thornton Tomasetti в сотрудничестве с малазийскими фирмами Ranhill Bersekutu и Kuala Lumpur City Centre.

Проектирование и контроль цементации грунтового основания осуществляла американская компания STS Consultants. Непосредственные работы по улучшению несущих свойств основания выполняла малазийская фирма Bauer Malaysia, а консультантами и субподрядчиками при этом были сотрудники американской компании Hayward Baker. В надзоре за цементацией помогала малайзийская фирма Ranhill Bersekutu. Она же отвечала за проект фундаментов, экспертную оценку которого выполнили специалисты из STS Consultants. Строительство фундаментов вела сингапурская фирма Bachy Soletanche. Субподрядчиком по оборудованию свай-баретт и фундаментной плиты измерительными приборами была малазийская компания Spectest.

Подрядчиком по строительству башни 1 был консорциум во главе с японской корпорацией Hazama, с которой работали Mitsubishi Construction (Япония), J.A. Jones Construction (США), MMC Engineering Services (Малайзия) и Ho Hup Construction (Малайзия).

Подрядчиком по строительству башни 2 и крытого моста между башнями был консорциумом во главе с южнокорейской компанией Samsung Engineering and Construction, с которой трудились Kuk Dong Engineering & Construction (Южная Корея), Syarikat Jasatera (Малайзия), First Nationwide Engineering (Малайзия), Dragages (Сингапур) и Bachy Soletanche (Сингапур).

Большую роль в строительстве, особенно на его финишных этапах, сыграла также малазийская фирма Ekovest.

Систему лифтов разработала и установила американская компания Otis.

Многие другие малазийские предприятия приняли участие в создании внешней и внутренней отделки зданий.

Всего над проектом работало около 7 000 проектировщиков, постоянно общающихся между собой в течение 5 или 6 лет, поскольку проект постоянно эволюционировал, и 7 000 строительных рабочих. Каждая фаза процесса – от чертежей и инженерных исследований до ежедневных заказов на работу – выполнялась с использованием ультрасовременного программного обеспечения.

Возведение башен обошлось корпорации Petronas в 800 млн долларов. Однако значительную часть расходов взяли на себя и другие малайзийские компании, распределившие между собой офисные помещения небоскребов. Цифры, отражающие общую стоимость комплекса, в разных источниках не совпадают, но чаще всего в публикациях встречается цифра 1,6 млрд долларов [3, 4, 7, 8, 10, 15, 16].

Колоссальная работа по реализации проекта башен «Петронас» явилась образцом щедрого финансирования и эффективного международного сотрудничества при поддержке со стороны правительства Малайзии. Возможно, именно использование международных стандартов и опыта помогло достичь таких замечательных результатов и избежать проблем, связанных с неразвитостью малайзийской нормативно-правовой базы инженерных изысканий, о которых мы писали в первой части нашей статьи [23].

 

Список литературы и других источников
  1. http://actravel.ru/sight.php?n=32 (заставка).
  2. https://guruturizma.ru/bashni-petronas-v-kuala-lumpure/).
  3. http://delovoy-kvartal.ru/sezar-pelli-zhizn-i-tvorchestvo/.
  4. https://www.tropic.ru/Башни_Петронас.
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Petronas_Towers.
  6. https://poisk-ru.ru/s17708t4.html.
  7. https://www.ukessays.com/essays/construction/a-study-on-the-petronas-towers-construction-essay.php.
  8. Merchant Ch. The history and construction of the Petronas Twin Towers // mm2h (Malaysia My Second Home). Last access date: 20.06.2018. URL: http://www.mm2h.com/the-history-and-construction-of-the-petronas-twin-towers/.
  9. http://delovoy-kvartal.ru/bashni-petronas/.
  10. http://www.otis.com/en/us/projects/global-major-projects/profiles/petronas-twin-towers/.
  11. Tan Siow Meng S. Karstic features of Kuala Lumpur limestone // JURUTERA. 2005. June. URL: https://www.myiem.org.my/assets/download/JuneBul05.pdf.
  12. Ismail S., Mansor Sh., Rodsi A., Bujang B.K. Geotechnical modeling of fractures and cavities that are associated with geotechnical engineering problems in Kuala Lumpur limestone, Malaysia // Environmental Earth Sciences. 2011. V. 62. № 1. P. 61–68. URL: https://www.researchgate.net/publication/227041720_Geotechnical_modeling_of_fractures_and_cavities_that_are_associated
    _with_geotechnical_engineering_problems_in_Kuala_Lumpur_limestone_Malaysia.
  13. https://civil-engg-world.blogspot.com/2013/02/Foundation-system-PETRONAS-Tower.html.
  14. Baker C.N. Jr., Clyde N., Drumwright E., Joseph L., Azam T. The Taller the Deeper // Civil Engineering. ASCE, 1996. Vol. 66,  11. P. 3A6A.
  15. Baker C.N. Jr., Drumright E., Joseph L.M., Azam T. Foundation design and performance of the world's tallest building, Petronas Towers // Proceedings of the 4-th International conference on case histories in geotechnical engineering, Missouri University of Science and Technology Scholars' Mine, St. Louis, Missouri, 912 March 1998. URL: http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1831&context=icchge.
  16. http://nptel.ac.in/courses/105106144/word/topic/eBk%20-%20TPC%2048_F.pdf.
  17. Azam T., Hashim H., Ibrahim R. Foundation design for Petromas Twin Towers at Kuala Lumpur City Center // Proceedings of the 12-th SEAGC, Kuala Lumpur, 1996. P. 485492.
  18. Baker C.N. Jr., Azam T., Joseph L.M. Settlement analyses for 450 meter tall KLCC towers: ASCE Geotechnical Special Publication  40, June 1994.
  19. Жидков Р.Ю. Принципы проведения инженерно-геологических изысканий для проектирования и строительства высотных зданий на урбанизированных территориях: дисс. ... канд. геол.-мин. наук. М.: РГГРУ им. Серго Орджоникидзе, 2012. URL: http://5fan.ru/wievjob.php?id=78680:http://5fan.ru/wievjob.php?id=78680).
  20. https://zen.yandex.ru/media/id/5a537390168a917f8515a42b/bashnibliznecy-petronas-v-kuala-lumpure-5a77455b48267701ddd8f1c4.
  21. http://cce.oregonstate.edu/sites/cce.oregonstate.edu/files/ce471_fall13_evans.pdf.
  22. http://faculty.arch.tamu.edu/media/cms_page_media/4433/PetronasTowers.pdf.
  23. Удачи и неудачи изыскателей и проектировщиков в Малайзии. Часть 1. Наиболее частые причины разрушений // Geoinfo.ru. 18.06.2018. URL: http://www.geoinfo.ru/product/analiticheskaya-sluzhba-geoinfo/udachi-i-neudachi-izyskatelej-i-proektirovshchikov-v-malajzii-chast-1-naibolee-chastye-prichiny-razrushenij-37720.shtml.