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摘要： 本文通过对一五星级酒店的设计管理过程的描述和分析，深入、详细地探讨了建设在采空区上方体形复杂的高层建筑，在结构设计过程中应注意的关键点和采用的抗变形的设计计算方法及采取的抗变形的措施。积累了建设在特殊场地上的建筑物的结构设计和设计管理的经验、在保证建筑物的安全性、经济性和合理性的前提下，提高结构设计和设计管理的能力。同时，也证明了只要经过科学的分析计算，采取正确的结构措施，在采空区上方同样能建造出经济、合理、高级、复杂的建筑。
关键词：工程结构；结构设计；采空区 ； 抗变形设计；构造措施
0 引言
随着经济的飞速发展，在原采煤区遗留下的采空区上方，正进行着大量的工程建设。由于对工程的要求不断提高，规模不断增大，投资也不断地增多。如何保证建设工程的安全、经济、合理、实用，给设计人员和建设方工程师提出了新的课题和更高的要求。本公司拟在安徽省淮北市的采空区上方建设一五星级高档酒店。为保证拟建建筑满足高质量的要求，设计人员和甲方工程师，对该工程的科学设计进行了不断地探讨和分析，并找到合理科学的设计方法和构造措施。
1 拟建工程概况：
拟建酒店地上部分为主楼七层，两栋附楼各为二层、三层，主楼和附楼连为一建筑整体；地下部分为一层。建筑总高度28.45米，属二类高层。地上建筑面积共41500平方米，地下建筑面积共17000平方米。建筑总平面呈“5”字形布局，总长285米，主要进深为18米。该建筑的特点为：单体体量大、纵向长、层数变化大，建筑功能布局复杂，对建筑品质要求比较高。
2 拟建建筑的场地工程地质条件：
淮北市建筑勘察设计研究院有限公司对该工程地块做了详细岩土工程勘察。地质勘探所达深度范围内的地层分布情况如下：
① 层填土（Q4pl）：灰色，松散。主要由粘土、粘性土、粉煤灰及淤泥等组成。本层层底埋深 0.50～5.90m。
②层粉土：浅黄色，饱和，中密状态。土面粗糙无光泽，干强度低，韧性弱。本层土层底埋深1.80～7.50 m。
③粉质粘土（Q4pl）：青黄杂色，可～硬塑状态，摇振反应无，光泽反应稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含Fe、Mn质结核，含砂礓石，粒径1.00--8.00mm，该层下部含量较大，局部富集。土质较均匀。本层土层底埋深3.30～9.80 m。
④粘土（Q4pl）：棕红色，硬塑状态，摇振反应无，光泽反应有光泽，干强度高，韧性硬，土质较均匀。含砂僵石，局部富集.夹薄层粉土，浅黄色，湿，中密状态，厚0.20～0.40米。本层层底埋深17.60～23.40 m。该层分布普遍。
⑤层粉砂（Q4al）：浅黄色，饱和，中密状态，土质均匀。本层未揭穿。
3 采空区地基稳定性安全评估：
按规定，甲方邀请煤炭科学研究总院唐山研究院对该工程地质进行地基稳定性评估，并形成《评估报告》。《评估报告》主要结论如下：
1、商务酒店拟建场区内地表最大残余下沉为540mm；最大倾斜变形、最大水平拉伸变形及最大水平压缩变形均小于Ⅰ级。变形值详见附图1-1（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余下沉等值线图）；附图1-2（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余倾斜等值线图）；附图1-3（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余水平变形等值线图）。为了保证新建建筑物今后的正常安全使用，必须要对新建建（构）筑物采取能够抵抗地表相应残余变形的抗变形结构技术措施。（附图如下：）
2、拟建商务酒店建筑物的荷载影响深度（H影）不会使垮落断裂带重新移动（该区域煤层最小埋深为250m）。商务酒店主体工程一部分位于354采区上山煤柱正上方，另一部分位于老采空区上方。老采空区的活化导致变形不均匀，对建筑主体产生应力集中，在结构设计时应充分考虑，且必须对建筑物实施相应的抗变形措施并对地基进行特殊处理。
3、建议建立地表及建筑物沉降观测站，定期进行观测，以便监测采空区地表及建筑物的下沉情况，发现问题，及时处理。
4 建筑设计管理过程中的把控重点、方法和解决措施
根据采空区地质的特殊性，一般要求拟建建筑物体量小，平立面规则，有较好地抵抗变形的能力。而拟建的商务酒店，平立面布局复杂，纵向长度近300米，对建筑物的品质要求高。因此该拟建建筑的结构设计在解决地基残余变形影响问题上有很大难度。
根据《工程采空区地基稳定性评估报告》结论和拟建建筑的特点，我们在对该项目的设计管理过程中，积极与设计方沟通探讨，并多次邀请当地有关专家对桩基方案、基础方案、上部结构方案等进行评审，各方达成共识，对关键点进行重点把控，并形成可行、有效的解决方案，具体描述如下：
4.1、 桩基和基础抗变形问题的分析方法和解决措施
根据《工程采空区地基稳定性评估报告》分析，该项目最大的地表残余下沉为540mm，而最大倾斜变形、最大水平拉伸变形及最大水平压缩变形均小于Ⅰ级。所以在基础设计是考虑最大残余下沉变形影响为主，傾斜变形和水平拉伸变形为辅。从而在基础设计过程中主要采用以下分析方法：
4.1.1、根据地质情况和上部荷载情况分析，该建筑需要采用桩基基础。桩基选型上做钻孔灌注桩和预应力管桩两种桩型方案的比较。这两种桩型在当地均有广泛应用，有比较丰富的工程经验。设计方对这两种桩型的单桩竖向、水平承载力特征值，桩的水平、竖向刚度，施工可行性，桩和承台的经济性均作分析比较，并向甲方提供书面材料；
4.1.2、 在桩基设计时，根据桩的试桩曲线，引入桩的水平和竖向刚度，计算桩的受力情况；
4.1.3、结合地下室建筑功能，基础采用现浇承台+条形基础+防水板。根据沉降变形等值线图，获得各点的竖向位移场，在底板各节点输入强迫位移，考虑残余沉降对基础的影响，从而分析基础的受力情况，合理配置基础结构； 4.1.4、根据水平变形率等值线图，以结构地下室中点为不动点，推导出水平变形场，并据此给桩输入强迫水平位移，考虑水平变形对桩基和基础的影响。
4.1.5、 对结构整体模型进行计算分析；在上述分析的结果上，引进结构的重力、温度等作用，复核基础组合承载力。
通过上述方法的计算分析和经济性比较，并结合当地已建工程经验和施工经验，最终该项目的桩基采用预应力管桩，基础采用钢筋混凝土承台+钢筋混凝土条形基础+防水板。在底板、地梁、承台的配筋计算时，考虑地基残余变形的不利影响，合理提高配筋率。经验表明，选用的基础形式整体刚度大，抗变形能力强，可以较好地抵抗残余变形的不利作用。同时也控制了桩基工程和基础工程的造价，节约了成本。
4.2、上部结构的抵抗地基变形的方法和措施：
4.2.1、设置沉降缝和伸缩缝
经验表明，沉降缝是设计采空区建筑物时采用的基本措施之一，是保护采空区建筑物免受损坏、经济而有效的方法。
经过和设计方多次讨论、分析，根据建筑功能、层数、平面布局等因素，将拟建酒店分为ABC三个区块，并在区块之间及楼层高低跨间共设三条沉降缝。同时根据规范和建筑平面功能要求，另设二条伸缩缝。由此，整个建筑分成六个独立规则的区块，提高建筑物的抗变形的能力，消除平立面不规则带来的扭转偏心的不利影响。沉降缝和伸缩缝在上部建筑上采用标准图集的做法。同时考虑抗震嵌固端的要求和土体压力平衡的需求，沉降缝在地下室部分采用双墙双缝的做法。
4.2.2、上部结构的抵抗变形的设计方法和措施。
通过对建筑功能要求、层数、荷载等因素的分析，上部结构采用钢筋混凝土框架结构。经验表明，钢筋混凝土结构有较强的抵抗不均匀沉降的能力。同时，在结构计算时，将场地的最大残余变形值和转角施加到相应柱底，然后通过有限元方法计算出在附加作用下框架的内力。因为拟建建筑结构体形比较复杂，对沉降变形要求比较高，所以在考虑附加作用的同时也考虑了时间的因素，即将拟建建筑置于该场地的面位移场的相应位置，计算出框架柱下在某一时刻的附加位移。通过这种抗采动设计，可以比较科学清晰地分析复杂建筑的受力状况，从而可以经济合理地做框架结构设计、合理准确地配置钢筋，避免了不必要的浪费。
在框架设计时还应注意以下几点：
（1）、框架结构平面、立面布置應尽可能的规则，单跨跨度不宜太大；
（2）、严格把握抗震设计准则：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则，从概念设计上考虑采动影响与地震作用的耦合；
（3）、对于框架节点，考虑塑性铰的转动能力，以加强框架结构的“柔性”；
（4）、楼板应采用现浇楼板；
（5）尽量不设或者少设置悬挑结构；
4.2.3、采取有效的抗变形构造措施
地基的残余变形会使建筑物的墙体出现开裂，裂缝特别容易出现在门窗洞口等薄弱部位。所以需要在填充墙、门窗洞口等部位采取抵抗变形的措施。比如：墙和柱梁连接处设拉结筋、布钢丝网片；长度或高度大于4米的墙，在墙中设构造柱或水平拉梁；窗洞口处设钢筋混凝土框，并和主体有可靠的连接等等。以上措施在工程应用中，均能很好地预防墙体开裂和门窗洞口的裂缝，提高建筑物的使用品质。
4.3、建立地表及建筑物沉降观测站，定期进行观测
在工程建设过程中及工程完工后，都要建立完善的观测制度和观测方法，并由专人定期进行工作，客观准确地记录采空区地表及建筑物的下沉情况，如发现问题，应及时采取措施。
5 结语
随着科技的发展和城市化的进程，会有越来越多的建设活动在特殊地质上进行。通过在设计阶段对特殊地质条件不利影响的充分考虑，经过科学的计算分析，并采取正确、可行的措施，同样能保证该建筑的安全性、及后期的正常使用，同时控制建设成本，避免无谓地增加造价。而作为一名工程师，通过对该工程设计的管理，积累了一定的采空区工程的设计经验，总结把控方法和要点，提高了设计管理的综合能力。
参考文献
【1】《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）【Z】北京： 中国建筑工业出版社，2010
【2】《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）【Z】北京： 中国建筑工业出版社，2008
【3】范云侠，桑卫东.采空区对地表建筑物的影响分析及防治对策研究【J】。平顶山工学院学报，2008（9）：63-65
【4】段敬民.采空区工程结构抗才动设计理论及加固新技术【M】.江苏：中国矿业大学出版社，2008：31-46
【5】田奎生 王艳霞.河南省煤矿采空区塌陷灾害治理方法研究【M】.郑州：黄河水利出版社，2010 ：160-166
关键词：工程结构；结构设计；采空区 ； 抗变形设计；构造措施
0 引言
随着经济的飞速发展，在原采煤区遗留下的采空区上方，正进行着大量的工程建设。由于对工程的要求不断提高，规模不断增大，投资也不断地增多。如何保证建设工程的安全、经济、合理、实用，给设计人员和建设方工程师提出了新的课题和更高的要求。本公司拟在安徽省淮北市的采空区上方建设一五星级高档酒店。为保证拟建建筑满足高质量的要求，设计人员和甲方工程师，对该工程的科学设计进行了不断地探讨和分析，并找到合理科学的设计方法和构造措施。
1 拟建工程概况：
拟建酒店地上部分为主楼七层，两栋附楼各为二层、三层，主楼和附楼连为一建筑整体；地下部分为一层。建筑总高度28.45米，属二类高层。地上建筑面积共41500平方米，地下建筑面积共17000平方米。建筑总平面呈“5”字形布局，总长285米，主要进深为18米。该建筑的特点为：单体体量大、纵向长、层数变化大，建筑功能布局复杂，对建筑品质要求比较高。
2 拟建建筑的场地工程地质条件：
淮北市建筑勘察设计研究院有限公司对该工程地块做了详细岩土工程勘察。地质勘探所达深度范围内的地层分布情况如下：
① 层填土（Q4pl）：灰色，松散。主要由粘土、粘性土、粉煤灰及淤泥等组成。本层层底埋深 0.50～5.90m。
②层粉土：浅黄色，饱和，中密状态。土面粗糙无光泽，干强度低，韧性弱。本层土层底埋深1.80～7.50 m。
③粉质粘土（Q4pl）：青黄杂色，可～硬塑状态，摇振反应无，光泽反应稍有光泽，干强度中等，韧性中等，含Fe、Mn质结核，含砂礓石，粒径1.00--8.00mm，该层下部含量较大，局部富集。土质较均匀。本层土层底埋深3.30～9.80 m。
④粘土（Q4pl）：棕红色，硬塑状态，摇振反应无，光泽反应有光泽，干强度高，韧性硬，土质较均匀。含砂僵石，局部富集.夹薄层粉土，浅黄色，湿，中密状态，厚0.20～0.40米。本层层底埋深17.60～23.40 m。该层分布普遍。
⑤层粉砂（Q4al）：浅黄色，饱和，中密状态，土质均匀。本层未揭穿。
3 采空区地基稳定性安全评估：
按规定，甲方邀请煤炭科学研究总院唐山研究院对该工程地质进行地基稳定性评估，并形成《评估报告》。《评估报告》主要结论如下：
1、商务酒店拟建场区内地表最大残余下沉为540mm；最大倾斜变形、最大水平拉伸变形及最大水平压缩变形均小于Ⅰ级。变形值详见附图1-1（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余下沉等值线图）；附图1-2（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余倾斜等值线图）；附图1-3（商务酒店区域煤层工作面开采结束后残余水平变形等值线图）。为了保证新建建筑物今后的正常安全使用，必须要对新建建（构）筑物采取能够抵抗地表相应残余变形的抗变形结构技术措施。（附图如下：）
2、拟建商务酒店建筑物的荷载影响深度（H影）不会使垮落断裂带重新移动（该区域煤层最小埋深为250m）。商务酒店主体工程一部分位于354采区上山煤柱正上方，另一部分位于老采空区上方。老采空区的活化导致变形不均匀，对建筑主体产生应力集中，在结构设计时应充分考虑，且必须对建筑物实施相应的抗变形措施并对地基进行特殊处理。
3、建议建立地表及建筑物沉降观测站，定期进行观测，以便监测采空区地表及建筑物的下沉情况，发现问题，及时处理。
4 建筑设计管理过程中的把控重点、方法和解决措施
根据采空区地质的特殊性，一般要求拟建建筑物体量小，平立面规则，有较好地抵抗变形的能力。而拟建的商务酒店，平立面布局复杂，纵向长度近300米，对建筑物的品质要求高。因此该拟建建筑的结构设计在解决地基残余变形影响问题上有很大难度。
根据《工程采空区地基稳定性评估报告》结论和拟建建筑的特点，我们在对该项目的设计管理过程中，积极与设计方沟通探讨，并多次邀请当地有关专家对桩基方案、基础方案、上部结构方案等进行评审，各方达成共识，对关键点进行重点把控，并形成可行、有效的解决方案，具体描述如下：
4.1、 桩基和基础抗变形问题的分析方法和解决措施
根据《工程采空区地基稳定性评估报告》分析，该项目最大的地表残余下沉为540mm，而最大倾斜变形、最大水平拉伸变形及最大水平压缩变形均小于Ⅰ级。所以在基础设计是考虑最大残余下沉变形影响为主，傾斜变形和水平拉伸变形为辅。从而在基础设计过程中主要采用以下分析方法：
4.1.1、根据地质情况和上部荷载情况分析，该建筑需要采用桩基基础。桩基选型上做钻孔灌注桩和预应力管桩两种桩型方案的比较。这两种桩型在当地均有广泛应用，有比较丰富的工程经验。设计方对这两种桩型的单桩竖向、水平承载力特征值，桩的水平、竖向刚度，施工可行性，桩和承台的经济性均作分析比较，并向甲方提供书面材料；
4.1.2、 在桩基设计时，根据桩的试桩曲线，引入桩的水平和竖向刚度，计算桩的受力情况；
4.1.3、结合地下室建筑功能，基础采用现浇承台+条形基础+防水板。根据沉降变形等值线图，获得各点的竖向位移场，在底板各节点输入强迫位移，考虑残余沉降对基础的影响，从而分析基础的受力情况，合理配置基础结构； 4.1.4、根据水平变形率等值线图，以结构地下室中点为不动点，推导出水平变形场，并据此给桩输入强迫水平位移，考虑水平变形对桩基和基础的影响。
4.1.5、 对结构整体模型进行计算分析；在上述分析的结果上，引进结构的重力、温度等作用，复核基础组合承载力。
通过上述方法的计算分析和经济性比较，并结合当地已建工程经验和施工经验，最终该项目的桩基采用预应力管桩，基础采用钢筋混凝土承台+钢筋混凝土条形基础+防水板。在底板、地梁、承台的配筋计算时，考虑地基残余变形的不利影响，合理提高配筋率。经验表明，选用的基础形式整体刚度大，抗变形能力强，可以较好地抵抗残余变形的不利作用。同时也控制了桩基工程和基础工程的造价，节约了成本。
4.2、上部结构的抵抗地基变形的方法和措施：
4.2.1、设置沉降缝和伸缩缝
经验表明，沉降缝是设计采空区建筑物时采用的基本措施之一，是保护采空区建筑物免受损坏、经济而有效的方法。
经过和设计方多次讨论、分析，根据建筑功能、层数、平面布局等因素，将拟建酒店分为ABC三个区块，并在区块之间及楼层高低跨间共设三条沉降缝。同时根据规范和建筑平面功能要求，另设二条伸缩缝。由此，整个建筑分成六个独立规则的区块，提高建筑物的抗变形的能力，消除平立面不规则带来的扭转偏心的不利影响。沉降缝和伸缩缝在上部建筑上采用标准图集的做法。同时考虑抗震嵌固端的要求和土体压力平衡的需求，沉降缝在地下室部分采用双墙双缝的做法。
4.2.2、上部结构的抵抗变形的设计方法和措施。
通过对建筑功能要求、层数、荷载等因素的分析，上部结构采用钢筋混凝土框架结构。经验表明，钢筋混凝土结构有较强的抵抗不均匀沉降的能力。同时，在结构计算时，将场地的最大残余变形值和转角施加到相应柱底，然后通过有限元方法计算出在附加作用下框架的内力。因为拟建建筑结构体形比较复杂，对沉降变形要求比较高，所以在考虑附加作用的同时也考虑了时间的因素，即将拟建建筑置于该场地的面位移场的相应位置，计算出框架柱下在某一时刻的附加位移。通过这种抗采动设计，可以比较科学清晰地分析复杂建筑的受力状况，从而可以经济合理地做框架结构设计、合理准确地配置钢筋，避免了不必要的浪费。
在框架设计时还应注意以下几点：
（1）、框架结构平面、立面布置應尽可能的规则，单跨跨度不宜太大；
（2）、严格把握抗震设计准则：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件的原则，从概念设计上考虑采动影响与地震作用的耦合；
（3）、对于框架节点，考虑塑性铰的转动能力，以加强框架结构的“柔性”；
（4）、楼板应采用现浇楼板；
（5）尽量不设或者少设置悬挑结构；
4.2.3、采取有效的抗变形构造措施
地基的残余变形会使建筑物的墙体出现开裂，裂缝特别容易出现在门窗洞口等薄弱部位。所以需要在填充墙、门窗洞口等部位采取抵抗变形的措施。比如：墙和柱梁连接处设拉结筋、布钢丝网片；长度或高度大于4米的墙，在墙中设构造柱或水平拉梁；窗洞口处设钢筋混凝土框，并和主体有可靠的连接等等。以上措施在工程应用中，均能很好地预防墙体开裂和门窗洞口的裂缝，提高建筑物的使用品质。
4.3、建立地表及建筑物沉降观测站，定期进行观测
在工程建设过程中及工程完工后，都要建立完善的观测制度和观测方法，并由专人定期进行工作，客观准确地记录采空区地表及建筑物的下沉情况，如发现问题，应及时采取措施。
5 结语
随着科技的发展和城市化的进程，会有越来越多的建设活动在特殊地质上进行。通过在设计阶段对特殊地质条件不利影响的充分考虑，经过科学的计算分析，并采取正确、可行的措施，同样能保证该建筑的安全性、及后期的正常使用，同时控制建设成本，避免无谓地增加造价。而作为一名工程师，通过对该工程设计的管理，积累了一定的采空区工程的设计经验，总结把控方法和要点，提高了设计管理的综合能力。
参考文献
【1】《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）【Z】北京： 中国建筑工业出版社，2010
【2】《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）【Z】北京： 中国建筑工业出版社，2008
【3】范云侠，桑卫东.采空区对地表建筑物的影响分析及防治对策研究【J】。平顶山工学院学报，2008（9）：63-65
【4】段敬民.采空区工程结构抗才动设计理论及加固新技术【M】.江苏：中国矿业大学出版社，2008：31-46
【5】田奎生 王艳霞.河南省煤矿采空区塌陷灾害治理方法研究【M】.郑州：黄河水利出版社，2010 ：160-166