近年来, 我国在矿山地质治理项目加大了投入, 根据矿区不同的特点, 通过对废弃矿坑 (场) 的进一步开发, 开拓为考古、科学研究、文化教育、旅游等再利用的新途径, 创造了新的经济价值和社会效益, 有利于资源的节约与保护, 实现可持续发展。但在废弃矿坑 (场) 资源的综合利用方面, 还存在一定的局限性, 文化与商业元素结合尚需进一步探索。本文以长沙冰雪世界为载体, 探索百米矿坑生态修复与利用的新技术, 在景观改造设计植入文化与商业元素, 充分实现自然资源的可持续利用。

矿坑位于长沙市岳麓区坪塘镇山塘村, 原为长沙新生水泥厂, 历时50多年开采遗留下来的, 深约100m, 长440m, 宽350m, 上口面积18万m², 其平面面积约为15万m²。矿坑坑底西高东底、凹凸不平, 大致有3个标高, 最低标高为-41.000m、坑口标高为53.000m, 坑壁坡度在80°~90°。矿坑经由50多年采矿爆破, 坑壁岩体松动, 整体地形地貌无规则, 犬牙交错 (见图1) 。岩体多为贯穿性裂隙, 溶洞之间相互串联, 填充及半填充型溶洞分布密集, 见溶率达90%以上, 岩体为顺层、裂隙极其发育。

项目以原有百米矿坑为景观设计中心, 创造性地将区域内湖泊、深坑资源有机利用, 以欢乐广场、欢乐天街、欢乐丛林、欢乐水寨、和欢乐雪域五大核心项目构建出1座湘江欢乐城, 是湖南省首个世界级特大创新型综合旅游项目 (见图2) 。

欢乐水寨与欢乐雪域简称为“冰雪世界”、是湘江欢乐城最核心的工程, 它以深坑地形为依托, 打造世界唯一的冰雪与水结合的游乐项目。冰雪世界由屋顶水乐园、上区水乐园、室内雪乐园、下区水乐园、消防桥组成, 室内总建筑面积7.9万m², 总高95m。室内雪乐园和室外水乐园同为水主题, 以水的不同形态 (冰、雪、水、浪) 充分演绎水主题的无限魅力。为保留并体现原有地势地貌, 建筑设计将冰雪乐园主体建筑隐藏于地面以下, 悬浮于矿坑之上, 整体建筑形象宛若从矿坑崖壁生长出来一般, 生动流畅的线条犹如贯通崖壁的水幕, 建构出与自然遗产有机融合的人文奇观。

冰雪世界主体结构由下部混凝土墙柱支撑、中部混凝土结构平台, 上部钢结构屋盖组成。下部支撑体系由48根独立墩柱和18道剪力墙组成, 柱最大高度达到60m。中部16.000m标高平台总面积近3万m², 平台中一端有2 600m²通过环梁搭在岩壁上。主体结构施工前, 必须先对百米矿坑进行局部改造和加固处理。针对陡峭复杂岩溶地质矿坑岩壁, 项目开展了大量的研究工作:综合运用模糊数学和层次分析法构建了矿坑加固施工风险评估体系;综合运用损伤力学、有限元理论等多种数值分析方法相结合分析爆破开挖损伤范围和矿坑的稳定性;综合运用材料力学、结构力学、数值分析方法等研发适应高频超大水平推力的超高陡峭矿坑岩壁施工平台;运用多种信息技术监测深孔爆破振动波形、连岩件的应力、长锚索成孔质量以及岩溶地质长锚索成孔技术研究。

通过理论研究结合实际施工的方法成功解决了超高陡峭复杂岩溶地质矿坑岩壁加固难题, 并形成了5项关键技术。

针对本工程地质复杂, 采用了微扰动综合爆破施工方案, 即大型岩体采用深孔爆破、边坡采用预裂光面爆破、基础平台采用浅孔爆破与静态爆破组合施工, 静态爆破破碎与机械破碎结合处理环梁平台基岩面 (见图3) 。

1) 深孔控制爆破设计方案用于主爆孔, 采用垂直深孔和倾斜深孔两种钻孔形式。采用纵向台阶法, 分层 (多层) 布孔;由上至下分层、孔外逐孔接力微差、孔内分段微差, 复式非电起爆网路。

2) 预裂爆破设计方案用于边坡开挖, 预裂爆破炮孔距设计开挖边界1m布置, 炮孔倾斜角度应与设计边坡坡度一致, 炮孔底设置在同一高程上;预裂孔和主爆孔之间设1排缓冲孔;预裂爆破超前主爆炸不少于75ms。

3) 浅孔爆破设计方案用于基础平台的岩面开挖, 对于斜坡地形爆破开挖深度<3m地段及永久边坡的肩台、排水沟等, 采用浅孔控制爆破技术设计方案。

4) 静态破裂设计方案用于平台基础和边坡在先进行上台阶主爆孔、缓冲孔及预裂孔的爆破施工后, 预留1m厚度边坡保护层进行静态破裂施工。

岩壁长锚索施工平台单体搭设高度达50m, 施工水平动载大, 高频反复作用于施工平台, 对于脚手架的稳定性以及脚手架与岩壁的连接存在极大考验。通过数值模拟分析超高陡峭岩壁脚手架稳定性, 研究施工荷载作用下脚手架力学响应特点, 设计施工动荷载作用下刚性和柔性连岩件组合受力方式和最优布设方式, 形成一种高频超大水平推力组合式施工平台。

在对施工作业平台整体稳定性分析中, 充分考虑钻机水平和竖向作用于施工平台受力情况, 将高频超大水平推力组合式施工平台分解为大型脚手架平台和抵抗水平推力的连岩件两大部分。采用Midas Civil进行施工平台建模分析, 用梁单元模拟立杆、横杆、剪刀撑和斜撑, 将空间立体杆件结构简化为平面网状结构进行计, 并设计了刚性和柔性连岩件综合抵抗水平推力, 分析施工动荷载作用下超高陡峭岩壁高频超大水平推力组合式施工平台高频超大水平推力组合式施工平台脚手架和连岩件的力学行为。

本工程锚索最长达到65m, 预应力锚索采用12股15.2的1860级无粘结环氧涂层预应力钢绞线, 轴向拉力为1 000kN。在架体平台上施工、对平台振动大, 加上岩溶、裂隙、砾石等复杂地质情况, 难钻进、塌孔、卡孔、偏孔成为技术难点。

经过多次试验, 项目开发了预处理逐级跟管成孔施工技术, 具体做法如下: (1) 根据不同地质情况采用单、双液浆进行水平、竖向预注浆处理, 提前对溶洞、溶槽进行填充; (2) 采用自扶正190大直径特制钻头进行钻进, 过程中保证钻头受力平衡, 满足后续跟管钻进实施; (3) 当坍孔严重无法成孔且套管无法跟进时, 进行二次孔内注浆固结处理后继续跟管钻进。

通过研究矿坑修复的特点、以施工阶段为重点, 从安全风险管理的不同角度, 确定了6个一级风险指标, 即工程环境风险、组织与管理风险、技术风险、施工作业风险、现场管理风险、以及其他风险, 并向下细分为20个二级指标, 建立矿坑工程安全风险评估指标体系树状图。

采用专家打分法估计风险发生的可能性和产生的后果, 参照国际岩土工程师协会推荐的风险等级评定矿坑工程施工风险水平, 并提出相应的措施。风险等级一共划分为5个等级, 每个等级都有相应的数值来量化, 如表1所示。

采取打分法对矿坑修复工程施工风险事件打分, 返回并进行统计分析。确定风险因素权重, 对矿坑工程施工风险进行模糊评估。

根据最大隶属度原则, 得出安全风险评估结论:工程环境风险为四级, 工程管理风险为二级, 技术风险为二级, 施工作业风险为四级, 现场保护风险为三级, 其他因素风险为二级。针对重大风险, 制订安全风险应对办法, 编制矿坑分项工程施工安全作业指导书及施工风险处置应急方案。

1) 三维扫描成像技术利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据, 快速建立三维可视化模型, 准确掌握现场地形地貌, 解决矿坑地形复杂、坡面曲线形态极不规则难以准确绘图问题, 为深化设计提供支撑。

2) BIM技术利用三维激光扫描成果, 通过BIM技术建立了矿坑原始地貌模型;通过BIM技术建立锚杆和锚索模型, 并进行碰撞检查、生成报告;通过BIM技术进行三维定位测量, 确定锚杆锚索端部的空间坐标、便于放样;在BIM图形当中加入时间维度, 更形象进行进度管理。

3) 超前地质雷达扫描技术为较准确地预报出矿坑边坡前方不良地质情况, 在锚索施工前、采用地质雷达对岩体进行扫描探测, 为精准采取施工措施提供了依据。

4) 成孔测斜检测技术钻孔过程中、采用滑动式测斜仪进行检测, 保证成孔角度符合设计要求。最终检测数据成果以表格和图形形式输出, 指导后续施工 (见图4) 。

坑底的淤泥及边坡施工中落入坑底的渣土共约11万m³。为方便冰雪世界的基础施工, 对坑底的淤泥需要进行无害化处理, 同时为坑底基础施工提供材料堆放和加工场地。结合混凝土挡土墙将坑底进行功能分区, 将淤泥集中在坑内非施工区采用组合固化剂 (水泥、生石灰、废石膏及粉煤灰) 进行固化处理, 形成材料堆放和加工场地。固化剂的掺入比控制在10%~15%, 固化剂组分为水泥、生石灰、废石膏及粉煤灰, 其中, 水泥和生石灰起固化作用, 废石膏用作减水剂, 粉煤灰作为骨料, 各组分的配合比 (质量比) 为:4∶1∶0.4∶0.25。

1) 充分利用裂隙水在矿坑周边崖壁近渗水点附近设置集水槽和水泵平台、收集矿坑渗水, 并加压至冰雪世界地下1层水处理机房的原水池, 并经过处理后达标后用于水乐园水体工艺补水、以及水乐园能源中心的冷却塔补水。

2) 冰雪世界冷凝热回收由于雪乐园需要常年供冷, 而水乐园全年有热水需求。为此, 项目回收制冷机组冷凝热、用于加热水乐园游乐用水, 极大降低了水乐园热水负荷, 同时提高制冷机组效率, 减少冷却水消耗, 降低区域热岛强度。使冰雪世界热量基本达到平衡, 节约运行成本。

针对>60°的高陡岩石边坡, 采用植被混凝土生态护坡绿化技术。针对较缓边坡采用客土喷植法工艺复绿。在混凝土格构梁的边坡段, 在格构梁内种植灌木和藤生植物复绿。

一方面本项目总体设计时利用独特的地形高差条件, 在原坑内修建滑雪场, 即节约建设坡度结构的相关费用, 充分利了矿坑场地, 建筑物与自然遗产有机融合。

另一方面在主体建筑底部及南侧留出集中绿地和水体景观, 达到生态修复和水土保持的目的, 形成和谐整体氛围。坑底水景可实现微环境修复和水体自循环、收集雨水和降低场地径流, 创造性地将废弃场地再利用、生态修复和水体自循环技术结合起来, 充分体现基地特色和地势特点。同时充分利用陡峭岩体, 清理危石后直接作为景观体, 与建筑物共同形成生态景观。

以长沙冰雪世界为载体在工程设计、施工过程中, 项目充分探索矿坑的生态修复与利用的新技术运用, 在如下几个方面进行技术创新。

1) 以原有百米矿坑为景观设计中心, 创造性地将区域内湖泊、深坑资源与公共建设有机利用结合。

2) 对陡峭矿坑岩壁改造和加固处理, 创造性与独立墩柱和剪力墙组成建筑主体结构下部支撑体系。

3) 理论分析结施工技术改进, 形成5项关键技术解决了超高陡峭复杂岩溶地质矿坑岩壁加固问题.

4) 结合施工需求对坑底区域化分区, 将淤泥集中采用组合固化剂无害化处理并形成辅助施工平台。

废弃矿坑 (场) 地类型多样, 应根据实际情况, 有机地将生态恢复与景观工程设计相结合进行处理, 重新达到利用和变废为宝的目标。湘江欢乐城项目集工矿棚户区改造、新型城镇化生态城区建设于一体, 既是社会广泛关注的民生项目, 同时也汇聚生态修复、绿色建造、经济节能于一身, 在设计与施工过程中, 充分融入文化与商业元素, 采用生态恢复与重建的各种工程与生物措施, 实现自然资源的可持续利用, 对于废弃矿坑 (场) 综合治理有着重要借鉴意义。