0 引言

　　矿产资源的开发为我国社会与经济发展做出了巨大贡献，我国80%的工业原料和95%的能源来自矿产资源^[1,2,3]。据统计全国共有非油气矿山11万余个，矿山总面积约10.4万km²，大型矿山4 800多个，生产矿山7.8万个，关闭矿山2.2万个，遗留的大量废弃矿坑产生了难以弥补的生态创伤和文化创伤。欧洲发达国家对废弃矿坑带来的环境问题研究较早^[4,5]，我国的废弃矿坑修复起步较晚，开始于20世纪90年代，研究领域主要集中在土地整理、工业用地及旅游景观等，针对废弃矿坑修复治理再利用的建筑工程研究与实践尚处探索之中。上海深坑酒店是世界首个建造在废石坑内的自然生态酒店，因其建造环境特殊，结构形式新颖，没有相关的工程借鉴，被誉为“世界建筑奇迹”，给建造过程带来极大的挑战。本文以上海深坑酒店为工程背景，对其建造过程中的关键技术进行研究。

　　1 工程概况

　　上海深坑酒店位于上海市西郊古城松江的天马山废弃矿坑内，深坑近似椭圆形，东西向长度约为280m，南北向宽度约为220m，深度最深约为88m，深坑崖壁陡峭，坡脚约80°，如图1所示。

　　上海深坑酒店工程占地面积为105 350m²，由一座五星级深坑酒店及相关附属建筑组成，总建筑面积为62 171.9m²，坑内16层(包括水下2层)，坑上2层。主体结构为带支撑钢框架结构体系，由主体塔楼结构和坑外裙房结构构成，深坑典型建筑剖面图如图2所示。

　　(1)上海深坑酒店主体位于废弃采石深坑内，建筑紧邻崖壁，最近处仅1m，崖壁边坡高度达80m，属于超级边坡。崖壁边坡的稳定性对建筑物及人员安全有重要影响，需要对崖壁的稳定性分析评价，确保超级边坡安全可靠。

　　

　　图1 废弃深坑概况 

　　 

　　(2)上海深坑酒店坑内主体建筑通过分块箱形基础固接在坑底弱风化基岩上，同时结构钢桁架在顶部与坑顶基岩通过铰接支座连接。结构在水平荷载下的受力变形形态不是常见高层的“悬臂梁”特征，而显现出较为特殊的一端刚接另一端铰接的“简支梁”特征。结构的受力特性需要区别于常规的高层结构。

　　(3)主体工程位于废弃深坑内，由于崖壁陡峭，无法实现人员和车辆通行。深坑内混凝土输送需要沿着崖壁向下输送80m，然后在坑底水平输送200m，混凝土运输过程易堵管、离析，坑底的混凝土基础用量超过5万m³，物料运输难度大。主体钢结构结构形式不规则，为双曲造型，竖向最大倾角23°，施工过程中应力和变形控制要求高，最大位移不允许超过4cm，钢结构单品桁架最重超过32t，受施工场地限制，整体结构施工难度大。

　　

　　图2 建筑剖面示意图 

　　 

　　2 关键建造技术

　　2.1 深坑崖壁稳定性分析

　　上海深坑酒店整体坐落于深度达80m的废弃矿坑内，废弃矿坑经过长年累月的荷载变化和风化作用，岩石表面已全风化，矿坑结构基本破坏，如图3所示。为确保主体建筑在施工及运营期间边坡稳定，对坑内及坑壁工程岩体地质结构进行调查分析。调查结果表明:采石坑南侧有近东西向压扭性微型断层，倾向195°、倾角80°、断距1.5～3m，以糜棱岩和糜棱岩化破碎岩石组成，绿泥石化、黏土化普遍。废弃矿坑内各个区域的岩石类型均为火山中性熔岩，其岩性致密，以安山岩为主，见有少量角闪安山岩和石英安山岩，场地的主要地层岩层自上而下依次为全风化安山岩、强风化安山岩、中风化安山岩、微风化安山岩。在工程所在区域内有一微小断层，倾角较大。

　　根据深坑地质条件、使用要求，边坡支护采用预应力锚索支护、锚杆支护、挂网喷射混凝土支护，典型支护剖面示意如图4所示。在坡顶岩层采用预应力锚索支护，同时在岩体表层采用喷射混凝土加固^[6]。预应力锚索采用无粘结自由锚索，设计钻孔直径为170mm，设计预应力750～1 750kN，设计总长15～35m，预应力锚索总用量2 000根，普通锚杆钻孔直径为100mm，坡底锚杆直径为25mm，坡顶土层和强风化层锚杆材料采用25，32螺纹钢筋，锚杆间距为4.0m，倾角15°，其中25螺纹钢筋总用量为2 988根，32螺纹钢筋总用量9 789根。

　　为真实反映岩体三向应力状态，建立三维实体力学模型，采用三维动力有限元法与强度折减法相结合的方法，对地震作用下边坡的动态响应特性及动态响应下的边坡失稳特性进行分析。外荷载包括深坑开挖效应、建筑物荷载、地面超载、地震作用，并考虑岩质边坡与主体结构的相互作用。

　　(1)模型建立

　　基坑坡面按照现实自然曲面和坡度建模，基坑底面的凸出部分按实际情况考虑，根据现有的钻孔资料及勘查报告的断层信息，真实考虑坑周岩体内的断层。坑周为不规则曲边，三维模型规模较难控制，因此选择高130m、长677.4m、宽626m的三维实体模型，总单元数247 867，总节点数253 779，其中坑周单元分布密集，密集范围内的单元最大尺寸不超过2m×2m×2m，密集范围内单元总数为185 729，坑底存在3块局部凸出部分，坑底其余部分为平面，如图5所示，浅色条纹所示为断层(弱化层)。深基坑由土质、岩石、断层等组成，模型最顶面水平标高+0m，坑底面标高-70m，最底面标高-130m，基坑模型剖面如图6所示。基坑自上而下的分层分别为:第一分层为杂填土;第二分层为灰黏土;第三分层为黄黏土;第四分层为中风化岩;第五分层为微风化岩。上三层土厚度L=38m;五层总高度H=130m。

　　

　　图3 矿坑的原始地貌  

　　 

　　

　　图4 深坑崖壁剖面支护示意  

　　 

　　

　　图5 基坑模型坑底放大示意图  

　　 

　　

　　图6 基坑模型剖面示意图 

　　 

　　为了真实考虑锚杆对岩体的加固作用，锚索采用杆单元模拟，对杆单元施加预拉力，从而产生想要达到的预应力加载效果。计算中不考虑锚索锚固段与岩土体之间的相对滑移。计算中首先将锚索单元设为空单元，对模型施加重力求出边坡内的初始应力分布，然后激活空单元，导入初始应力场，施加静力荷载和动荷载，求出在静力荷载和动荷载作用下基坑的基本受力与变形特征。

　　(2)有限元计算结果

　　对三维模型先施加静力荷载，并将其计算结果作为模型的初始应力状态;然后，在模型底部水平方向施加地震作用，研究在无支护及锚固支护条件下，静力荷载、小震作用及大震作用时，基坑的整体稳定性。边坡在各工况下位移及稳定系数计算结果如表1所示，由表1可知，采取有效锚固支护措施，边坡在静力荷载及小震作用下稳定系数较大，有一定安全富余，在大震作用下，边坡仍能满足稳定性要求。

　　2.2 深坑酒店结构受力性能分析

　　上海深坑酒店主体建筑依崖壁建造，酒店主体结构下部固接于坑底基岩上，上部铰接在坑顶混凝土梁上，两个支承点立面落差达88m，如图7所示。结构主体在水平荷载作用下表现出一端固接、一端简支梁的变形和受力特性，与常规的高层结构的受力不同^[7,8]。酒店主体结构采用带支撑的钢框架结构系统，在坑内结构由两个塔楼结构组成，防震缝位于塔楼1和塔楼2之间的地下13至地下2层中，在坑外连接成整体。因此，该结构被分为坑外部分、塔楼1和塔楼2三个部分，如图8所示。

　　  

　　表1 边坡稳定性验算结果  

　　 

　　 

　　

　　图7 上海深坑酒店结构嵌固示意  

　　 

　　

　　图8 结构分块示意图 

　　 

　　2.2.1 模态特性分析

　　采用ETABS和MIDAS Building软件对结构的模态特性进行分析，结构周期如表2所示。结构坑外部分、塔楼1和塔楼2的前两阶周期均为平动振型，第一阶振型和第三阶振型周期比分别为0.86(0.84),0.62(0.66)和0.51(0.51)，满足《建筑结构抗震设计规范》(GB 50011—2010)(简称抗震规范)要求。

　　  

　　表2 结构振动周期 

　　 

　　 

　　

　　2.2.2 多遇地震作用一致输入弹性动力时程分析

　　多遇地震作用下一致输入弹性动力时程分析时采用安评提供的坑顶N点三组地震波进行结构分析。弹性动力时程分析计算结果如表3所示，由表3可知，在三组地震波作用下，顶部和底部剪力均大于CQC法的65%，三组地震波分析所得顶部和底部剪力平均值大于CQC法的80%，均满足抗震规范要求。

　　2.2.3 罕遇地震作用多点输入弹性动力时程分析

　　主体结构为独特的上下两点支承结构体系，与通常考虑行波效应的多点输入不同，本结构的多点输入地震反应分析需要考虑幅值差，所以需要采用位移时程的多点输入^[9]。罕遇地震作用下主体结构的分析结果表明:1)罕遇地震作用下结构最大层间位移角为1/250，满足规范限值1/50的要求;2)大部分的框架柱和钢支撑都处于弹性范围内，局部框架柱和钢支撑形成一定的塑性铰，但塑性程度不高;钢框架梁基本没有形成塑性铰;3)结构体系、构件尺寸、强度设计均能满足罕遇地震作用下结构不倒塌的抗震性能目标。

　　2.3 深坑结构施工技术

　　2.3.1 混凝土向下超深输送施工技术

　　上海深坑酒店项目建造在陡峭深坑内，坑底地形复杂、高差大，因此设计将坑底基础设计为坑底回填混凝土基础，坑底先采取强度等级为C25的大体积混凝土进行找平，然后在找平大体积混凝土上施工柱承台与两层箱形基础^[10,11]。坑底大体积回填呈梯田式，标高错落复杂，共有12个不同的台阶高程，最大高差处19m。坑底大体积回填混凝土基础示意如图9所示。回填浇筑依次由低向高根据台阶高度和地形展开，由于面积较大，回填混凝土分为左右两块分别施工，每次浇筑完成一定标高以下的所有混凝土，整个浇筑过程大致分12次进行，每次浇筑高度控制在2m以内。坑底大体积回填混凝土方量达54 431m³，混凝土输送需要先在近乎直壁的边坡向下输送80m，并在坑底水平输送至约200m的范围，固定泵向下80m、坡脚约80°向下输送时，极易产生混凝土离析、堵管，且崖壁边坡断面不规则，表面为风化岩，常规汽车泵无法实现坑内混凝土输送。

　　

　　图9 坑底大体积回填混凝土基础示意 

　　 

　　为了解决坑底混凝土输入的困难，研究团队发明了一种新型的输送装置，由缓冲料口、缓冲装置和缓冲卸料口三部分组成，如图10所示。其中缓冲料口由10mm厚钢板焊接而成，上口尺寸1 200mm×1 200mm，下口尺寸200mm×200mm，高度为1 500mm，在出口设置了缓冲弹簧以减缓混凝土的初始流动速度。溜管管身共设计了3个缓冲器，相邻缓冲器间距为20m，每个缓冲器内部设置有螺旋缓冲通道。缓冲器的设置可以增加混凝土在溜管内部下降时的阻力，从而减小混凝土在溜管内部下降的速度，进而减小混凝土对溜管以及溜管底部的混凝土泵的冲击，缓冲卸料口设置了橡胶段减缓混凝土在出口的速度。

　　由于向下输入流动过程中混凝土会损失一定的坍落度和扩展度，并产生一定的离析，将影响到混凝土入模时的工作性能。通过多次试验与数据分析，输送混凝土的性能控制要求为:采用普通硅酸盐水泥，矿粉选用S95级，粉煤灰采用Ⅱ级灰，选用聚羧酸型高效减水剂，由于考虑到施工特性，要求外加剂减水率大于25%，不仅要增加混凝土拌合物的流动性，还要保持混凝土具有良好的保坍性能。黄砂选用经筛分细度模数、颗粒级配属于Ⅱ区中砂，含泥量不大于3.0%。粗骨料的性能对混凝土的性能有较大影响，故需控制颗粒级配、针片状含量等，采用5～25mm碎石，混凝土到场坍落度为(210±10) mm。

　　  

　　表3 弹性动力时程分析结果 

　　 

　　 

　　

　　图1 0 混凝土向下输送装置 

　　 

　　2.3.2 主体双曲复杂钢框架结构施工技术

　　工程主体结构为两点支承式钢框架结构体系，同时建筑双曲造型，导致结构在竖向具有一定倾斜度，最大倾角23°，酒店工程分为A区和B区，其中A区剖面为双向侧倾，B区剖面为单向侧倾，如图11所示。主体总用钢量约6 846t，最重单个构件32t，施工过程中应力和变形控制要求高，最大位移不允许超过4cm，整体施工难度大。

　　(1)施工步骤

　　根据现场施工条件，将整个施工主要分为17个施工步，各施工阶段的主要施工顺序如表4所示。

　　(2)施工过程模拟

　　本次施工模拟采用MIDAS Gen软件进行分析，在模拟过程中考虑了由结构竖向倾斜引起的P-Δ效应。构件位移变化和内力变化结果如图12,13所示，从图中可以看出，CS1～CS7为竖向桁架形成阶段，此阶段构件的内力及位移逐步增加;CS8～CS11为跨越桁架形成阶段，此阶段由于不浇筑混凝土，荷载较小，相应的内力及位移变化较小;CS12为拆除坑顶桁架临时支座，盆式支座进入工作状态，此时由于跨越桁架上方的2层钢结构构件已安装，此部分构件与坑顶地基完全刚接，并通过跨越桁架将坑顶以下的支撑框架结构完全拉住，形成整体受力结构体系;CS13～CS16为浇筑地下7层～屋面层楼板阶段;CS17为装修及使用阶段工况，此阶段由于荷载较大，内力及位移变化明显。跨越桁架最大挠度67mm，最大挠跨比1/435，满足规范要求。

　　

　　图1 1 主体双曲复杂钢框架结构示意图  

　　 

　　  

　　表4 各施工阶段的主要施工顺序  

　　 

　　 

　　

　　2.3.3 深坑内环境修复技术

　　坑内主楼建筑区崖壁进行了喷射混凝土加固，加固后的崖壁虽然保证了酒店的运营安全，但也失去了其原有的自然风貌，与周围非建筑区崖壁格格不入。由于种植崖壁位于地平线以下，其光照条件及温度、湿度等与地面以上有较大差异，需要对坑内环境做针对性检测，为后续苗木选择提供依据。

　　

　　图1 2 构件位移变化过程示意图 

　　 

　　

　　图1 3 构件内力变化过程示意图 

　　 

　　根据上海市历史气象记录，分别选择气象数据比较有代表性的7月以及11月对坑内空气质量进行检测，检测指标为:坑上与坑内的空气质量与照度、风速等参量。检测结果如表5所示。根据检测结果来看，坑内环境数据与坑上相比有明显差距的为风速，从两个月的检测数据来看，坑内平均风力随季节变化不大，基本维持在1～2m/s(风力等级为1级)。温度方面，坑内平均温度要比坑顶低1.75℃左右。二氧化碳含量坑底比坑顶略高，但差距基本可以忽略不计。坑内照度方面，朝阳的北崖壁照度与坑顶基本保持一致，南崖壁为背阳朝向，故照度较低。相对湿度坑底比坑顶略高，但差距同样不大。故对于植物选择来说，主要考虑光照以及季节交替引起的温度变化。根据深坑内环境监测数据，分别对南北两侧崖壁进行绿植选型。为了使崖壁绿化显得更突兀有致，富有立体感，拟选用4大类植物，植物高度由高到低分别为:灌木类(30～40cm)、藤本类(20～25cm)、草本类(12～25cm)、苔藓类(高度不计)。

　　  

　　表5 上海深坑酒店坑上与坑内检测结果  

　　 

　　 

　　

　　3 结论

　　(1)通过岩石动三轴试验，获得了崖壁岩体的强度、动弹模量和阻尼比，通过有限元分析可知采取有效锚固支护措施，边坡在静力荷载及小震作用下稳定系数较大，有一定安全富余，在大震作用下，边坡仍能满足稳定性要求。

　　(2)深坑酒店主体在水平荷载作用下表现出一端固接、一端简支梁的变形和受力特性，与常规的高层结构的受力不同，模态分析的结果表明结构第一阶振型和第三阶振型周期比满足规范要求，罕遇地震作用下结构最大层间位移角为1/250，满足规范限值1/50的要求。

　　(3)发明了一套混凝土超深向下输送设备，解决了5万m³的混凝土向下超深输送的困难;通过有限元软件对整体结构施工过程进行了有限元模拟，分析结果表明跨越桁架最大挠跨比1/435，满足规范要求。

　　(4)根据深坑内环境监测数据筛选出适应不同区域崖壁生存的绿植，对深坑内的环境进行了修复。