王子寬

(河南安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責任公司)

·采礦工程·

淺埋暗挖法在鐵山鐵礦地采工程施工中的應用

王子寬

(河南安鋼集團舞陽礦業(yè)有限責任公司)

為確保鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下斜坡道施工安全以及提高工程施工進度，詳細分析了淺埋暗挖法在該礦斜坡道施工中的應用成果。通過設計合理的巷道斷面，進行科學的支護結(jié)構(gòu)設計，選擇優(yōu)化的支護參數(shù)，采用正確的開挖方法施工，設計了受力合理、技術經(jīng)濟且安全可靠的曲墻式巷道斷面和噴網(wǎng)、網(wǎng)構(gòu)、鋼拱架、鎖腳錨桿等4類復合支撐體系。應用主動式一次性永久支護取代被動式二次模筑襯砌，取得了含水軟弱破碎地層巷道施工技術的重大突破，可供類似礦山參考。

淺埋暗挖法 地采工程 露天轉(zhuǎn)地下 斜坡道 軟弱破碎地層 巷道施工 復合支撐體系

斜坡道工程是鐵山鐵礦地采工程的重要前期基礎工程[1]。由于巷道需穿越軟弱破碎含水的軟塑性黏土地層和強烈風化巖層約400 m以上，且穿脈穿越礦區(qū)公路，施工初期采用傳統(tǒng)的礦山巷道設計及施工方法，遇到掌子面嚴重塌方，進展極為緩慢，已施工巷道也出現(xiàn)了支護開裂等現(xiàn)象，嚴重威脅了斜坡道工程的施工安全和工程進度。為此，采用淺埋暗挖技術進行斜坡道工程施工，為有效解決斜坡道工程在地表軟弱破碎地段的施工難題提供參考。

1 工程概況及存在的問題

1.1 工程概況

目前，鐵山鐵礦古坑露天采場開采接近結(jié)束，自2008年開始著手進行露天轉(zhuǎn)地下開采工程施工，設計生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)鐵礦石400萬t，設計主要工程有主井、西混合井、東副井、斜坡道、西風井和東風井。斜坡道工程擔負著礦山井下無軌設備出入及部分人員、材料運輸任務，且為新鮮風流進入井下的通道之一；斜坡道形式采用折返式，全長3 815 m，轉(zhuǎn)彎半徑20 m，主干線坡度17%，彎道段、緩坡段及分段平巷聯(lián)結(jié)坡度5%，平均坡度約15%。原設計斷面采用直墻曲拱形式，按行車速度10～20 km/h進行設計計算，斜坡道凈斷面尺寸5.0 m×3.8 m(寬×高)。原設計在斜坡道掘進過程中根據(jù)巖石狀況，分別采用如下支護形式：①不支護；②噴射混凝土支護，支護厚度50 mm；③砌筑混凝土支護，支護厚度200 mm；④洞口段采用鋼筋混凝土支護，支護厚度300 mm。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

礦區(qū)內(nèi)地層主要為第四系洪積物及太古界條帶混合巖、長英均質(zhì)混合巖等巖層。根據(jù)地質(zhì)作用及風化程度可分為2類：①強風化綠泥石化角閃斜長片麻巖；②角礫巖化高嶺土化角閃斜長片麻巖。區(qū)內(nèi)巖石節(jié)理發(fā)育，鉆探深度內(nèi)巖層的擠壓破碎帶較嚴重，有約63 m厚的第四系土層及強烈風化帶，并有強弱不同程度的熱液蝕變和綠泥石化、高嶺土化現(xiàn)象，是巖體中最不穩(wěn)定的軟弱層帶。區(qū)內(nèi)地下水主要受大氣降水的滲透補給，經(jīng)地下徑流在臨近礦坑中排出。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋層和淺部巖體受風化作用的影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，地下水主要賦存于微透水的條帶混合巖體中，主要為基巖裂隙水，受大氣降雨和季節(jié)性補給的影響較大。

1.3 存在問題

斜坡道工程是鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下開采的重要工程，建成后將承擔地下大型設備進出和局部出礦的任務。工程施工跨度6 m，錯車道部分的跨度達12 m，工期計劃2 a零8個月。由于跨度大，巖石結(jié)構(gòu)松軟，施工過程中存在的問題及面臨的困難有：①工作面出現(xiàn)大量塌方，隨掘隨塌，嚴重威脅施工設備及人身安全，尤其隨著隧道的加深，地下水的涌出量增加，地層的軟弱破碎狀況更為惡化，施工安全遇到前所未有的挑戰(zhàn)，其中一段巷道施工過程中塌方還波及至地表，使得地表形成一個大沉降坑；②由于施工困難，進度緩慢，無法爆破，無法使用機械設備，基本靠人工掘進，施工1 a，加上地表明挖段，僅掘進了180 m，每月掘進量最多15 m，最少僅8 m，嚴重影響了施工進度；③施工成本大幅增加，破碎地段施工前期采用鋼軌斜插支護，再進行二次模筑，使得材料消耗大，施工成本較高(6～7萬元/m)；④已施工的巷道隨著時間的推移出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象；⑤隧道應在埋深淺的條件下穿越礦區(qū)主干公路和河道。

2 淺埋暗挖法施工技術及其應用

2.1 淺埋暗挖法原理

淺埋暗挖法的特點是沿用新奧法的基本原理，建立量測信息反饋設計和施工程序，采用先柔后剛復合式襯砌新型支護結(jié)構(gòu)體系，考慮初次支護承擔全部基本荷載，二次模筑襯砌作為安全儲備，初次支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載[2-6]。該方法在施工中充分利用圍巖的自承能力，采用不同的開挖方法及時支護、封閉成環(huán)，使支護體與圍巖共同作用形成聯(lián)合體系。

2.2 施工過程

2.2.1 斷面形狀設計

巖層風化帶屬軟弱地層，地質(zhì)條件差，圍巖自穩(wěn)性差。為提高圍巖結(jié)構(gòu)強度，將直墻式結(jié)構(gòu)斷面改為曲墻式結(jié)構(gòu)斷面，曲線盡可能圓順，減少應力集中點，斷面兩側(cè)擴展尺寸計算公式為

式中，h為由直墻邊變?yōu)榍鷫叺淖畲笫父?，m；H為開挖斷面高度，m；d為由直底邊變?yōu)榍走叺淖畲笫父?，m；L為開挖斷面寬度，m。

2.2.2 巷道支護設計

在強度較低、節(jié)理發(fā)育的巖層風化帶施工，極易發(fā)生巖體塌方，圍巖往往產(chǎn)生較大的變位量，支護結(jié)構(gòu)被壓縮彎曲而對圍巖壁面施加徑向約束壓力，需要支護體系提供支護抗力。為此，將原模筑襯砌結(jié)構(gòu)修改為噴網(wǎng)鋼拱架結(jié)構(gòu)，形成了混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護體系(圖1)。該支護體系的優(yōu)點：①支護施工及時；②斷面封閉快；③有利于充分發(fā)揮圍巖的自承載能力，確保工作面穩(wěn)定。

圖1 混凝土、鋼拱架和鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護體系

2.2.3 支護設計參數(shù)

2.2.3.1 網(wǎng)構(gòu)拱架

為提高支護結(jié)構(gòu)對圍巖施加的支承力，采用鋼拱架加強支護結(jié)構(gòu)的剛度。鋼拱架的設計要求：①鋼拱架須有一定的剛度、強度和穩(wěn)定性，確保噴射混凝土在早期無承載能力時可承擔圍巖的部分荷載；②限制圍巖產(chǎn)生較大變形，但應確保支護結(jié)構(gòu)具有一定的柔性。針對斜井的實際情況，選擇了一種新型支護拱架——網(wǎng)構(gòu)鋼拱架(圖2)。

2.2.3.2 鋼筋網(wǎng)

為提高聯(lián)合支護體的強度，在鋼拱架之間鋪設鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)用φ22 mm圓鋼筋電焊加工成100

圖2 新型支護拱架—網(wǎng)構(gòu)鋼拱架結(jié)構(gòu)(單位：mm)

mm×100 mm的片狀網(wǎng)格，鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為1 000 mm×2 000 mm，見圖3。

圖3 鋼筋網(wǎng)設計(單位：mm)

2.2.3.3 鎖腳導管

為確保初期支護和落地開挖加格柵時鋼拱架的穩(wěn)定性，分別在兩側(cè)設計了上部和下部2根鎖腳導管，導管φ42 mm，壁厚3.5 mm，長2 m，向下30°安裝(圖4)，鎖腳導管和網(wǎng)構(gòu)架用電焊焊牢。

2.2.3.4 噴射混凝土工藝

噴射混凝土可分為初噴和復噴2個環(huán)節(jié)。為充分發(fā)揮圍巖承載力，應及時進行初噴混凝土，再復噴至設計厚度。初噴和復噴均采用潮噴法，噴射混凝土強度為C20，采用強式攪拌機拌和。噴射水灰比0.4～0.45。

圖4 鎖腳導管設計

噴射工藝要求粉塵回彈最小，噴射混凝土應密實、飽滿、表面平順，其強度應達到C20設計要求。骨料最大粒徑宜小于15 mm，砂率宜為70%～80%，施工要點：①噴射混凝土厚度31 cm；②速凝劑的摻量應通過試驗確定，應進行水泥和速凝劑匹配試驗，混凝土的初凝時間不超過5 min，終凝時間不超過10 min；③混合料應隨拌隨用，不摻速凝劑的混合料存放時間不應超過2 h，摻速凝劑的混合料存放時間不應超過20 min；④混合料應采用強制式攪拌機攪拌，攪拌時間不宜少于1 min。

2.2.4 開挖方法

為有效控制圍巖松弛及由此引起的洞頂塌落、拱頂下沉，采用留核心土正臺階開挖法，上臺階長度定為洞徑的1倍，即6～10 m，視地層優(yōu)劣決定是否設超前小導管，施工流程見圖5。主要施工順序：①環(huán)形開挖留核心土；②初噴混凝土；③施工拱頂支護；④臺階向下開挖；⑤由上至下施工邊墻支護；⑥施工仰拱封閉成環(huán)。

圖5 正臺階開挖法施工流程

2.3 應用效果

(1)工期快，剔除施工準備時間，僅用了3個月便完成工程進度220 m，順利通過了地表含水軟弱破碎帶，最快進尺達80 m/月，而傳統(tǒng)施工法最大進尺僅15 m/月。

(2)施工安全，實行環(huán)形開挖，快速施工，快速封閉，對巷道圍巖影響小，基本保持了巷道圍巖原始狀態(tài)，充分利用了圍巖自身的支撐能力。分臺階施工、預留中央核心土，使巷道在施工過程中暴露面積小，并對巷道正面起到支撐防護作用，降低了圍巖冒頂、片幫的可能，作業(yè)環(huán)境的安全性大大提高，也為加快施工創(chuàng)造了條件。

(3)材料消耗少，成本低，相比傳統(tǒng)施工法，每米巷道降低材料費用約1萬元，巷道每米造價由6～7萬元降低至3.5萬元以下。

(4)淺埋暗挖法施工工藝相對簡單，按工序一次成巷，施工速度快，無維護工作量，不反復。

(5)斜坡道施工快速通過了礦區(qū)主干公路，地表無沉降，對地表及周圍建筑物無影響。

3 結(jié) 語

針對鐵山鐵礦露天轉(zhuǎn)地下斜坡道施工中存在的問題，引入了淺埋暗挖法施工技術，對該技術的關鍵施工環(huán)節(jié)以及實際應用效果進行了詳細分析，為類似礦山工程施工提供參考。

[1] 李公堂.舞陽鐵山礦區(qū)階段礦房嗣后充填采礦法的應用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(11)：41-42.

[2] 趙玉報，陳壽根，張 恒，等.深圳地鐵四號線富水流沙層下穿立交橋隧道CRD法開挖動態(tài)分析[J].路基工程，2012(1)：96-100.

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[6] 鄧稀肥，陳壽根，張 恒，等.富水流砂地層中下穿立交橋及燃氣管線隧道圍巖變形控制技術[J].現(xiàn)代隧道技術，2010(4)：101-107.

Application of the Construction Process of the Shallow Tunnel Excavation Method in the Underground Mining Engineering of Tieshan Iron Mine

Wang Zikuan

(Wuyang Mining Co., Ltd.,Henan Anyang Iron and Steel Group)

In order to ensure the ramp construction safety and enhance the ramp construction speed of Tieshan mine open-pit to underground engineering, the application results of the ramp construction technology of shallow tunnel excavation method of Tieshan mine is analyzed in depth. Based on designing a reasonable roadway section and scientific support structure, selecting the optimal supporting parameters and adopting the right excavation method of construction, the curved wall roadway with the characteristics of reasonable load, technical, economic, safety and reliable is designed, and the four kinds of composite supporting system of spray network, network structure, steel arch and feet-lock bolt are proposed. The passive secondary mold lining is replaced by active one-time permanent support, the breakthrough of the roadway construction technology of the water cut fractured stratum is obtained. Therefore, the application results of this paper can provide reference for the similar mines.

Shallow tunneling excavation method, Underground mining engineering, Open-pit to underground, Ramp, Water cut fractured stratum, Roadway construction, Composite supporting system

2015-09-23)

王子寬(1963—)，男，高級工程師，462500 河南省舞鋼市。