Рафаэль Шарафутдинов

Стадион расположен на юго-западе Центрального округа Москвы. Большая спортивная арена, где непосредственно будут проходить игры, является ландшафтным центром всей территории «Лужников». Эта территория ограничена рекой Москвой и Третьим транспортным кольцом.

Важные вехи в строительной истории «Лужников»

В 1954 году Правительство СССР приняло решение о сооружении в Лужниках «большого московского стадиона». Проектирование стадиона началось в 1955 году, а в 1956‑м уже состоялось его торжественное открытие. Стадион был спроектирован за 90 дней и построен всего за 450 дней. Грунты в районе строительства были сильно заболочены. Поэтому проектные отметки поверхности земли по всей площади спортивного комплекса пришлось поднять на полметра. Для этого на территорию площадью 180 га было привезено с московских строек и намыто земснарядами из реки Москвы около 3 млн кубометров грунта. Кроме того, в процессе устройства фундамента было забито более 10 000 свай. В 1980 году стадион стал одним из важнейших мест проведения летних Олимпийских игр.

Стадион неоднократно реконструировался. В 1997–1998 годах прошла одна из наиболее важных реконструкций: БСА была оборудована крышей. Идея построить покрытие над БСА в «Лужниках» возникла еще перед московской Олимпиадой 1980 года. Но тогда реализовать это не удалось. В 1997 году Европейская федерация футбола (УЕФА) ввела обязательное требование: международные футбольные матчи должны проводиться только на тех стадионах, где зрители имеют отдельные сиденья и защищены от атмосферных осадков. Поэтому пришлось возвести покрытие стадиона. Оно было возведено в 1997–1998 годах менее чем за 18 месяцев.

Покрытие представляет собой пространственную систему из стальной стержневой конструкции. Оно состоит из внутреннего и наружного контуров и системы радиально-кольцевых ребер. В плане покрытие имеет форму овала с наружными размерами по главным осям 247 х 308 м и внутренними размерами по главным осям 180 х 120 м.

Наружный опорный контур по периметру опирается на колонны. Основный шаг колонн составляет 12,5 м, кроме одной зоны, где он достигает величины 18,6 м. Общий периметр контура – 895 м, стрелка подъема – 23,4 м. Покрытие опирается на колонны, расположенные на расстоянии 5 м от наружной стены стадиона. Колонны – из стального профиля, сварные, коробчатого сечения. В радиальном направлении они запроектированы в виде качающихся стоек. Для этого их соединения с фундаментом и с наружным контуром покрытия выполнены в виде цилиндрических шарниров. Это позволило избежать появления изгибающих моментов от температурных воздействий в радиальном направлении плана покрытия. Фундаменты под колонны выполнены в виде буронабивных свай диаметром 1 м и длиной 24–28 м. По верху колон устроены ростверки из монолитного железобетона, на которых размещены детали для крепления колонн.

Современная реконструкция стадиона «Лужники» 2014–2017 годов

Современная реконструкция БСА и благоустройство всей территории спорткомплекса «Лужники» начались в 2014 году и должны завершиться в 2017‑м. Проект благоустройства затрагивает 70% территории олимпийского комплекса.

Общая характеристика будущего объекта

После реконструкции Большая спортивная арена «Лужников» будет представлять собой многофункциональный футбольный стадион высшей категории (по международной классификации «Элит») круглогодичного использования.

Стадион будет включать: игровое поле размером 68 х 105 м, трибуны на 81 тыс. зрителей (в режиме FIFA), большепролетное покрытие над трибунами и многочисленные кольцевые и радиальные подтрибунные коммуникационные каналы. Реконструируемое сооружение – 6‑этажное. Его конструктивная схема представляет собой рамно-связевой железобетонный каркас. Сетка колонн каркаса в основном нерегулярная. Шаг колонн изменяется от 8,5 м до 13 м. В плане сооружение имеет форму овала с максимальными размерами 247 х 308 м, высотой 57 м. Все трибуны накрываются стационарной оболочкой в виде стальной стержневой системы. В плане она имеет форму овального кольца, накрывающего трибунное пространство. Реконструкция БСА проводится двумя этапами. На первом этапе выполняется демонтаж трибун (закончен в мае 2014 года). При этом сохраняются фасадная стена и покрытие. А также временно сохраняются конструкции, примыкающие к наружной стене. На втором этапе выполняется возведение новых трибун и увеличение площади существующего покрытия.

Основная сложность реконструкции заключается в том, что строительные работы (демонтаж старых и возведение новых трибун) выполняются в условиях сохранения наружных стен и наращивания площади покрытия. Внутреннее пространство БСА, заключенное внутри оставляемых наружных конструкций сооружения, фактически возводится заново: старые конструкции сносятся и возводятся новые.

Краткая характеристика инженерно-геологических условий площадки строительства

Участок реконструкции расположен в пределах поймы реки Москвы.

Площадка сложена следующими грунтами (сверху вниз):

• с поверхности до глубины 1...6 м залегают техногенные грунты;

• ниже, до глубины 10…13 м, расположены преимущественно разнозернистые пески разной плотности и влажности;

• под песками залегают юрские глины тугопластичной и полутвердой консистенции;

Водоносный горизонт – один, безнапорный. Подземные воды вскрыты на глубинах 1,5...6 м.

Проектные решения по фундаментам

Старое здание БСА было построено частично на свайных, частично на столбчатых фундаментах мелкого заложения. Первоначально планировалось все существующие столбчатые фундаменты трибун оставить и поверх них устроить новую фундаментную плиту. Она должна была опираться частично на старые фундаменты, частично на слежавшиеся уплотненные насыпные грунты, что в целом должно было повысить экономичность фундаментов, снизить сроки их возведения и трудоемкость работ.

Однако в дальнейшем было принято решение основную часть старых фундаментов демонтировать. Это решение было вызвано двумя основными причинами. Во‑первых, в результате устройства многочисленных радиальных и кольцевых подфундаментных каналов значительную часть старых фундаментов, которые первоначально планировалось оставить, пришлось все-таки демонтировать. Предусмотреть это заранее было сложно, так как исполнительной документации по фундаментам практически не осталось. Имелась лишь часть проектных чертежей. Во‑вторых, выполнение моделирования и прогнозных расчетов такого комбинированного фундамента требовало точного знания размеров и глубин заложения старых фундаментов. Это было нереально, так как пришлось бы делать шурфы и обследовать практически каждый фундамент, а они, как выяснилось, отличались очень широким разбросом своих параметров.

В итоге было принято следующее решение: конструкции и фундаменты фасадных стен (столбчатые фундаменты с глубиной заложения 3…4 м) и покрытия (кусты свай диаметром 1 м, длиной 24…28 м) сохраняются, на остальной части выполняется поэтапный демонтаж старых фундаментов. После этого осуществляется засыпка образовавшихся выемок и замещение разуплотненного грунта насыпным. При этом отсыпаемый грунт послойно уплотняется. После чего устраивается фундаментная плита из монолитного железобетона толщиной 900 и 500 мм.

Чтобы исключить давление на обрезы фундаментов сохраняемой фасадной стены, до уровня их подошвы планировалось устройство бетонного основания (рис. 3). Проектом было предусмотрено заполнение зазора между сохраняемым фундаментом и бетонным основанием легким бетоном. В верхней части зазора для исключения давления нового фундамента на обрез старого укладывался пенополистирол. С учетом выполненных геотехнических расчетов (примеры приведены ниже) для компенсации возможныхнеравномерных деформаций основания фундаментов сохраняемой стены (по оси 10) методом компенсационного нагнетания [1] в фундаментную плиту предусмотрена установка гильз из труб d = 108 x 4 мм с шагом 700 мм.

В рамках реконструкции предусматривалась строгая очередность работ по возведению фундаментов и надфундаментных конструкций:

1. Разработка котлована под фундаментную плиту трибун и подтрибунных каналов в осях А…Z;

2. Бетонирование фундаментной плиты трибун и подтрибунных каналов в осях A…Z;

3. Цементация контакта «фундамент-грунт» под существующими фундаментами сохраняемой внешней стены по оси 10 (при необходимости);

4. Разработка котлована под фундаментную плиту в осях 10…Z;

5. Устройство фундаментной плиты в осях 10…Z;

6. Возведение конструкций в осях 10…Z до отм. +5,150;

7. Возведение средней части конструкций трибун в осях Z…H до отм. +25,100;

8. Возведение конструкций в осях 10…Z с отм. +5,150 до отм. +25,100;

9. Возведение конструкций в осях Z…H выше отм. +25,100 и в осях H…A.

Научно-техническое сопровождение реконструкции стадиона

Специалистами НИИОСП им. Н. М. Герсеванова – АО «НИЦ "Строительство"» осуществляется научно-техническое сопровождение (НТС) реконструкции стадиона. В рамках НТС перед началом проектирования были разработаны Специальные технические условия (СТУ), включающие особые требования к проектированию данного объекта, которые не входят в действующие строительные нормы.

Геотехническая особенность реконструкции объекта заключалась в следующем. Во‑первых, в основании стадиона залегали переуплотненные юрские глинистые отложения, характеризуемые высоким давлением исторического уплотнения. Также этим грунтам свойственна очень низкая фильтрация и ползучесть, а значит, деформации в них могут быть растянуты во времени на весь срок эксплуатации объекта [2].

Во‑вторых, новые трибуны стадиона возводятся на месте старых.

На отдельных участках (в зоне подошвы фундаментов старых трибун) грунты находятся в уплотненном состоянии (техногенное уплотнение).

В‑третьих, как уже отмечалось выше, в качестве основания непосредственно под подошвой фундаментов новых трибун с целью снижения стоимости строительно-монтажных работ планировалось использовать техногенные (насыпные) грунты. Реконструируемый стадион имеет разветвленную сеть каналов для коммуникаций под фундаментной плитой, которые частично находятся ниже уровня грунтовых вод. Так как сооружение имеет значительные размеры в плане, имелась опасность барражного эффекта (подъема уровня грунтовых вод), замачивания техногенных грунтов и их дополнительной осадки. Как показал выполненный в дальнейшем прогноз изменений гидрогеологических условий, изменение уровня грунтовых вод в результате реконструкции незначительно и не повлияет на реконструируемый стадион.

Перечисленные выше факторы оказывают влияние на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты. Для учета этих факторов в расчетах СТУ содержали

дополнительные требования к Своду правил 47.13330.2011 «Инженерные изыскания для строительства» в части результатов изысканий, которые должны были включать:

• данные, необходимые для расчета и проектирования фундаментов, в том числе с применением численных методов расчета, учитывающих зависимость деформационных свойств грунта от напряженно-деформированного состояния;

• данные, характеризующие начальное напряженно-деформированное состояние, а также историю природного (коэффициент переуплотнения грунтов) и техногенного (зоны, механические свойства и степень уплотнения грунтов под существующими фундаментами) формирования грунтов основания.

На сегодняшний день в России еще не на все требуемые для расчетов параметры и характеристики свойств грунтов разработаны государственные стандарты. Поэтому специалистами НИИОСП для проведения инженерно-геологических изысканий в необходимом объеме были разработаны четыре дополнительные нестандартные методики для испытаний грунтов:

• методика испытания грунтов методом трехосного сжатия по консолидированно-дренированной схеме с разгрузкой и повторным нагружением;

• методика компрессионных испытаний техногенных грунтов с замачиванием по консолидированно-дренированной одной кривой для определения относительной просадочности;

• методика определения давления предуплотнения и коэффициента переуплотнения грунта в компрессионных приборах по методам Казагранде и Беккера;

• методика статического зондирования со стабилизацией зонда.

Инженерно-геологические изыскания проводились специалистами ГУП «Мосгоргеотрест» под методическим контролем АО «НИЦ "Строительство"» – НИИОСП им. Н. М. Герсеванова, выполнявшего экспертизу программы и результатов этих изысканий, а также в необходимых случаях оказывавшего консультативную помощь. Выполненные

изыскания показали эффективность разработанных методик.

Результаты изысканий были применены в ряде расчетов, включавших:

• геотехнический прогноз влияния реконструкции на деформации основания сохраняемых фундаментов;

• поверочные расчеты основания и фундаментов реконструируемого стадиона.

Расчеты выполнялись в несколько этапов в трехмерной постановке с учетом механических свойств грунта, геометрических и жесткостных параметров стадиона, нелинейного

взаимодействия грунта основания с фундаментом (рис. 5, 6). При моделировании учитывалась история формирования напряженно-деформированного состояния основания, работы по устройству и демонтажу старых фундаментов.

На первом этапе расчетов осуществлялся выбор параметров математического моделирования изменения НДС грунтового массива в результате строительных работ –выбирались характеристики модели грунта, расчетного поля и другие параметры. Одним из основных расчетных факторов, в значительной степени определяющих поведение грунта основания под подошвой фундамента, является геомеханическая модель грунта. Ввиду того, что на данном объекте выполняется реконструкция, которая включает демонтаж старых конструкций трибун (снятие нагрузки с основания) и устройство новых конструкций трибун (приложение нагрузки на основание), геомеханическая модель грунта должна была учитывать зависимость деформационных свойств грунта от напряженно-деформированного состояния основания. От модели грунта требовалась возможность учета истории формирования НДС природных и техногенных грунтов основания сооружения. Указанным требованиям удовлетворяет модель грунта с изотропным упрочнением Hardening soil (далее по тексту HS), реализованная в ПК PLAXIS.

Модель HS является усовершенствованной моделью Кулона – Мора, предназначенной для моделирования поведения различных типов грунтов с учетом изменения их деформационных параметров в зависимости от изменения напряженно-деформированного состояния грунта. Основная идея, положенная в основу этой модели, состоит в использовании гиперболической зависимости между вертикальными деформациями ε1 и девиаторными напряжениями q=|σ1-σ3| при первичном трехосном нагружении. Модель позволяет описывать поведение грунта при стандартных испытаниях на трехосное сжатие при возможности дренирования, а также при проведении компрессионных испытаний.

Как показывает практика, применение сложных геомеханических моделей, как правило, требует верификации и оптимизации их параметров.

Поэтому на втором этапе расчетов выполнялась многоступенчатая верификация на основе численного моделирования лабораторных и полевых испытаний грунтов и их сопоставления с результатами испытаний. При необходимости выполнялась корректировка прочностных и деформационных параметров грунтов. На рисунках с диаграммами 9, 10,11 приведены результаты оптимизации параметров.

На третьем этапе в объемной постановке выполнялись контрольные поверочные расчеты основания и фундаментов, а также геотехнический прогноз влияния реконструкции на деформации основания сохраняемых фундаментов.

Согласно расчетам, максимальная осадка фундаментов секций не превысила 5 см. Средняя расчетная осадка составила 2...3 см. При этом допустимая предельная осадка – 15 см. Специалистами ЦНИИСК были определены предельные дополнительные деформации основания сохраняемой фасадной стены и опор покрытиякоторые составили 7 и 8 см соответственно.

Прогнозные осадки составили:

• для фасадной стены – 2,7…4,7 см;

• для большепролетного покрытия стадиона – 2,3…3,5 см.

Полученные величины осадок не превысили предельных значений, определенных специалистами ЦНИИСК. На объекте по настоящий момент выполняется геотехнический мониторинг основания сохраняемых и устраиваемых фундаментов в соответствии со специально разработанной НИИОСП программой мониторинга.

Для наблюдения за осадками фундаментов сохраняемых конструкций были установлены геодезические марки: 98 марок установлено на цоколе наружной фасадной стены и 75 на колоннах опор покрытия.

Периодичность наблюдений:

• в период демонтажа – 2 раза в месяц;

• в период монтажа железобетонных конструкций – 1 раз в месяц;

• далее – 1 раз в 3 месяца.

Наблюдения были начаты в июле 2014 года. За период наблюдений осадки фундаментов сохраняемых конструкций составили от 0,3 до 2,7 см. Для наблюдения за осадками фундаментов устраиваемых конструкций трибун было установлено 327 марок на возводимых колоннах и фундаментной плите.

Периодичность наблюдений:

• в период монтажа железобетонных конструкций – 1 раз в месяц;

• далее – 1 раз в 3 месяца.

Наблюдения были начаты в феврале 2015 года. За период наблюдений осадки устраиваемых фундаментов составили менее 2 см.

Из анализа изополей осадок видно, что характер осадок схож, зоны наибольших осадок хорошо совпадают с данными расчетов НИИОСП. В то же время есть различия по абсолютным значениям осадок, связанные с тем, что на момент наблюдений секции стадиона не нагружены полностью, а также с длительным процессом консолидации и ползучести юрских глин основания. Это хорошо видно из диаграммы на рис. 13.

Выводы и рекомендации

1. Научно-техническое сопровождение на всех стадиях инвестиционного цикла изысканий, проектирования и строительства при реконструкции уникальных объектов позволяет получить экономичное и в то же время надежное техническое решение.

2. Учет начального напряженного состояния грунта основания при реконструкции зданий и сооружений, в том числе стадионов, позволяет существенно повысить экономичность проектных решений. В процессе реконструкции спортивного сооружения этапность строительства учитывается зависимостью модуля деформации грунта от напряженного состояния.

3. Верификация расчетной модели с результатами лабораторных и полевых испытаний грунтов существенно повышает достоверность геотехнического прогноза осадок основания при новом строительстве и реконструкции зданий и сооружений.