李從飛

(中核(江西)礦冶科技集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330006)

尾礦庫用于處置金屬、非金屬礦山進(jìn)行礦石選別后產(chǎn)生的尾礦。作為礦山開采的三大控制性建設(shè)工程之一，尾礦庫是特殊的工業(yè)建筑物。尾礦不僅數(shù)量大，有些還含有暫時(shí)不能回收的有用成分，必須妥善處理，存放不妥會(huì)造成資源的流失或環(huán)境污染。尾礦庫是壩體、防滲系統(tǒng)和排洪設(shè)施等各種構(gòu)筑物的聯(lián)合系統(tǒng)，其排洪設(shè)施主要用于排出庫中的尾礦澄清水和大氣降水。在中國尾礦庫主要事故中，有高達(dá)33.3%的事故和排洪系統(tǒng)相關(guān)，其中金屬礦山排洪系統(tǒng)引發(fā)的事故占整個(gè)尾礦庫事故的50%[1]。尾礦庫排洪隧洞出現(xiàn)的漏水、漏砂及混凝土脫落等情況跟尾礦庫的運(yùn)行時(shí)間和施工質(zhì)量密切關(guān)聯(lián)[2-4]。尾礦排洪設(shè)施出現(xiàn)問題將直接影響尾礦庫的安全運(yùn)行，會(huì)給尾礦庫下游的人員財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成極大的危害。

某鈾尾礦庫排洪隧洞已運(yùn)行40多年，排洪隧洞外觀損壞嚴(yán)重，滲漏點(diǎn)較多，洞內(nèi)兩側(cè)墻壁修補(bǔ)過的地方脫空和剝落比較嚴(yán)重。如不及時(shí)整治，隧洞的滲漏點(diǎn)和脫空剝落部位將會(huì)繼續(xù)增多，導(dǎo)致洞內(nèi)滲水量增加，影響隧洞的排洪安全性。對(duì)尾礦庫排洪系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)加固，確保排洪隧洞的安全運(yùn)行十分必要。

1 尾礦庫及排洪系統(tǒng)概況

尾礦庫位于水冶廠北部約3 km的山谷中，1973年投入使用。尾礦庫由初期壩和尾礦堆積壩組成，初期壩為碾壓式均質(zhì)土壩，壩頂標(biāo)高為125 m，壩高約25 m，壩長145 m，壩內(nèi)坡坡度為1∶2.5，壩外坡坡度為1∶2～1∶2.5。初期壩堆滿后，設(shè)計(jì)采用尾礦堆壩，原設(shè)計(jì)尾礦壩最終堆積標(biāo)高南溝165 m，北溝175 m[5]。

尾礦庫采用井管式排洪系統(tǒng)，在庫內(nèi)南溝入口端設(shè)置3座直徑2.5 m、高13.6 m的四柱疊圈式排洪井，排洪井之間由長約80 m的蛋形混凝土排水管連接。1#排洪井下游出口接圓拱直墻排水隧洞，隧洞外采用消力池進(jìn)行消能。目前庫內(nèi)正常水位約148.5 m，正在使用2#排洪井(井頂標(biāo)高149.14 m)進(jìn)行排洪，1#排洪井已被尾礦淹沒，停止使用。現(xiàn)有排洪隧洞全長約174 m，為圓拱直墻式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底寬2 m，直墻高1.5 m，拱高1 m。尾礦庫及排洪系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 尾礦庫及排洪系統(tǒng)平面示意圖

2 排洪隧洞滲漏調(diào)查

對(duì)尾礦庫進(jìn)行的排洪設(shè)施結(jié)構(gòu)檢測(cè)顯示，排洪隧洞外觀質(zhì)量損壞嚴(yán)重，滲漏點(diǎn)較多，析鈣比較嚴(yán)重；導(dǎo)滲管堵塞較多，導(dǎo)致水從裂縫處滲出；洞內(nèi)兩側(cè)墻壁修補(bǔ)過的地方脫空和剝落比較嚴(yán)重。所檢測(cè)部位的混凝土現(xiàn)齡期強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，混凝土碳化深度在1.34～3.62 mm。對(duì)排洪隧洞所檢測(cè)部位的鋼筋保護(hù)層厚度抽檢231點(diǎn)，和設(shè)計(jì)及規(guī)范要求的保護(hù)層厚度相比，合格點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，合格率僅為13.9%。排洪隧道所檢測(cè)部位的鋼筋間距平均值滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求[6]。尾礦庫排洪隧洞現(xiàn)狀如圖2所示。

3 滲漏封堵工藝

針對(duì)排洪隧洞的損傷調(diào)查情況，經(jīng)綜合評(píng)估后，確定采用排洪隧洞滲漏封堵修復(fù)方案，以治理滲漏水為主，補(bǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為輔[7]。排洪隧洞出口以上約20 m長的洞段位于山體以外，覆蓋層不足1 m，不具備注漿和打設(shè)錨桿的施工條件；而且該段洞壁承壓小，洞身完整性較好，因此不對(duì)該段隧洞進(jìn)行整治，整治段總長度為154 m。

a—滲漏并析鈣；b—析鈣并有射流；c—邊墻混凝土嚴(yán)重剝落；d—邊墻混凝土脫空。圖2 尾礦庫排洪隧洞現(xiàn)狀圖

排洪隧洞整治采用壁后注漿和全段隧洞錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土封閉堵漏加固方案，具體是先進(jìn)行回填灌漿，然后對(duì)隧洞及排洪管原伸縮縫進(jìn)行加固處理，再對(duì)隧洞拱頂及洞壁進(jìn)行錨噴支護(hù)，最后澆筑雙層鋼筋網(wǎng)的隧洞底板混凝土。尾礦庫排洪隧洞滲漏封堵方案如圖3所示(圖中長度單位：mm)。

圖3 尾礦庫排洪隧洞滲漏封堵方案示意圖

4 排洪隧洞修復(fù)穩(wěn)定性分析

4.1 物理力學(xué)模型建立[8]

尾礦庫區(qū)的中風(fēng)化云母片巖層頂埋深約27 m，上層為黏土及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化云母片巖，隧洞埋深最大為37 m。建立數(shù)值模擬模型如圖4所示。

根據(jù)尾礦庫區(qū)勘查報(bào)告，在數(shù)值模型模擬計(jì)算中選取主要巖石初設(shè)力學(xué)參數(shù)見表1。

4.2 穩(wěn)定性模擬計(jì)算

4.2.1 應(yīng)力分析

隧洞修復(fù)前、后最大主應(yīng)力云圖如圖5所示?，F(xiàn)有隧洞作用在砌石支護(hù)結(jié)構(gòu)上的最大拉應(yīng)力為0.32 MPa，接近砌石結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度，可能產(chǎn)生拉伸破壞；支護(hù)后最大拉應(yīng)力為0.83 MPa，遠(yuǎn)小于錨噴網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，保護(hù)了隧洞不產(chǎn)生破壞。

a—隧洞現(xiàn)狀計(jì)算模型；b—隧洞修復(fù)后計(jì)算模型。圖4 隧洞計(jì)算模型

表1 巖石力學(xué)參數(shù)表

4.2.2 位移分析

從位移結(jié)果來看，現(xiàn)有隧洞的最大變形量為0.96 mm，修復(fù)后隧洞的最大變形量為0.37 mm，縮小近2.6倍，修復(fù)方案實(shí)施后可很好的控制隧洞的收縮變形。隧洞修復(fù)前、后最大變形量如圖6所示。

a—隧洞現(xiàn)狀最大主應(yīng)力；b—修復(fù)后隧洞最大主應(yīng)力。圖5 最大主應(yīng)力云圖

a—隧洞現(xiàn)狀位移量；b—修復(fù)后隧洞位移量。圖6 位移云圖

4.2.3 塑性區(qū)分析

從塑性區(qū)分布結(jié)果來看，現(xiàn)有隧洞塑性破壞范圍較大，且有拉伸破壞的發(fā)生；修復(fù)后圍巖的塑性區(qū)變形范圍大大減少，拉伸破壞消失，隧洞在修復(fù)范圍內(nèi)的巖體塑性破壞區(qū)域很少，整體穩(wěn)定性得到了提升。隧洞修復(fù)前、后塑性區(qū)分布見圖7。

a—隧洞現(xiàn)狀塑性區(qū)分布；b—修復(fù)后隧洞塑性區(qū)分布。圖7 塑性區(qū)分布圖

5 滲漏封堵實(shí)施及封堵效果

5.1 滲漏封堵工程施工

1)回填灌漿。回填灌漿前，利用五礬劑和水泥混合制成的堵水材料將管壁漏水、射水處封堵。在隧洞內(nèi)壁打孔進(jìn)行周邊回填灌漿，在隧洞拱頂、拱頂兩側(cè)及直墻兩側(cè)各布一排孔，橫斷面孔距縱向孔距均為3 m，梅花型布置，孔徑50 mm，鉆孔穿過現(xiàn)有隧洞側(cè)壁并鉆入原基巖外10 cm。灌漿液采用純水泥漿，灌漿壓力0.4～0.5 MPa，視具體情況分段選定灌漿壓力。在規(guī)定壓力下，灌漿孔注入率不大于1 L/min，持續(xù)10 min，灌注密實(shí)后即可結(jié)束灌漿[9]。

2)排洪隧洞及排洪管伸縮縫加固處理。以原伸縮縫為中心鑿出一條底寬20 cm、深5 cm的規(guī)則平底梯形槽，清除槽底表面松動(dòng)顆粒，用清水沖洗干凈。對(duì)漏水的原伸縮縫進(jìn)行全斷面修補(bǔ)，修補(bǔ)順序由底板向立面、頂面逐段推進(jìn)。對(duì)漏水不明顯的伸縮縫部位，先在槽底均勻涂刷一層環(huán)氧基液；30 min后用彈性環(huán)氧砂漿對(duì)伸縮縫進(jìn)行嵌縫止水，再在縫兩側(cè)鋪填防水環(huán)氧砂漿；然后將涂好環(huán)氧基液的橡皮板粘貼在環(huán)氧砂漿面層上，再用環(huán)氧砂漿對(duì)橡皮板進(jìn)行封邊。

3)錨桿打設(shè)。為使新老混凝土面結(jié)合牢固并可靠固定鋼筋網(wǎng)，在噴混凝土及掛鋼筋網(wǎng)之前，先在隧洞圓拱拱頂及內(nèi)壁邊墻打設(shè)間距1.2 m、長1.5 m的φ22 mm錨桿進(jìn)行加固。錨桿鉆孔應(yīng)按設(shè)計(jì)圖所示位置和長度進(jìn)行，鉆孔直徑38 mm。插入鉆孔后錨桿應(yīng)露出鉆孔口5 cm，方便掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。錨桿采用樹脂錨固劑進(jìn)行錨固，推入錨固劑前先用壓風(fēng)吹凈鉆內(nèi)巖粉并清除積水。將錨固劑放入鉆孔內(nèi)，用錨桿將錨固劑輕輕推入孔底，然后開電鉆旋轉(zhuǎn)錨桿，邊攪拌邊用力將錨桿推至孔底，攪拌時(shí)間為錨固劑凝結(jié)時(shí)間，待凝結(jié)后再松開電鉆和連接裝置。

4)掛網(wǎng)噴射混凝土。噴射混凝土標(biāo)號(hào)C30，噴射厚度5 cm，噴射壓力0.1～0.3 MPa。采用干噴法，噴射作業(yè)前先進(jìn)行試噴，以達(dá)到最佳水灰比。第一層的噴射混凝土初凝后，且固定錨桿的砂漿強(qiáng)度不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%時(shí)開始掛設(shè)鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)規(guī)格15 cm×15 cm，縱向鋼筋φ8 mm，環(huán)向鋼筋φ10 mm。鋼筋網(wǎng)面距離洞壁3 cm。鋼筋網(wǎng)掛設(shè)完畢且第一層噴射混凝土終凝后開始噴射第二層混凝土。第二層混凝土的標(biāo)號(hào)、噴射厚度及噴射壓力與噴射第一層混凝土相同。

5)施工排水。由于隧洞內(nèi)常年排水，為保證項(xiàng)目施工質(zhì)量，項(xiàng)目施工期內(nèi)需連續(xù)排水，設(shè)計(jì)在隧洞內(nèi)每隔50 m設(shè)置一道擋水圍堰，圍堰由尾礦砂分層堆筑而成，壓實(shí)度不小于0.9，外面包裹一層土工膜，堰高1.0 m，堰頂寬0.5 m，堰兩側(cè)邊坡1∶1.5。施工前先利用潛水泵排干作業(yè)區(qū)上下游圍堰之間的積水，施工過程中再持續(xù)將圍堰上游側(cè)的水流通過排水管抽送至下游圍堰外側(cè)，使上游水面始終低于上游堰頂標(biāo)高，為施工創(chuàng)造出適宜的作業(yè)條件。

5.2 滲漏封堵實(shí)施效果

采用壁后注漿加錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土修復(fù)方案對(duì)尾礦庫排洪隧洞進(jìn)行滲漏封堵，完成對(duì)排洪隧洞所有滲漏點(diǎn)的封閉處理和對(duì)混凝土剝落、起皮區(qū)域的修補(bǔ)。施工結(jié)束4個(gè)月后對(duì)排洪隧洞現(xiàn)場(chǎng)踏勘，排洪隧洞原滲漏點(diǎn)均得到有效控制，排洪隧洞已不存在滲漏水現(xiàn)象；排洪隧洞原支護(hù)混凝土剝落、起皮情況通過噴射混凝土施工，已形成了完整穩(wěn)定的支護(hù)體，隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載力得到了提升。

6 結(jié)論

該尾礦庫采用尾礦堆壩，隨著礦山生產(chǎn)對(duì)庫容的需求，筑壩高度不斷增高，其排洪隧洞的安全穩(wěn)定直接影響尾礦庫的運(yùn)行安危。采用壁后注漿加錨桿掛網(wǎng)噴射混凝土修復(fù)方法，處理排洪隧洞混凝土析鈣剝落、砌體裂縫滲漏、圍巖與混凝土襯砌體之間脫空滲漏等問題，施工方法簡易、可靠。治理工程實(shí)施后，原滲漏點(diǎn)不再滲水，實(shí)現(xiàn)了對(duì)排洪隧洞整體加固，保證了尾礦庫排洪系統(tǒng)的安全運(yùn)行，有效預(yù)防了排洪系統(tǒng)滲漏引起的尾礦庫安全事故。該治理方法可應(yīng)用于類似尾礦庫排洪系統(tǒng)滲漏問題的處理。