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 華建集團華東建筑設計研究總院， 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)為我國社會與經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻，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)計全國共有非油氣礦山11萬余個，礦山總面積約10.4萬km2，大型礦山4 800多個，生產(chǎn)礦山7.8萬個，關閉礦山2.2萬個，遺留的大量廢棄礦坑產(chǎn)生了難以彌補的生態(tài)創(chuàng)傷和文化創(chuàng)傷。歐洲發(fā)達國家對廢棄礦坑帶來的環(huán)境問題研究較早[4-5]，我國的廢棄礦坑修復起步較晚，開始于20世紀90年代，研究領域主要集中在土地整理、工業(yè)用地及旅游景觀等，針對廢棄礦坑修復治理再利用的建筑工程研究與實踐尚處探索之中。上海深坑酒店是世界首個建造在廢石坑內的自然生態(tài)酒店，因其建造環(huán)境特殊，結構形式新穎，沒有相關的工程借鑒，被譽為“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，對其建造過程中的關鍵技術進行研究。

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，深坑近似橢圓形，東西向長度約為280m，南北向寬度約為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，由一座五星級深坑酒店及相關附屬建筑組成，總建筑面積為62 171.9m2，坑內16層(包括水下2層)，坑上2層。主體結構為帶支撐鋼框架結構體系，由主體塔樓結構和坑外裙房結構構成，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，建筑緊鄰崖壁，最近處僅1m，崖壁邊坡高度達80m，屬于超級邊坡。崖壁邊坡的穩(wěn)定性對建筑物及人員安全有重要影響，需要對崖壁的穩(wěn)定性分析評價，確保超級邊坡安全可靠。

(2)上海深坑酒店坑內主體建筑通過分塊箱形基礎固接在坑底弱風化基巖上，同時結構鋼桁架在頂部與坑頂基巖通過鉸接支座連接。結構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。結構的受力特性需要區(qū)別于常規(guī)的高層結構。

(3)主體工程位于廢棄深坑內，由于崖壁陡峭，無法實現(xiàn)人員和車輛通行。深坑內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，混凝土運輸過程易堵管、離析，坑底的混凝土基礎用量超過5萬m3，物料運輸難度大。主體鋼結構結構形式不規(guī)則，為雙曲造型，豎向最大傾角23°，施工過程中應力和變形控制要求高，最大位移不允許超過4cm，鋼結構單品桁架最重超過32t，受施工場地限制，整體結構施工難度大。

2 關鍵建造技術

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80m的廢棄礦坑內，廢棄礦坑經(jīng)過長年累月的荷載變化和風化作用，巖石表面已全風化，礦坑結構基本破壞，如圖3所示。為確保主體建筑在施工及運營期間邊坡穩(wěn)定，對坑內及坑壁工程巖體地質結構進行調查分析。調查結果表明：采石坑南側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。廢棄礦坑內各個區(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化安山巖、強風化安山巖、中風化安山巖、微風化安山巖。在工程所在區(qū)域內有一微小斷層，傾角較大。

圖3 礦坑的原始地貌

圖4 深坑崖壁剖面支護示意

為真實反映巖體三向應力狀態(tài)，建立三維實體力學模型，采用三維動力有限元法與強度折減法相結合的方法，對地震作用下邊坡的動態(tài)響應特性及動態(tài)響應下的邊坡失穩(wěn)特性進行分析。外荷載包括深坑開挖效應、建筑物荷載、地面超載、地震作用，并考慮巖質邊坡與主體結構的相互作用。

(1)模型建立

基坑坡面按照現(xiàn)實自然曲面和坡度建模，基坑底面的凸出部分按實際情況考慮，根據(jù)現(xiàn)有的鉆孔資料及勘查報告的斷層信息，真實考慮坑周巖體內的斷層。坑周為不規(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的三維實體模型，總單元數(shù)247 867，總節(jié)點數(shù)253 779，其中坑周單元分布密集，密集范圍內的單元最大尺寸不超過2m×2m×2m，密集范圍內單元總數(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、巖石、斷層等組成，模型最頂面水平標高+0m，坑底面標高-70m，最底面標高-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；第四分層為中風化巖；第五分層為微風化巖。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

為了真實考慮錨桿對巖體的加固作用，錨索采用桿單元模擬，對桿單元施加預拉力，從而產(chǎn)生想要達到的預應力加載效果。計算中不考慮錨索錨固段與巖土體之間的相對滑移。計算中首先將錨索單元設為空單元，對模型施加重力求出邊坡內的初始應力分布，然后激活空單元，導入初始應力場，施加靜力荷載和動荷載，求出在靜力荷載和動荷載作用下基坑的基本受力與變形特征。

(2)有限元計算結果

對三維模型先施加靜力荷載，并將其計算結果作為模型的初始應力狀態(tài)；然后，在模型底部水平方向施加地震作用，研究在無支護及錨固支護條件下，靜力荷載、小震作用及大震作用時，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)計算結果如表1所示，由表1可知，采取有效錨固支護措施，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 深坑酒店結構受力性能分析

上海深坑酒店主體建筑依崖壁建造，酒店主體結構下部固接于坑底基巖上，上部鉸接在坑頂混凝土梁上，兩個支承點立面落差達88m，如圖7所示。結構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)的高層結構的受力不同[7-8]。酒店主體結構采用帶支撐的鋼框架結構系統(tǒng)，在坑內結構由兩個塔樓結構組成，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，該結構被分為坑外部分、塔樓1和塔樓2三個部分，如圖8所示。

邊坡穩(wěn)定性驗算結果 表1

圖7 上海深坑酒店結構嵌固示意

圖8 結構分塊示意圖

2.2.1 模態(tài)特性分析

采用ETABS和MIDAS Building軟件對結構的模態(tài)特性進行分析，結構周期如表2所示。結構坑外部分、塔樓1和塔樓2的前兩階周期均為平動振型，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《建筑結構抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡稱抗震規(guī)范)要求。

結構振動周期 表2

彈性動力時程分析結果 表3

2.2.2 多遇地震作用一致輸入彈性動力時程分析

多遇地震作用下一致輸入彈性動力時程分析時采用安評提供的坑頂N點三組地震波進行結構分析。彈性動力時程分析計算結果如表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 罕遇地震作用多點輸入彈性動力時程分析

主體結構為獨特的上下兩點支承結構體系，與通?？紤]行波效應的多點輸入不同，本結構的多點輸入地震反應分析需要考慮幅值差，所以需要采用位移時程的多點輸入[9]。罕遇地震作用下主體結構的分析結果表明：1)罕遇地震作用下結構最大層間位移角為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，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)結構體系、構件尺寸、強度設計均能滿足罕遇地震作用下結構不倒塌的抗震性能目標。

2.3 深坑結構施工技術

2.3.1 混凝土向下超深輸送施工技術

上海深坑酒店項目建造在陡峭深坑內，坑底地形復雜、高差大，因此設計將坑底基礎設計為坑底回填混凝土基礎，坑底先采取強度等級為C25的大體積混凝土進行找平，然后在找平大體積混凝土上施工柱承臺與兩層箱形基礎[10-11]?？拥状篌w積回填呈梯田式，標高錯落復雜，共有12個不同的臺階高程，最大高差處19m。坑底大體積回填混凝土基礎示意如圖9所示。回填澆筑依次由低向高根據(jù)臺階高度和地形展開，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高以下的所有混凝土，整個澆筑過程大致分12次進行，每次澆筑高度控制在2m以內。坑底大體積回填混凝土方量達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，極易產(chǎn)生混凝土離析、堵管，且崖壁邊坡斷面不規(guī)則，表面為風化巖，常規(guī)汽車泵無法實現(xiàn)坑內混凝土輸送。

圖9 坑底大體積回填混凝土基礎示意

為了解決坑底混凝土輸入的困難，研究團隊發(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，在出口設置了緩沖彈簧以減緩混凝土的初始流動速度。溜管管身共設計了3個緩沖器，相鄰緩沖器間距為20m，每個緩沖器內部設置有螺旋緩沖通道。緩沖器的設置可以增加混凝土在溜管內部下降時的阻力，從而減小混凝土在溜管內部下降的速度，進而減小混凝土對溜管以及溜管底部的混凝土泵的沖擊，緩沖卸料口設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

由于向下輸入流動過程中混凝土會損失一定的坍落度和擴展度，并產(chǎn)生一定的離析，將影響到混凝土入模時的工作性能。通過多次試驗與數(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，粉煤灰采用Ⅱ級灰，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)篩分細度模數(shù)、顆粒級配屬于Ⅱ區(qū)中砂，含泥量不大于3.0%。粗骨料的性能對混凝土的性能有較大影響，故需控制顆粒級配、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 主體雙曲復雜鋼框架結構施工技術

工程主體結構為兩點支承式鋼框架結構體系，同時建筑雙曲造型，導致結構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)剖面為雙向側傾，B區(qū)剖面為單向側傾，如圖11所示。主體總用鋼量約6 846t，最重單個構件32t，施工過程中應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 主體雙曲復雜鋼框架結構示意圖

(1)施工步驟

根據(jù)現(xiàn)場施工條件，將整個施工主要分為17個施工步，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軟件進行分析，在模擬過程中考慮了由結構豎向傾斜引起的P-Δ效應。構件位移變化和內力變化結果如圖12,13所示，從圖中可以看出，CS1～CS7為豎向桁架形成階段，此階段構件的內力及位移逐步增加；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，相應的內力及位移變化較?。籆S12為拆除坑頂桁架臨時支座，盆式支座進入工作狀態(tài)，此時由于跨越桁架上方的2層鋼結構構件已安裝，此部分構件與坑頂?shù)鼗耆珓偨?，并通過跨越桁架將坑頂以下的支撐框架結構完全拉住，形成整體受力結構體系；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，內力及位移變化明顯?？缭借旒茏畲髶隙?7mm，最大撓跨比1/435，滿足規(guī)范要求。

圖12 構件位移變化過程示意圖

圖13 構件內力變化過程示意圖

2.3.3 深坑內環(huán)境修復技術

坑內主樓建筑區(qū)崖壁進行了噴射混凝土加固，加固后的崖壁雖然保證了酒店的運營安全，但也失去了其原有的自然風貌，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，需要對坑內環(huán)境做針對性檢測，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月對坑內空氣質量進行檢測，檢測指標為：坑上與坑內的空氣質量與照度、風速等參量。檢測結果如表5所示。根據(jù)檢測結果來看，坑內環(huán)境數(shù)據(jù)與坑上相比有明顯差距的為風速，從兩個月的檢測數(shù)據(jù)來看，坑內平均風力隨季節(jié)變化不大，基本維持在1～2m/s(風力等級為1級)。溫度方面，坑內平均溫度要比坑頂?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?？觾日斩确矫?，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。相對濕度坑底比坑頂略高，但差距同樣不大。故對于植物選擇來說，主要考慮光照以及季節(jié)交替引起的溫度變化。根據(jù)深坑內環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別對南北兩側崖壁進行綠植選型。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)。

上海深坑酒店坑上與坑內檢測結果 表5

3 結論

(1)通過巖石動三軸試驗，獲得了崖壁巖體的強度、動彈模量和阻尼比，通過有限元分析可知采取有效錨固支護措施，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)的高層結構的受力不同，模態(tài)分析的結果表明結構第一階振型和第三階振型周期比滿足規(guī)范要求，罕遇地震作用下結構最大層間位移角為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；通過有限元軟件對整體結構施工過程進行了有限元模擬，分析結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)深坑內環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)篩選出適應不同區(qū)域崖壁生存的綠植，對深坑內的環(huán)境進行了修復。