文/齊中元

一、高邊坡工程概況

達(dá)子營(yíng)—戈家窯段位于寧武縣新堡鄉(xiāng)達(dá)子營(yíng)和戈家窯村附近，為昌元煤礦五段劃分中的第二段，起始樁號(hào)為K1+707.6，止訖樁號(hào)為K2+722.2，長(zhǎng)度1014.6m。該段人工切坡放臺(tái)后沿5#煤層底板形成的邊坡（亦稱下盤邊幫），坡頂高程1818m，開挖后坑底高程1600m，高差218m；巖層傾角約70°，各臺(tái)階坡度等于巖層傾角，切坡后最終邊坡角46°；臺(tái)階設(shè)計(jì)高度15m，平臺(tái)設(shè)計(jì)寬度5m；坡面近似于三角形，坑底長(zhǎng)度720m；該邊坡位于石炭系中統(tǒng)本溪組巖層內(nèi)，邊坡走向和巖層走向一致，屬順層邊坡。如圖1所示。

圖1 治理區(qū)開挖形成的邊坡剖面圖

開挖后形成的高邊坡特別是5#煤層底板邊坡是否穩(wěn)定，需在分析邊坡工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上再進(jìn)行評(píng)價(jià)，并據(jù)此提出治理措施，為綜合治理工程的安全施工提供保證。

二、高邊坡工程地質(zhì)條件

1.地形地貌

邊坡工程區(qū)位于寧武縣新堡鄉(xiāng)達(dá)子營(yíng)和戈家窯村附近，地貌單元上屬低中山。區(qū)內(nèi)地面標(biāo)高在1675.0m~1825.0m之間，相對(duì)高差約150.0m。

2.地層巖性

場(chǎng)地內(nèi)分布的第四系地層主要為人工填土（Qml）及坡積（Qdl）碎石土層，下伏基巖主要為二疊系（P）粗砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖，石炭系（C）粗砂巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、泥巖、細(xì)砂巖、煤層及奧陶系（O）灰?guī)r。

3.水文地質(zhì)條件

地下水主要為賦存于各巖層中的基巖裂隙水?；鶐r裂隙水受基巖裂隙發(fā)育程度及裂隙充填情況影響，各處富水情況不一，未形成連續(xù)水位面。基巖裂隙水穩(wěn)定水位埋深7.37~22.87m，標(biāo)高1689.13m~1783.27m。

4.地震

據(jù)山西?。?8）震字批29號(hào)文及山西省區(qū)域地震基本烈度圖，本區(qū)地震烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度值為0.15g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

該治理工程開挖形成底板邊坡在本溪組內(nèi)，如圖2所示，軟硬巖層相間，互層排列，大部為軟巖，只有少量硬巖，但層薄，不穩(wěn)定，不利于邊坡的形成和穩(wěn)定。

圖2 治理區(qū)開挖形成底板邊坡巖性組合特征

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)示意圖

三、高邊坡整治加固措施

在深入研究已有工程地質(zhì)、水文地質(zhì)資料和周邊環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，經(jīng)實(shí)地踏勘，采取卸載減壓、預(yù)應(yīng)力錨索加固、架設(shè)主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、預(yù)裂爆破開挖、防排水以及穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等高陡邊坡綜合整治加固措施。

1.卸載減壓

卸載的目的是為減弱5#煤層底板下的石炭系上統(tǒng)太原組和石炭系中統(tǒng)本溪組的巖石因自重對(duì)邊坡下部造成較大荷載，削弱其剪應(yīng)力。為此，在治理工程中根據(jù)工程地質(zhì)條件從坡頂逐級(jí)放臺(tái)、放坡至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

達(dá)子營(yíng)—戈家窯段高邊坡共卸載約39.7萬m3，降荷91.3萬t，大大降低了因巖體自重而產(chǎn)生的下剪力。卸載降荷后，高邊坡上部坡度減緩，最終邊坡角為42°。

2.預(yù)應(yīng)力錨索加固

為防止高邊坡發(fā)生潰屈破壞，根據(jù)地質(zhì)勘查成果和最佳安裝角、錨索的承載力等要素的計(jì)算結(jié)果，采用ASTM416-87a型φ15.2mm的高強(qiáng)度低松弛錨索鋼絞線。每束錨索6股鋼絞線，錨索拉力值1000KN，錨索孔徑φ130mm，錨孔垂直于臺(tái)階坡面，長(zhǎng)度28~30m，自由段經(jīng)防腐處理后分別套塑料管穿過潛在滑動(dòng)層；錨固段長(zhǎng)7m，置于潛在滑動(dòng)層以下的穩(wěn)定巖體中，使巖體不易剪切破壞，通過灌漿（M30）將鋼絞線與巖體連為整體，提供抗拔力。預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)計(jì)張拉值和鎖定值均為800KN，超張拉值為1.05倍的設(shè)計(jì)張拉值，分為5級(jí)張拉，每級(jí)張拉力依次為設(shè)計(jì)張拉力的25%、50%、75%、100%、105%；每級(jí)張拉應(yīng)保持荷載5min，最后一級(jí)保持荷載10min。張拉全部完成后48h內(nèi)，若測(cè)定的預(yù)應(yīng)力損失值超過設(shè)計(jì)張拉力的10%時(shí)，補(bǔ)償張拉后鎖定。

由于邊坡高度較大，開挖會(huì)造成坡體一定范圍內(nèi)的地應(yīng)力重新分布，靠近坡體下部會(huì)出現(xiàn)剪應(yīng)力的集中，以防止因應(yīng)力集中而發(fā)生的巖體潰屈破壞。在坡體下部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為群錨結(jié)構(gòu)，呈矩陣排列，縱向成排，豎向成行，錨索間距5×5m。

高邊坡在實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨索加固后，邊坡的穩(wěn)定性均保持在2年以上，表明預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)邊坡加固后具有長(zhǎng)期有效性和經(jīng)濟(jì)合理性。

3.預(yù)裂爆破開挖

臨近最終邊坡的爆破采用預(yù)裂爆破的方法，最大程度地減少了爆破震動(dòng)對(duì)山體的擾動(dòng)，且獲得較平整的邊坡輪廓，取得較好的效果。采取預(yù)裂爆破方法，雖然提高了臨近最終邊坡的局部爆破成本，但大大減輕高邊坡因頻繁爆破產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)，減少了高邊坡的維護(hù)工程量，節(jié)約了施工成本，維持了邊坡的安全穩(wěn)定。

4.架設(shè)防護(hù)網(wǎng)及掛網(wǎng)噴護(hù)

為防止危巖活石墜落導(dǎo)致人員傷亡事故，根據(jù)邊坡的實(shí)際情況，架設(shè)被動(dòng)式防護(hù)網(wǎng)，如圖4所示。在開挖過程中，遇到有一定面積的巖體較破碎且完全清除有困難時(shí)，可在該位置設(shè)置主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

圖4 主被動(dòng)式防護(hù)網(wǎng)支護(hù)示意圖

在開挖過程中，遇到最終邊坡坡面上有一定面積的巖體破碎時(shí)，可對(duì)該區(qū)域進(jìn)行掛網(wǎng)噴護(hù)，如圖5所示。

圖5 坡面掛網(wǎng)噴護(hù)示意圖

5.防排水

根據(jù)場(chǎng)地特征和地層情況，對(duì)于地表和地下水的控制，主要采取如下防治措施。

（1）地表水的控制：一是坡頂外圍設(shè)置截水溝；二是坡面排水，每級(jí)邊坡平臺(tái)上設(shè)置排水溝；三是平臺(tái)表面的硬化阻水，在砌完排水溝或安全擋墻之后，采用水泥砂漿硬化或鋪設(shè)隔水土工布的方式阻水。

（2）地下水的控制：主要措施是在坡面上設(shè)置仰斜式泄水孔，外傾5%，長(zhǎng)度7.0~13.0m。

6.邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

（1）實(shí)施邊坡變形監(jiān)測(cè)的目的：一是對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為施工提供邊坡三維位移數(shù)據(jù)；二是評(píng)價(jià)邊坡在施工中的穩(wěn)定性，并作出預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，若位移數(shù)據(jù)異常時(shí)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警；三是對(duì)邊坡可能出現(xiàn)變形破壞的區(qū)域、規(guī)模、滑動(dòng)方向、發(fā)生時(shí)間及危害程度，及時(shí)做出分析和預(yù)報(bào)；四是統(tǒng)計(jì)邊坡位移數(shù)據(jù)，分析研究邊坡變形破壞的規(guī)律；五是通過邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)，為工程提供可靠的安全保障。

（2）監(jiān)測(cè)原理及應(yīng)用軟件。利用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)時(shí)，在所監(jiān)測(cè)邊坡對(duì)面修建監(jiān)測(cè)站，確保與邊坡所監(jiān)測(cè)區(qū)域通視，在監(jiān)測(cè)區(qū)域外布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)建立監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，在邊坡上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。測(cè)量機(jī)器人通過對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量，應(yīng)用后方交會(huì)法校正基站測(cè)量機(jī)器人的坐標(biāo)，然后對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)（測(cè)量周期約180個(gè)/小時(shí)），并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過有線和無線通信方式傳輸?shù)街醒胩幚碚荆脧瓶℅eoMoSMonitor軟件及溫度氣壓傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GSI數(shù)據(jù)格式，存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)庫(kù)中的字段包括序號(hào)、點(diǎn)名、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、高程H、觀測(cè)日期等信息，并建立點(diǎn)表、觀測(cè)循環(huán)表等，由徠卡Geo-MoSAnalyzer軟件將所采集的數(shù)據(jù)生成各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線圖，由監(jiān)測(cè)人員編制《高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)》和《高邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)周報(bào)》以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)高邊坡的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過邊坡變形監(jiān)測(cè)方案的實(shí)施，準(zhǔn)確、及時(shí)、直觀地對(duì)高邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)、預(yù)警，為工程各階段施工的順利進(jìn)行提供了可靠的安全技術(shù)保障，在實(shí)踐應(yīng)用過程中取得了良好的效果。

四、結(jié)論

采取卸載減壓、預(yù)應(yīng)力錨索加固、架設(shè)主被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)、預(yù)裂爆破開挖、防排水以及穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等高陡邊坡綜合整治加固措施，使得昌元煤礦火區(qū)和塌陷區(qū)綜合治理工程的高陡邊坡從開始形成到治理結(jié)束一直處于穩(wěn)定狀態(tài)，此高陡邊坡綜合整治加固措施及時(shí)有效，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。