采空區上復雜建筑的抗變形設計

摘要： 本文通過對一五星級酒店的設計管理過程的描述和分析，深入、詳細地探討了建設在采空區上方體形復雜的高層建筑，在結構設計過程中應注意的關鍵點和采用的抗變形的設計計算方法及采取的抗變形的措施。積累了建設在特殊場地上的建筑物的結構設計和設計管理的經驗、在保證建筑物的安全性、經濟性和合理性的前提下，提高結構設計和設計管理的能力。同時，也證明了只要經過科學的分析計算，采取正確的結構措施，在采空區上方同樣能建造出經濟、合理、高級、復雜的建筑。

關鍵詞：工程結構；結構設計；采空區 ； 抗變形設計；構造措施

0 引言

隨著經濟的飛速發展，在原采煤區遺留下的采空區上方，正進行著大量的工程建設。由于對工程的要求不斷提高，規模不斷增大，投資也不斷地增多。如何保證建設工程的安全、經濟、合理、實用，給設計人員和建設方工程師提出了新的課題和更高的要求。本公司擬在安徽省淮北市的采空區上方建設一五星級高檔酒店。為保證擬建建筑滿足高質量的要求，設計人員和甲方工程師，對該工程的科學設計進行了不斷地探討和分析，并找到合理科學的設計方法和構造措施。

1 擬建工程概況：

擬建酒店地上部分為主樓七層，兩棟附樓各為二層、三層，主樓和附樓連為一建筑整體；地下部分為一層。建筑總高度28.45米，屬二類高層。地上建筑面積共41500平方米，地下建筑面積共17000平方米。建筑總平面呈“5”字形布局，總長285米，主要進深為18米。該建筑的特點為：單體體量大、縱向長、層數變化大，建筑功能布局復雜，對建筑品質要求比較高。

2 擬建建筑的場地工程地質條件：

淮北市建筑勘察設計研究院有限公司對該工程地塊做了詳細巖土工程勘察。地質勘探所達深度范圍內的地層分布情況如下：

① 層填土（Q4pl）：灰色，松散。主要由粘土、粘性土、粉煤灰及淤泥等組成。本層層底埋深 0.50～5.90m。

②層粉土：淺黃色，飽和，中密狀態。土面粗糙無光澤，干強度低，韌性弱。本層土層底埋深1.80～7.50 m。

③粉質粘土（Q4pl）：青黃雜色，可～硬塑狀態，搖振反應無，光澤反應稍有光澤，干強度中等，韌性中等，含Fe、Mn質結核，含砂礓石，粒徑1.00--8.00mm，該層下部含量較大，局部富集。土質較均勻。本層土層底埋深3.30～9.80 m。

④粘土（Q4pl）：棕紅色，硬塑狀態，搖振反應無，光澤反應有光澤，干強度高，韌性硬，土質較均勻。含砂僵石，局部富集.夾薄層粉土，淺黃色，濕，中密狀態，厚0.20～0.40米。本層層底埋深17.60～23.40 m。該層分布普遍。

⑤層粉砂（Q4al）：淺黃色，飽和，中密狀態，土質均勻。本層未揭穿。

3 采空區地基穩定性安全評估：

按規定，甲方邀請煤炭科學研究總院唐山研究院對該工程地質進行地基穩定性評估，并形成《評估報告》。《評估報告》主要結論如下：

1、商務酒店擬建場區內地表最大殘余下沉為540mm；最大傾斜變形、最大水平拉伸變形及最大水平壓縮變形均小于Ⅰ級。變形值詳見附圖1-1（商務酒店區域煤層工作面開采結束后殘余下沉等值線圖）；附圖1-2（商務酒店區域煤層工作面開采結束后殘余傾斜等值線圖）；附圖1-3（商務酒店區域煤層工作面開采結束后殘余水平變形等值線圖）。為了保證新建建筑物今后的正常安全使用，必須要對新建建（構）筑物采取能夠抵抗地表相應殘余變形的抗變形結構技術措施。（附圖如下：）

2、擬建商務酒店建筑物的荷載影響深度（H影）不會使垮落斷裂帶重新移動（該區域煤層最小埋深為250m）。商務酒店主體工程一部分位于354采區上山煤柱正上方，另一部分位于老采空區上方。老采空區的活化導致變形不均勻，對建筑主體產生應力集中，在結構設計時應充分考慮，且必須對建筑物實施相應的抗變形措施并對地基進行特殊處理。

3、建議建立地表及建筑物沉降觀測站，定期進行觀測，以便監測采空區地表及建筑物的下沉情況，發現問題，及時處理。

4 建筑設計管理過程中的把控重點、方法和解決措施

根據采空區地質的特殊性，一般要求擬建建筑物體量小，平立面規則，有較好地抵抗變形的能力。而擬建的商務酒店，平立面布局復雜，縱向長度近300米，對建筑物的品質要求高。因此該擬建建筑的結構設計在解決地基殘余變形影響問題上有很大難度。

根據《工程采空區地基穩定性評估報告》結論和擬建建筑的特點，我們在對該項目的設計管理過程中，積極與設計方溝通探討，并多次邀請當地有關專家對樁基方案、基礎方案、上部結構方案等進行評審，各方達成共識，對關鍵點進行重點把控，并形成可行、有效的解決方案，具體描述如下：

4.1、 樁基和基礎抗變形問題的分析方法和解決措施

根據《工程采空區地基穩定性評估報告》分析，該項目最大的地表殘余下沉為540mm，而最大傾斜變形、最大水平拉伸變形及最大水平壓縮變形均小于Ⅰ級。所以在基礎設計是考慮最大殘余下沉變形影響為主，傾斜變形和水平拉伸變形為輔。從而在基礎設計過程中主要采用以下分析方法：

4.1.1、根據地質情況和上部荷載情況分析，該建筑需要采用樁基基礎。樁基選型上做鉆孔灌注樁和預應力管樁兩種樁型方案的比較。這兩種樁型在當地均有廣泛應用，有比較豐富的工程經驗。設計方對這兩種樁型的單樁豎向、水平承載力特征值，樁的水平、豎向剛度，施工可行性，樁和承臺的經濟性均作分析比較，并向甲方提供書面材料；

4.1.2、 在樁基設計時，根據樁的試樁曲線，引入樁的水平和豎向剛度，計算樁的受力情況；

4.1.3、結合地下室建筑功能，基礎采用現澆承臺+條形基礎+防水板。根據沉降變形等值線圖，獲得各點的豎向位移場，在底板各節點輸入強迫位移，考慮殘余沉降對基礎的影響，從而分析基礎的受力情況，合理配置基礎結構；

4.1.4、根據水平變形率等值線圖，以結構地下室中點為不動點，推導出水平變形場，并據此給樁輸入強迫水平位移，考慮水平變形對樁基和基礎的影響。

4.1.5、 對結構整體模型進行計算分析；在上述分析的結果上，引進結構的重力、溫度等作用，復核基礎組合承載力。

通過上述方法的計算分析和經濟性比較，并結合當地已建工程經驗和施工經驗，最終該項目的樁基采用預應力管樁，基礎采用鋼筋混凝土承臺+鋼筋混凝土條形基礎+防水板。在底板、地梁、承臺的配筋計算時，考慮地基殘余變形的不利影響，合理提高配筋率。經驗表明，選用的基礎形式整體剛度大，抗變形能力強，可以較好地抵抗殘余變形的不利作用。同時也控制了樁基工程和基礎工程的造價，節約了成本。

4.2、上部結構的抵抗地基變形的方法和措施：

4.2.1、設置沉降縫和伸縮縫

經驗表明，沉降縫是設計采空區建筑物時采用的基本措施之一，是保護采空區建筑物免受損壞、經濟而有效的方法。

經過和設計方多次討論、分析，根據建筑功能、層數、平面布局等因素，將擬建酒店分為ABC三個區塊，并在區塊之間及樓層高低跨間共設三條沉降縫。同時根據規范和建筑平面功能要求，另設二條伸縮縫。由此，整個建筑分成六個獨立規則的區塊，提高建筑物的抗變形的能力，消除平立面不規則帶來的扭轉偏心的不利影響。沉降縫和伸縮縫在上部建筑上采用標準圖集的做法。同時考慮抗震嵌固端的要求和土體壓力平衡的需求，沉降縫在地下室部分采用雙墻雙縫的做法。

4.2.2、上部結構的抵抗變形的設計方法和措施。

通過對建筑功能要求、層數、荷載等因素的分析，上部結構采用鋼筋混凝土框架結構。經驗表明，鋼筋混凝土結構有較強的抵抗不均勻沉降的能力。同時，在結構計算時，將場地的最大殘余變形值和轉角施加到相應柱底，然后通過有限元方法計算出在附加作用下框架的內力。因為擬建建筑結構體形比較復雜，對沉降變形要求比較高，所以在考慮附加作用的同時也考慮了時間的因素，即將擬建建筑置于該場地的面位移場的相應位置，計算出框架柱下在某一時刻的附加位移。通過這種抗采動設計，可以比較科學清晰地分析復雜建筑的受力狀況，從而可以經濟合理地做框架結構設計、合理準確地配置鋼筋，避免了不必要的浪費。

在框架設計時還應注意以下幾點：

（1）、框架結構平面、立面布置應盡可能的規則，單跨跨度不宜太大；

（2）、嚴格把握抗震設計準則：強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件的原則，從概念設計上考慮采動影響與地震作用的耦合；

（3）、對于框架節點，考慮塑性鉸的轉動能力，以加強框架結構的“柔性”；

（4）、樓板應采用現澆樓板；

（5）盡量不設或者少設置懸挑結構；

4.2.3、采取有效的抗變形構造措施

地基的殘余變形會使建筑物的墻體出現開裂，裂縫特別容易出現在門窗洞口等薄弱部位。所以需要在填充墻、門窗洞口等部位采取抵抗變形的措施。比如：墻和柱梁連接處設拉結筋、布鋼絲網片；長度或高度大于4米的墻，在墻中設構造柱或水平拉梁；窗洞口處設鋼筋混凝土框，并和主體有可靠的連接等等。以上措施在工程應用中，均能很好地預防墻體開裂和門窗洞口的裂縫，提高建筑物的使用品質。

4.3、建立地表及建筑物沉降觀測站，定期進行觀測

在工程建設過程中及工程完工后，都要建立完善的觀測制度和觀測方法，并由專人定期進行工作，客觀準確地記錄采空區地表及建筑物的下沉情況，如發現問題，應及時采取措施。

5 結語

隨著科技的發展和城市化的進程，會有越來越多的建設活動在特殊地質上進行。通過在設計階段對特殊地質條件不利影響的充分考慮，經過科學的計算分析，并采取正確、可行的措施，同樣能保證該建筑的安全性、及后期的正常使用，同時控制建設成本，避免無謂地增加造價。而作為一名工程師，通過對該工程設計的管理，積累了一定的采空區工程的設計經驗，總結把控方法和要點，提高了設計管理的綜合能力。

參考文獻

【1】《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）【Z】北京： 中國建筑工業出版社，2010

【2】《建筑樁基技術規范》（JGJ94-2008）【Z】北京： 中國建筑工業出版社，2008

【3】范云俠，桑衛東.采空區對地表建筑物的影響分析及防治對策研究【J】。平頂山工學院學報，2008（9）：63-65

【4】段敬民.采空區工程結構抗才動設計理論及加固新技術【M】.江蘇：中國礦業大學出版社，2008：31-46

【5】田奎生 王艷霞.河南省煤礦采空區塌陷災害治理方法研究【M】.鄭州：黃河水利出版社，2010 ：160-166