余少樂，陳新喜，亓立剛，陸道淵，梁志榮，危 鼎，孫曉陽，李 赟

(1 中國建筑第八工程局有限公司， 上海 200135； 2 華建集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究總院， 上海 200002；3 上海申元巖土工程有限公司， 上海 200011)

0 引言

礦產(chǎn)資源的開發(fā)為我國社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，我國80%的工業(yè)原料和95%的能源來自礦產(chǎn)資源[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)全國共有非油氣礦山11萬余個(gè)，礦山總面積約10.4萬km2，大型礦山4 800多個(gè)，生產(chǎn)礦山7.8萬個(gè)，關(guān)閉礦山2.2萬個(gè)，遺留的大量廢棄礦坑產(chǎn)生了難以彌補(bǔ)的生態(tài)創(chuàng)傷和文化創(chuàng)傷。歐洲發(fā)達(dá)國家對(duì)廢棄礦坑帶來的環(huán)境問題研究較早[4-5]，我國的廢棄礦坑修復(fù)起步較晚，開始于20世紀(jì)90年代，研究領(lǐng)域主要集中在土地整理、工業(yè)用地及旅游景觀等，針對(duì)廢棄礦坑修復(fù)治理再利用的建筑工程研究與實(shí)踐尚處探索之中。上海深坑酒店是世界首個(gè)建造在廢石坑內(nèi)的自然生態(tài)酒店，因其建造環(huán)境特殊，結(jié)構(gòu)形式新穎，沒有相關(guān)的工程借鑒，被譽(yù)為“世界建筑奇跡”，給建造過程帶來極大的挑戰(zhàn)。本文以上海深坑酒店為工程背景，對(duì)其建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

上海深坑酒店位于上海市西郊古城松江的天馬山廢棄礦坑內(nèi)，深坑近似橢圓形，東西向長度約為280m，南北向?qū)挾燃s為220m，深度最深約為88m，深坑崖壁陡峭，坡腳約80°，如圖1所示。

圖1 廢棄深坑概況

上海深坑酒店工程占地面積為105 350m2，由一座五星級(jí)深坑酒店及相關(guān)附屬建筑組成，總建筑面積為62 171.9m2，坑內(nèi)16層(包括水下2層)，坑上2層。主體結(jié)構(gòu)為帶支撐鋼框架結(jié)構(gòu)體系，由主體塔樓結(jié)構(gòu)和坑外裙房結(jié)構(gòu)構(gòu)成，深坑典型建筑剖面圖如圖2所示。

圖2 建筑剖面示意圖

(1)上海深坑酒店主體位于廢棄采石深坑內(nèi)，建筑緊鄰崖壁，最近處僅1m，崖壁邊坡高度達(dá)80m，屬于超級(jí)邊坡。崖壁邊坡的穩(wěn)定性對(duì)建筑物及人員安全有重要影響，需要對(duì)崖壁的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)，確保超級(jí)邊坡安全可靠。

(2)上海深坑酒店坑內(nèi)主體建筑通過分塊箱形基礎(chǔ)固接在坑底弱風(fēng)化基巖上，同時(shí)結(jié)構(gòu)鋼桁架在頂部與坑頂基巖通過鉸接支座連接。結(jié)構(gòu)在水平荷載下的受力變形形態(tài)不是常見高層的“懸臂梁”特征，而顯現(xiàn)出較為特殊的一端剛接另一端鉸接的“簡支梁”特征。結(jié)構(gòu)的受力特性需要區(qū)別于常規(guī)的高層結(jié)構(gòu)。

(3)主體工程位于廢棄深坑內(nèi)，由于崖壁陡峭，無法實(shí)現(xiàn)人員和車輛通行。深坑內(nèi)混凝土輸送需要沿著崖壁向下輸送80m，然后在坑底水平輸送200m，混凝土運(yùn)輸過程易堵管、離析，坑底的混凝土基礎(chǔ)用量超過5萬m3，物料運(yùn)輸難度大。主體鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式不規(guī)則，為雙曲造型，豎向最大傾角23°，施工過程中應(yīng)力和變形控制要求高，最大位移不允許超過4cm，鋼結(jié)構(gòu)單品桁架最重超過32t，受施工場地限制，整體結(jié)構(gòu)施工難度大。

2 關(guān)鍵建造技術(shù)

2.1 深坑崖壁穩(wěn)定性分析

上海深坑酒店整體坐落于深度達(dá)80m的廢棄礦坑內(nèi)，廢棄礦坑經(jīng)過長年累月的荷載變化和風(fēng)化作用，巖石表面已全風(fēng)化，礦坑結(jié)構(gòu)基本破壞，如圖3所示。為確保主體建筑在施工及運(yùn)營期間邊坡穩(wěn)定，對(duì)坑內(nèi)及坑壁工程巖體地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查分析。調(diào)查結(jié)果表明：采石坑南側(cè)有近東西向壓扭性微型斷層，傾向195°、傾角80°、斷距1.5～3m，以糜棱巖和糜棱巖化破碎巖石組成，綠泥石化、黏土化普遍。廢棄礦坑內(nèi)各個(gè)區(qū)域的巖石類型均為火山中性熔巖，其巖性致密，以安山巖為主，見有少量角閃安山巖和石英安山巖，場地的主要地層巖層自上而下依次為全風(fēng)化安山巖、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖、微風(fēng)化安山巖。在工程所在區(qū)域內(nèi)有一微小斷層，傾角較大。

圖3 礦坑的原始地貌

圖4 深坑崖壁剖面支護(hù)示意

為真實(shí)反映巖體三向應(yīng)力狀態(tài)，建立三維實(shí)體力學(xué)模型，采用三維動(dòng)力有限元法與強(qiáng)度折減法相結(jié)合的方法，對(duì)地震作用下邊坡的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)下的邊坡失穩(wěn)特性進(jìn)行分析。外荷載包括深坑開挖效應(yīng)、建筑物荷載、地面超載、地震作用，并考慮巖質(zhì)邊坡與主體結(jié)構(gòu)的相互作用。

(1)模型建立

基坑坡面按照現(xiàn)實(shí)自然曲面和坡度建模，基坑底面的凸出部分按實(shí)際情況考慮，根據(jù)現(xiàn)有的鉆孔資料及勘查報(bào)告的斷層信息，真實(shí)考慮坑周巖體內(nèi)的斷層?？又転椴灰?guī)則曲邊，三維模型規(guī)模較難控制，因此選擇高130m、長677.4m、寬626m的三維實(shí)體模型，總單元數(shù)247 867，總節(jié)點(diǎn)數(shù)253 779，其中坑周單元分布密集，密集范圍內(nèi)的單元最大尺寸不超過2m×2m×2m，密集范圍內(nèi)單元總數(shù)為185 729，坑底存在3塊局部凸出部分，坑底其余部分為平面，如圖5所示，淺色條紋所示為斷層(弱化層)。深基坑由土質(zhì)、巖石、斷層等組成，模型最頂面水平標(biāo)高+0m，坑底面標(biāo)高-70m，最底面標(biāo)高-130m，基坑模型剖面如圖6所示。基坑自上而下的分層分別為：第一分層為雜填土；第二分層為灰黏土；第三分層為黃黏土；第四分層為中風(fēng)化巖；第五分層為微風(fēng)化巖。上三層土厚度L=38m；五層總高度H=130m。

圖5 基坑模型坑底放大示意圖

圖6 基坑模型剖面示意圖

為了真實(shí)考慮錨桿對(duì)巖體的加固作用，錨索采用桿單元模擬，對(duì)桿單元施加預(yù)拉力，從而產(chǎn)生想要達(dá)到的預(yù)應(yīng)力加載效果。計(jì)算中不考慮錨索錨固段與巖土體之間的相對(duì)滑移。計(jì)算中首先將錨索單元設(shè)為空單元，對(duì)模型施加重力求出邊坡內(nèi)的初始應(yīng)力分布，然后激活空單元，導(dǎo)入初始應(yīng)力場，施加靜力荷載和動(dòng)荷載，求出在靜力荷載和動(dòng)荷載作用下基坑的基本受力與變形特征。

(2)有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)三維模型先施加靜力荷載，并將其計(jì)算結(jié)果作為模型的初始應(yīng)力狀態(tài)；然后，在模型底部水平方向施加地震作用，研究在無支護(hù)及錨固支護(hù)條件下，靜力荷載、小震作用及大震作用時(shí)，基坑的整體穩(wěn)定性。邊坡在各工況下位移及穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示，由表1可知，采取有效錨固支護(hù)措施，邊坡在靜力荷載及小震作用下穩(wěn)定系數(shù)較大，有一定安全富余，在大震作用下，邊坡仍能滿足穩(wěn)定性要求。

2.2 深坑酒店結(jié)構(gòu)受力性能分析

上海深坑酒店主體建筑依崖壁建造，酒店主體結(jié)構(gòu)下部固接于坑底基巖上，上部鉸接在坑頂混凝土梁上，兩個(gè)支承點(diǎn)立面落差達(dá)88m，如圖7所示。結(jié)構(gòu)主體在水平荷載作用下表現(xiàn)出一端固接、一端簡支梁的變形和受力特性，與常規(guī)的高層結(jié)構(gòu)的受力不同[7-8]。酒店主體結(jié)構(gòu)采用帶支撐的鋼框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在坑內(nèi)結(jié)構(gòu)由兩個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)組成，防震縫位于塔樓1和塔樓2之間的地下13至地下2層中，在坑外連接成整體。因此，該結(jié)構(gòu)被分為坑外部分、塔樓1和塔樓2三個(gè)部分，如圖8所示。

邊坡穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果 表1

圖7 上海深坑酒店結(jié)構(gòu)嵌固示意

圖8 結(jié)構(gòu)分塊示意圖

2.2.1 模態(tài)特性分析

采用ETABS和MIDAS Building軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)特性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)周期如表2所示。結(jié)構(gòu)坑外部分、塔樓1和塔樓2的前兩階周期均為平動(dòng)振型，第一階振型和第三階振型周期比分別為0.86(0.84),0.62(0.66)和0.51(0.51)，滿足《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡稱抗震規(guī)范)要求。

結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期 表2

彈性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果 表3

2.2.2 多遇地震作用一致輸入彈性動(dòng)力時(shí)程分析

多遇地震作用下一致輸入彈性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)采用安評(píng)提供的坑頂N點(diǎn)三組地震波進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。彈性動(dòng)力時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果如表3所示，由表3可知，在三組地震波作用下，頂部和底部剪力均大于CQC法的65%，三組地震波分析所得頂部和底部剪力平均值大于CQC法的80%，均滿足抗震規(guī)范要求。

2.2.3 罕遇地震作用多點(diǎn)輸入彈性動(dòng)力時(shí)程分析

主體結(jié)構(gòu)為獨(dú)特的上下兩點(diǎn)支承結(jié)構(gòu)體系，與通常考慮行波效應(yīng)的多點(diǎn)輸入不同，本結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)輸入地震反應(yīng)分析需要考慮幅值差，所以需要采用位移時(shí)程的多點(diǎn)輸入[9]。罕遇地震作用下主體結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果表明：1)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/250，滿足規(guī)范限值1/50的要求；2)大部分的框架柱和鋼支撐都處于彈性范圍內(nèi)，局部框架柱和鋼支撐形成一定的塑性鉸，但塑性程度不高；鋼框架梁基本沒有形成塑性鉸；3)結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件尺寸、強(qiáng)度設(shè)計(jì)均能滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)不倒塌的抗震性能目標(biāo)。

2.3 深坑結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

2.3.1 混凝土向下超深輸送施工技術(shù)

上海深坑酒店項(xiàng)目建造在陡峭深坑內(nèi)，坑底地形復(fù)雜、高差大，因此設(shè)計(jì)將坑底基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為坑底回填混凝土基礎(chǔ)，坑底先采取強(qiáng)度等級(jí)為C25的大體積混凝土進(jìn)行找平，然后在找平大體積混凝土上施工柱承臺(tái)與兩層箱形基礎(chǔ)[10-11]?？拥状篌w積回填呈梯田式，標(biāo)高錯(cuò)落復(fù)雜，共有12個(gè)不同的臺(tái)階高程，最大高差處19m。坑底大體積回填混凝土基礎(chǔ)示意如圖9所示。回填澆筑依次由低向高根據(jù)臺(tái)階高度和地形展開，由于面積較大，回填混凝土分為左右兩塊分別施工，每次澆筑完成一定標(biāo)高以下的所有混凝土，整個(gè)澆筑過程大致分12次進(jìn)行，每次澆筑高度控制在2m以內(nèi)?？拥状篌w積回填混凝土方量達(dá)54 431m3，混凝土輸送需要先在近乎直壁的邊坡向下輸送80m，并在坑底水平輸送至約200m的范圍，固定泵向下80m、坡腳約80°向下輸送時(shí)，極易產(chǎn)生混凝土離析、堵管，且崖壁邊坡斷面不規(guī)則，表面為風(fēng)化巖，常規(guī)汽車泵無法實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)混凝土輸送。

圖9 坑底大體積回填混凝土基礎(chǔ)示意

為了解決坑底混凝土輸入的困難，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新型的輸送裝置，由緩沖料口、緩沖裝置和緩沖卸料口三部分組成，如圖10所示。其中緩沖料口由10mm厚鋼板焊接而成，上口尺寸1 200mm×1 200mm，下口尺寸200mm×200mm，高度為1 500mm，在出口設(shè)置了緩沖彈簧以減緩混凝土的初始流動(dòng)速度。溜管管身共設(shè)計(jì)了3個(gè)緩沖器，相鄰緩沖器間距為20m，每個(gè)緩沖器內(nèi)部設(shè)置有螺旋緩沖通道。緩沖器的設(shè)置可以增加混凝土在溜管內(nèi)部下降時(shí)的阻力，從而減小混凝土在溜管內(nèi)部下降的速度，進(jìn)而減小混凝土對(duì)溜管以及溜管底部的混凝土泵的沖擊，緩沖卸料口設(shè)置了橡膠段減緩混凝土在出口的速度。

圖10 混凝土向下輸送裝置

由于向下輸入流動(dòng)過程中混凝土?xí)p失一定的坍落度和擴(kuò)展度，并產(chǎn)生一定的離析，將影響到混凝土入模時(shí)的工作性能。通過多次試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析，輸送混凝土的性能控制要求為：采用普通硅酸鹽水泥，礦粉選用S95級(jí)，粉煤灰采用Ⅱ級(jí)灰，選用聚羧酸型高效減水劑，由于考慮到施工特性，要求外加劑減水率大于25%，不僅要增加混凝土拌合物的流動(dòng)性，還要保持混凝土具有良好的保坍性能。黃砂選用經(jīng)篩分細(xì)度模數(shù)、顆粒級(jí)配屬于Ⅱ區(qū)中砂，含泥量不大于3.0%。粗骨料的性能對(duì)混凝土的性能有較大影響，故需控制顆粒級(jí)配、針片狀含量等，采用5～25mm 碎石，混凝土到場坍落度為(210±10)mm。

2.3.2 主體雙曲復(fù)雜鋼框架結(jié)構(gòu)施工技術(shù)

工程主體結(jié)構(gòu)為兩點(diǎn)支承式鋼框架結(jié)構(gòu)體系，同時(shí)建筑雙曲造型，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在豎向具有一定傾斜度，最大傾角23°，酒店工程分為A區(qū)和B區(qū)，其中A區(qū)剖面為雙向側(cè)傾，B區(qū)剖面為單向側(cè)傾，如圖11所示。主體總用鋼量約6 846t，最重單個(gè)構(gòu)件32t，施工過程中應(yīng)力和變形控制要求高，最大位移不允許超過4cm，整體施工難度大。

圖11 主體雙曲復(fù)雜鋼框架結(jié)構(gòu)示意圖

(1)施工步驟

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，將整個(gè)施工主要分為17個(gè)施工步，各施工階段的主要施工順序如表4所示。

各施工階段的主要施工順序 表4

(2)施工過程模擬

本次施工模擬采用MIDAS Gen軟件進(jìn)行分析，在模擬過程中考慮了由結(jié)構(gòu)豎向傾斜引起的P-Δ效應(yīng)。構(gòu)件位移變化和內(nèi)力變化結(jié)果如圖12,13所示，從圖中可以看出，CS1～CS7為豎向桁架形成階段，此階段構(gòu)件的內(nèi)力及位移逐步增加；CS8～CS11為跨越桁架形成階段，此階段由于不澆筑混凝土，荷載較小，相應(yīng)的內(nèi)力及位移變化較?。籆S12為拆除坑頂桁架臨時(shí)支座，盆式支座進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)由于跨越桁架上方的2層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件已安裝，此部分構(gòu)件與坑頂?shù)鼗耆珓偨?，并通過跨越桁架將坑頂以下的支撐框架結(jié)構(gòu)完全拉住，形成整體受力結(jié)構(gòu)體系；CS13～CS16為澆筑地下7層～屋面層樓板階段；CS17為裝修及使用階段工況，此階段由于荷載較大，內(nèi)力及位移變化明顯。跨越桁架最大撓度67mm，最大撓跨比1/435，滿足規(guī)范要求。

圖12 構(gòu)件位移變化過程示意圖

圖13 構(gòu)件內(nèi)力變化過程示意圖

2.3.3 深坑內(nèi)環(huán)境修復(fù)技術(shù)

坑內(nèi)主樓建筑區(qū)崖壁進(jìn)行了噴射混凝土加固，加固后的崖壁雖然保證了酒店的運(yùn)營安全，但也失去了其原有的自然風(fēng)貌，與周圍非建筑區(qū)崖壁格格不入。由于種植崖壁位于地平線以下，其光照條件及溫度、濕度等與地面以上有較大差異，需要對(duì)坑內(nèi)環(huán)境做針對(duì)性檢測，為后續(xù)苗木選擇提供依據(jù)。

根據(jù)上海市歷史氣象記錄，分別選擇氣象數(shù)據(jù)比較有代表性的7月以及11月對(duì)坑內(nèi)空氣質(zhì)量進(jìn)行檢測，檢測指標(biāo)為：坑上與坑內(nèi)的空氣質(zhì)量與照度、風(fēng)速等參量。檢測結(jié)果如表5所示。根據(jù)檢測結(jié)果來看，坑內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)與坑上相比有明顯差距的為風(fēng)速，從兩個(gè)月的檢測數(shù)據(jù)來看，坑內(nèi)平均風(fēng)力隨季節(jié)變化不大，基本維持在1～2m/s(風(fēng)力等級(jí)為1級(jí))。溫度方面，坑內(nèi)平均溫度要比坑頂?shù)?.75℃左右。二氧化碳含量坑底比坑頂略高，但差距基本可以忽略不計(jì)。坑內(nèi)照度方面，朝陽的北崖壁照度與坑頂基本保持一致，南崖壁為背陽朝向，故照度較低。相對(duì)濕度坑底比坑頂略高，但差距同樣不大。故對(duì)于植物選擇來說，主要考慮光照以及季節(jié)交替引起的溫度變化。根據(jù)深坑內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對(duì)南北兩側(cè)崖壁進(jìn)行綠植選型。為了使崖壁綠化顯得更突兀有致，富有立體感，擬選用4大類植物，植物高度由高到低分別為：灌木類(30～40cm)、藤本類(20～25cm)、草本類(12～25cm)、苔蘚類(高度不計(jì))。

上海深坑酒店坑上與坑內(nèi)檢測結(jié)果 表5

3 結(jié)論

(1)通過巖石動(dòng)三軸試驗(yàn)，獲得了崖壁巖體的強(qiáng)度、動(dòng)彈模量和阻尼比，通過有限元分析可知采取有效錨固支護(hù)措施，邊坡在靜力荷載及小震作用下穩(wěn)定系數(shù)較大，有一定安全富余，在大震作用下，邊坡仍能滿足穩(wěn)定性要求。

(2)深坑酒店主體在水平荷載作用下表現(xiàn)出一端固接、一端簡支梁的變形和受力特性，與常規(guī)的高層結(jié)構(gòu)的受力不同，模態(tài)分析的結(jié)果表明結(jié)構(gòu)第一階振型和第三階振型周期比滿足規(guī)范要求，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/250，滿足規(guī)范限值1/50的要求。

(3)發(fā)明了一套混凝土超深向下輸送設(shè)備，解決了5萬m3的混凝土向下超深輸送的困難；通過有限元軟件對(duì)整體結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行了有限元模擬，分析結(jié)果表明跨越桁架最大撓跨比1/435，滿足規(guī)范要求。

(4)根據(jù)深坑內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選出適應(yīng)不同區(qū)域崖壁生存的綠植，對(duì)深坑內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行了修復(fù)。