В Независимом Электронном Журнале "ГеоИнфо" опубликована редакционная статья «Эмираты достучались до небес. Часть 1. На чем стоит самое высокое здание в мире». Статья подготовлена Аналитической службой ГЕОИНФО.

Наиболее известная на сегодня рукотворная достопримечательность мира находится в Объединенных Арабских Эмиратах. Это самое высокое сооружение и самое многоэтажное здание на планете – небоскреб "Бурдж-Халифа", представляющий собой чудо инженерной мысли и привлекающий туристов со всей планеты. Он был построен для того, чтобы удивить мир и повысить доверие к Эмиратам со стороны международного сообщества, а также ускорить переориентацию экономики страны с нефтегазового бизнеса на финансирование, торговлю, обслуживание, туризм и высокие технологии. В первой части статьи мы сообщим общую информацию о стране, ее строительной отрасли и проекте "Бурдж-Халифа", расскажем об инженерных изысканиях и строительстве фундамента для этого здания.

Объединенные Арабские Эмираты (ОАЭ) – федеративное государство в восточной части Аравийского полуострова (рис. 2, 3) с уникальным сочетанием республиканского и монархического строя. Оно состоит из семи эмиратов, каждый из которых возглавляется наследственным монархом (эмиром). Страной руководит президент, которым является эмир самого большого эмирата страны – Абу-Даби. Общую политику определяет Высший совет, состоящий из глав всех семи эмиратов. Законодательную власть осуществляет Федеральный национальный совет, в который входят представители от каждого эмирата. Главой Совета министров является эмир Дубая. Население страны составляет около 9,3 млн человек, около 85% из которых – рабочие из других стран Аравийского полуострова, Южной и Юго-Восточной Азии, а также Восточной и Центральной Африки. Основная часть (88%) населения приходится на города. Самый большой и динамично развивающийся город и коммерческий центр страны – Дубай, хотя столицей является Абу-Даби. Другие крупные города – Шарджа, Эль-Айн и Фуджейра.

Рис. 18. Рис. 2, 3. Объединенные Арабские Эмираты на картах [2, 3]

С конца XV века данный регион (особенно морские транспортные пути вокруг него) находились под влиянием сначала Португалии, а затем Великобритании. С 1853 по 1973 год он был под британским протекторатом. Объединенные Арабские Эмираты как отдельное независимое государство были созданы в 1971 году.
Климат на территории ОАЭ – тропический пустынный. Часто бывают сильные ветры и песчаные бури. Осадков выпадает очень мало – примерно 100 мм в год. Большую часть территории занимает пустыня Руб-эль-Хали. На севере и востоке присутствует горный рельеф. Значительная часть растительности за пределами гористых областей – результат осуществления программы правительства по озеленению страны.

Геология района

На геологию района Персидского залива существенно повлияло осаждение морских отложений в результате ряда изменений в уровне моря в течение относительно недавнего геологического времени. В приповерхностной геологии доминируют четвертичные отложения, в том числе подвижные дюнные пески эолового происхождения, эвапоритные отложения и морские пески.

Эмираты расположены на древней Аравийской платформе, да и песчаные грунты там часто залегают до глубины более чем 15 м и могут нейтрализовать подземные толчки, поэтому эту территорию относят к сейсмически неактивным регионам. Тем не менее, все здания там строятся в соответствии с международными стандартами сейсмоустойчивости с начала 80-х годов прошлого века – ведь густонаселенные города расположены на самом краю аравийской платформы, а на другой стороне Персидского залива находится сейсмоактивная территория Ирана. Мало ли что? Поэтому все новые строения в ОАЭ вне зависимости от их этажности могут выдержать землетрясения интенсивностью до 5,5 баллов [4, 5].

На территории страны имеются большие запасы нефти и газа (в основном на шельфе Персидского залива), экспорт которых составляет значительную часть ВВП. Однако руководство страны давно поняло, что эта прибыльная на сегодня отрасль не может быть вечным источником развития, и сделало ставку на современные высокотехнологичные отрасли. Поэтому не только благодаря доходам от нефти, но и умелому вложению средств в развитие промышленности, сельского хозяйства, строительства, морских перевозок, внешней торговли, образования, туризма, финансовой сферы, развитию свободных экономических зон и активному привлечению иностранных инвестиций Эмираты в самые короткие сроки после обретения независимости смогли достигнуть относительного экономического благополучия и начали превращаться в международный коммерческий и деловой центр [2].

Строительная отрасль ОАЭ

Одной из самых приоритетных сфер бизнеса в ОАЭ в настоящее время является строительная отрасль. Она работает с упором на ряд очень крупных проектов и на дальнейшее развитие социальной инфраструктуры. После принятия законов, разрешающих иностранным гражданам и компаниям покупать землю в специально выделенных районах ОАЭ или оформлять долгосрочную аренду сроком до 99 лет, в стране начался и продолжается настоящий строительный бум. Большие средства вкладываются в возведение современных зданий и заводов по опреснению морской воды, необходимой не только для непосредственного использования людьми, но и для полива сельскохозяйственных культур и растений в зеленых зонах городов.

В течение 1970-2016 годов среднегодовой оборот в строительной отрасли увеличился в текущих ценах с 0,17 до 35,7 млрд. долларов (почти в 211 раз) при среднегодовом приросте 12,3% [6].

Рентабельность проектов и востребованность недвижимости в Эмиратах привлекает застройщиков со всего мира. Но для ведения там строительства зарубежные компании по закону должны объединяться с местными во временные корпоративные структуры, зарегистрированные именно в ОАЭ. Такой способ сотрудничества обеспечивает эффективное управление рисками, прежде всего потому, что каждая договаривающаяся сторона (включая подрядчиков, субподрядчиков, архитекторов, инженеров-строителей, руководителей проектов и инженеров-консультантов) должна иметь лицензию на осуществление своей деятельности в соответствующем эмирате и городе ОАЭ. Причем для получения лицензии необходимо соответствовать ряду требований в отношении образования, квалификации, опыта работы, количества сотрудников, уставного капитала, банковских и страховых гарантий, наличия офиса, техники и пр. Может быть, именно благодаря таким высоким требованиям к участникам строительства и жесткому контролю их выполнения большинство проектов в стране являются весьма успешными, а для недобросовестных компаний выход на строительный рынок Эмиратов практически недоступен.

Городская инфраструктура наиболее активно расширяется в Дубае и Абу-Даби, на что особенно большое влияние оказывает приближение времени проведения в Дубае Всемирной выставки "Экспо-2020". Небоскребы вырастают там как грибы, при этом почти каждый из них является уникальным, а не типовым (рис. 4). К ним прилагаются искусственные острова, торговые центры, парки, новые дороги, развязки, станции метро и многое другое. При этом технологии строительства, которые используются в ОАЭ, не изобретены там и не всегда уникальны, но благодаря хорошему западному образованию эмиратских государственных менеджеров и отсутствию присущих Западу финансовых и психологических ограничений там удается не просто строить грандиозные объекты, но и удивлять всех жителей планеты [8-13].

Рис. 4. Небоскребы Дубая [7]

"Бурдж-Халиф"

Наиболее известная рукотворная достопримечательность не только Эмиратов, но и мира находится в фешенебельном новом районе Downtown Dubai г. Дубая. Это самое высокое сооружение и самое многоэтажное здание в мире – небоскреб "Бурдж-Халифа", названный так в честь президента ОАЭ шейха Халифы ибн Заида ан-Нахайяна (до открытия проект носил название "Бурдж-Дубай" – "Дубайская башня").

"Бурдж-Халифа" имеет 163 этажа (жилых, деловых, рекреационных и технических) и два подземных этажа для парковки. Она напоминает по форме гигантский спирально закрученный сталагмит с трехлопастным сечением, имеет высоту 828 м и ширину в нижней части 175 м (рис. 5). Крыша последнего населенного этажа располагается на высоте 648 м, остальные 180 м приходятся на самый длинный в мире шпиль, оборудованный к тому же телекоммуникационной техникой и имеющий внутри 46 обслуживающих уровней. Самая высокая в мире смотровая площадка находится на 148-м этаже на высоте 555 м; и еще одна расположена на уровне 452 м (рис. 6, 7).

Рис. 5. Здание "Бурдж-Халифа" [14, 15]

Внутри комплекса башни и окружающего ее подножие подиума размещены квартиры, рестораны, отель, тренажерные залы, бассейны, спортивные залы, клубы, смотровые площадки, офисы, торговые центры, мечеть и даже небольшие парки и бульвары. Общая площадь внутренних помещений – около 344 тыс. квадратных метров. Одновременно там могут находиться 35 000 человек. Их перевозят 57 лифтов со скоростью 10 м/с, а также 8 эскалаторов. Обзорные лифты имеют двухэтажные кабины.

Рис. 6, 7. Виды со смотровых площадок здания "Бурдж-Халифа" [16, 17]

Поскольку жаркий и влажный климат обуславливает образование значительного количества конденсата при кондиционировании помещений внутри башни, там имеется система сбора воды из этого конденсата, которая используется для орошения зеленых насаждений на парковой территории вокруг комплекса c прудами и музыкальным фонтаном.

Кроме всего прочего, "Бурдж-Халифа" является энергонезависимым зданием. Его снабжение электроэнергией происходит за счет комплекса солнечных панелей на стенах башни (15 тыс. кв. м) и ветровой турбины высотой 61 м. И, конечно же, имеется самая современная громоотводная система (рис. 8, 9.).

Рис. 8, 9. Молния, ударившая в вершину здания "Бурдж-Халифа" и никому не навредившая за счет молниеотводной системы [14]

Это знаковое здание, видное в ясную погоду даже за 95-100 км, представляет собой чудо инженерной и архитектурной мысли, не имеющее себе равных. В ОАЭ оно считается символом материального процветания и стремления арабского народа к прогрессу и международной кооперации, что особенно важно в период мирового экономического кризиса. Оно привлекает в ОАЭ туристов со всей планеты, особенно в новогодние праздники, чтобы увидеть фейерверки по всей высоте башни (рис. 10, 11) [18].

Рис. 10, 11. Новогодний фейерверк в комплексе "Бурдж-Халифа" [18]

Общая стоимость реализации проекта составила примерно 1,5 млрд. долларов, так что "Бурдж-Халифа" - еще и самое дорогое здание в мире. Однако благодаря высокой престижности комплекса эти затраты окупились в первый же год, так как его помещения были проданы за общую сумму 4,1 млрд. долларов и продолжают приносить огромную прибыль инвесторам.

Это грандиозное строительство было начато по приказу эмира Дубая Мохаммеда ибн Рашида не только чтобы повысить доверие к Дубаю в период мирового экономического кризиса, но и чтобы в целом переориентировать экономику Эмиратов с нефтегазового бизнеса на финансирование, торговлю, обслуживание, туризм и высокие технологии.

Возведение комплекса "Бурдж-Халифа" велось с 2004 по 2009 год (рис. 12, 13), хотя официальное открытие состоялось в начале 2010 года. Ежедневно на строительстве работало до 12 000 рабочих - в основном из Южной и Юго-Восточной Азии (их труд, к сожалению, очень низко оплачивался).

Рис. 12, 13. Строительство небоскреба "Бурдж-Халифа" [14]

Инженерные изыскания для строительства

Проект был основан на обширных и тщательных инженерных изысканиях, которые выполнялись до начала строительных работ в течение полугода. На основе этих данных надо было разработать экономичный проект фундамента для самого высокого в мире здания с довольно слабыми грунтами в основании, высокими ветровыми нагрузками на надфундаментную часть и возможными сейсмическими воздействиями.

Инженерно-геологические исследования площадки проводились в четыре этапа:
1) бурение 23 скважин с динамическим зондированием (SPT) на разной глубине, проведение 40 прессиометрических испытаний в 3 скважинах, установка 4 пьезометрических труб, лабораторные исследования и испытания проб грунтов, наиболее сложные из которых выполнялись в лабораториях Великобритании, Дании и Австралии;
2) бурение и геофизические исследования 3 скважин с межскважинным сейсмическим просвечиванием и межскважинной электротомографией;
3) бурение 6 скважин с испытаниями SPT, 20 прессиометрических испытаний в 2 скважинах, установка 2 пьезометрических труб и лабораторные исследования и испытания;
4) бурение 1 скважины с испытаниями SPT, межскважинное сейсмическое просвечивание в 3 скважинах, скважинная сейсморазведка в 1 скважине до глубины 140 м и лабораторные исследования и испытания.

По данным изысканий разрез площадки был горизонтально-слоистым, но сложным и высокоизменчивым по глубине. Пылеватые пески (морские отложения) от средней плотности до очень рыхлых подстилались слабыми и очень слабыми песчаниками с прослоями очень слабо сцементированного песка, гипсосодержащими мелкозернистыми песчаниками/алевролитами и конгломератами/кальцисилтитами от слабых до умеренно слабых. То есть разрез до большой глубины был сложен достаточно слабыми грунтами (дисперсными и слабыми скальными карбонатными породами).

Уровень грунтовых вод был в основном высоким по всей площадке (около 2,0-2,5 м от поверхности земли), причем эти воды были очень жесткими и химически агрессивными – с концентрацией хлорид-ионов до 4,5% и сульфат-ионов до 0,6%, что было даже выше, чем в морской воде.

С использованием результатов исследований и испытаний был выполнен ряд передовых трехмерных конечноэлементных анализов грунтового основания и различных предполагаемых фундаментных систем комплекса. В итоге стало ясно, что для строительства и башни, и подиума подходят свайно-плитные фундаменты с висячими сваями (рис. 14, 15).

Рис. 14, 15. Модель свайно-плитного фундамента башни и пятно застройки башни и окружающего ее подиума [19]

Затем была выполнена тщательная оценка несущей способности предлагаемых свай и объединяющей их плиты-ростверка и спрогнозированы осадки и напряжения в элементах фундаментной системы при различных нагрузках. Максимальные осадки по результатам использования большинства компьютерных программ были сконцентрированы в центре здания, составляя всего несколько десятков миллиметров, и быстро уменьшались за пределами пятна застройки башни до 10-12 мм для площади подиума.

Как уже было сказано выше, Дубай расположен на восточном краю геологически стабильной аравийской платформы и отделен от нестабильного иранского складчатого пояса лишь Персидским заливом, в силу чего изыскатели и проектировщики считали, что площадка строительства небоскреба "Бурдж-Халифа" расположена в сейсмически активной зоне. Поэтому был выполнен тщательный сейсмический анализ, который состоял из изучения специфических для площадки спектров реакций. На основе его результатов сейсмические нагрузки в целом не определяли расчет железобетонной конструкции башни, но определяли проектирование железобетонных зданий подиума и стального каркаса шпиля башни. Была также выполнена оценка возможности разжижения грунтов основания во время возможного сейсмического события, которая показала, что морские отложения и песок до глубины 3,5 м от поверхности могут разжижиться. Однако фундаменты подиума и башни были запроектированы ниже этого уровня, поэтому было сочтено, что это окажет пренебрежимо малое влияние на поведение запроектированной фундаментной системы. Однако при расчетах свай на трение по боковой поверхности все же было уделено внимание их пересечению слоев, склонных к разжижению.

Проведенные циклические трехосные испытания и конечноэлементный анализ показали, что влияние циклического нагружения фундамента башни будет пренебрежимо мало ухудшать осевую несущую способность и осадку свай.

Для башни было выполнено 194 фрикционных буронабивных железобетонных сваи диаметром 1,5 м и длиной 43 м (до глубины более 50 м от дневной поверхности). Их оголовки объединила плита-ростверк толщиной 3,7 м. Для подиума строились такие же сваи, но диаметром 0,9 м и длиной 30 м – также с объединяющей их плитой-ростверком. Выше плит по их периметру были созданы гидроизоляционные стены в грунте.

Для детальной оценки осадок и распределения нагрузок были установлены датчики в некоторых сваях на разной глубине, а также в кровле и подошве плиты-ростверка.

Были также выполнены испытания 7 пробных и 8 рабочих свай на статическую нагрузку, а также динамические испытания 10 рабочих свай для фундамента башни и 31 сваи для фундамента подиума. Провели и акустическое тестирование целостности ряда рабочих свай.

Рис. 16. Испытание сваи на статическую нагрузку [20]

Испытания пробных и рабочих свай дали очень позитивную информацию об их несущей способности и жесткости: измеренные значения оказались значительно больше предсказанных. То же самое можно сказать и о работе фундаментной системы в целом, в том числе о ее осадках, которые были меньше прогнозируемых (рис. 17, 18). Такое превышение ожиданий, вероятно, произошло из-за того, что сваи изготавливались с использованием полимерного бурового раствора, а не обычного бентонитового. К тому же расчетные оценки были очень консервативными – с большими коэффициентами запаса. Поэтому при строительстве фундамента цементация стволов свай не выполнялась.

Возможно, избыточные коэффициенты запаса и не были лишними, поскольку проект все время эволюционировал в сторону увеличения и даже к моменту, когда строители завершили заливку бетонного фундамента общей площадью 7 000 кв. м, вопрос о высоте здания все еще не был окончательно решен [20].

Для плиты использовался бетон класса С60, для свай - класса С50 при подводной заливке через вертикально перемещающуюся бетонолитную трубу. Всего на строительство фундаментной системы ушло 45 000 куб. м самоуплотняющегося низкопроницаемого высокоплотного бетона, содержавшего портландцемент, летучую золу, кремнеземную пыль, местные наполнители, модификатор вязкости и другие необходимые добавки. Плита-ростверк для башни была построена путем четырех отдельных заливок (для 3 крыльев и центрального ядра). Шаг между арматурными прутьями в ростверке составлял 300 мм в обоих направлениях, но каждый 10-й из них был пропущен для облегчения доступа и ускорения заливки бетона по всей плите. Следует отметить, что материал плиты был предварительно протестирован не только путем заливки и испытаний кубов бетона со стороной 3,7 м и его петрографического анализа, но и на вибрационном столике, в L- и V-образных ящиках и на температурное воздействие.

Рис. 17. Сопоставление измеренных (сверху вниз - в процессе строительства надфундаментной части) и прогнозных осадок фундаментной системы башни "Бурдж-Халифа" под крылом "С" [21]

Из-за агрессивности местных грунтовых вод были приняты антикоррозионные меры, которые включили специальную гидроизоляцию, увеличенный защитный слой бетона, покрывающего стальную арматуру, ингибиторы коррозии в бетонной смеси, контроль возникновения трещин при застывании бетона и систему катодной защиты под плитой в виде титановой сетки с подаваемым на нее импульсным током.

Рис. 18. Осадки плиты-ростверка под башней, измеренные в конце строительства [20]

Фундамент строился в течение полутора лет. При его проектировании и строительстве обеспечивалось тесное взаимодействие между изыскателями, геотехниками и инженерами-строителями, что способствовало созданию более эффективной фундаментной системы, а затем и надфундаментных частей комплекса [20-31].

О дальнейших технических решениях при строительстве башни, удачах и неудачах проекта в целом и их причинах мы расскажем во второй части статьи.

Список литературы и других источников

1. http://www.aces-int.com/content/burj-khalifa (фото на заставке).
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/объединённые_арабские_эмираты.
3. https://www.google.ru/maps.
4. https://russianemirates.com/news/uae-news/arabskie-emiraty-zastrakhovany-ot-zemletryaseniy/.
5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аравийская_платформа.
6. http://be5.biz/makroekonomika/construction/ae.html#analiz.
7. https://pixabay.com/ru/дубай-эмираты-вниз-здание-небо-1227610/.
8. http://estateuae.ru/современное-строительство-в-арабски/.
9. https://tranio.ru/uae/buying/.
10. https://sorp.ae/infotsentr/development-stroitelstvo-i-arhitektura-v-oae/.
11. https://sorp.ae/infotsentr/stroitelstvo-v-dubai/.
12. http://www.tpm.in.ua/2017/02/uae-technologies-Burj-Khalifa.html.
13. http://prestige-property.ru/articles/pravovie-aspekti-stroitelstva-v-dub/.
14. https://www.forumhouse.ru/articles/other/5241.
15. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бурдж-Халифа
16. http://tourweek.ru/articles/useful_tips/306461/?sphrase_id=713815.
17. http://grandstroy.blogspot.com/2011/01/blog-post.html.
18. http://www.tpm.in.ua/2017/02/uae-technologies-Burj-Khalifa.html.
19. http://faculty.arch.tamu.edu/media/cms_page_media/4433/BurjKhalifa.pdf.
20. Baker W.F., Brown Ch., Pawlikowski J.J., Rankin D.S. Tall buildings and their foundations: three examples // Proceedings of the 7-th International conference on case histories in geotechnical engineering, Missouri University of Science and Technology, Scholars' Mine, 29 April - 8 May 2013. URL: http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3242&context=icchge.
21. Poulos H.G., Bunce G. Foundation design for the Burj Dubai - the world's tallest building // Proceedings of the 6-th International conference on case histories in geotechnical engineering, Arlington, VA, USA, 11-16 August 2008. URL: http://scholarsmine.mst.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=3303&context=icchge.
22. Baker W.F. Burj Khalifa // Timeline Item. Last access date: 08.07.2018. URL: http://www.engineering-timelines.com/scripts/engineeringitem.asp?id=1440.
23. Aldred J. Burj Khalifa - a new high for high-performance concrete // Civil Engineering. 2010. Vol. 163. P. 66-73. URL: https://www.researchgate.net/publication/245407762_Burj_Khalifa_-_A_new_high_for_high-_Performance_concretej.
24. Burj Khalifa // Civil Engineering Seminar. 13 September 2011. URL: http://civilenggseminar.blogspot.com/2011/09/burj-khalifa.html.
25. Baker W.F., Korista D.S., Novak L.C. Engineering the World's Tallest - Burj Dubai // Proceedings of the 8-th World Congress CTBUH. 2008. URL: file:///C:/Users/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D1%8F/Downloads/engineeringtheworldstallestburj%20dubai.pdf.
26. https://www.dw.com/ru/burj-khalifa-вавилонская-башня-на-новый-лад/a-5086749.
27. Russo G., Poulos H.G., Small J.C., Abagnara V. Re-assessment of foundation settlements for the Burj Khalifa, Dubai // Acta Geotechnica. 2013.?Vol. 8. № 1. URL: https://www.researchgate.net/publication/257689665_Re-assessment_of_foundation_settlements_for_the_Burj_Khalifa_Dubai.
28. Poulos H.G. Challenges in the Design of Tall Building Foundations // The Masterbuilder. Ground engineering: Foundations. 2014 . October . URL: www.masterbuilder.co.in.
29. https://www.eface.in/burj-khalifa-tallest-tower-in-the-world/.
30. https://sites.google.com/site/burjkhalifatower/documents.
31. A seminar report on Burj Khalifa submitted in partial fulfillment of the requirement for the award of degree of civil // StudyMafia. Last access date: 05.07.2018. URL: www.studymafia.org.

По материалам geoinfo.ru