胥克俊，王智強(qiáng)，楊 猛，張宏強(qiáng)

（1.國(guó)家電投集團(tuán)鋁電投資有限公司，寧夏 銀川 750011；2.國(guó)家電投集團(tuán)山西鋁業(yè)有限公司，山西 原平 034100）

我國(guó)北方地區(qū)地形地貌復(fù)雜，礦山開采區(qū)內(nèi)的隧道選擇往往受多種因素的影響和控制，如沖溝、滑坡、采空區(qū)和地下水等，展線條件較差。此外，該地區(qū)地層以第四系土層為主，圍巖不能很好地形成自身的承載體系，鋁土礦礦山隧道結(jié)構(gòu)受力往往較大。

因此，在礦山進(jìn)行隧道方案設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮上述幾個(gè)方面的影響，隧道路由穿越地形要相對(duì)較簡(jiǎn)單，避免需要進(jìn)行特別加固等工程措施處理的地段；隧道支護(hù)設(shè)計(jì)需要確保隧道后期長(zhǎng)時(shí)運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定可靠，也要考慮土層隧道施工安全，并采取必要的保護(hù)措施，并制定切實(shí)可行的方案，以達(dá)到節(jié)約建設(shè)成本、綜合效益較優(yōu)的目標(biāo)。

1 研究現(xiàn)狀

在黃土地區(qū)隧道研究方面，國(guó)外專家研究的較早，S.FReyes 和Deere 運(yùn) 用 德 魯 克— 普 拉 格（Druker—Prager）準(zhǔn)則對(duì)該圓形洞室進(jìn)行了彈塑性分析[1]。

國(guó)內(nèi)專家在黃土地區(qū)隧道研究方面亦做出了重大的貢獻(xiàn)，比如長(zhǎng)安大學(xué)謝永利、趙占廠對(duì)黃土地區(qū)隧道模型試驗(yàn)與鋁土礦礦山工程測(cè)試方面進(jìn)行了研究，謝家杰在對(duì)黃土地區(qū)淺埋隧道的研究中，把被擾動(dòng)的巖體發(fā)生滑動(dòng)部分分成三個(gè)區(qū)域，并對(duì)這三個(gè)區(qū)域進(jìn)行了力學(xué)平衡狀態(tài)的研究分析，經(jīng)過(guò)一定的推導(dǎo)，得到了鋁土礦礦山隧道的圍巖壓力公式，我國(guó)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》相繼都采納了謝家杰這個(gè)公式[2]。

圖1 技術(shù)路線圖

鋁土礦礦山黃土層隧道的設(shè)計(jì)問(wèn)題至今還有很多爭(zhēng)議，礦山隧道的設(shè)計(jì)方法以及施工管理理念也在逐步的更新，出現(xiàn)的問(wèn)題也相應(yīng)增多。因此在鋁土礦礦山隧道黃土層大斷面隧道設(shè)計(jì)需要更進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。

2 鋁土礦礦山隧道支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 襯砌荷載計(jì)算

（1）采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的作用設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算[3]。

Fd=γfFk

式中：γf——作用分項(xiàng)系數(shù)。

Fk——作用標(biāo)準(zhǔn)值。

圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直和水平均布?jí)毫Φ淖饔脴?biāo)準(zhǔn)值按下列規(guī)定確定。

垂直壓力：

q=γh

h=0.41×1.79S

式中：q——圍巖垂直均布?jí)毫?，Kpa。

γ——圍巖重度，KN/m3。

H——圍巖壓力計(jì)算高度，m。

S——圍巖級(jí)別。

水平壓力：

水平均布?jí)毫砂聪卤泶_定。

表1 不同圍巖級(jí)別的水平均布?jí)毫χ?/p>

（2）采用破損階段法或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)鋁土礦礦山隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，垂直均布?jí)毫Π聪铝幸?guī)定確定，水平均布?jí)毫ν怕蕵O限狀態(tài)法設(shè)計(jì)。

q=γh

h=0.45×2S-1w

式中：w——寬度影響系數(shù)，w=1+i（B-5）。

B——坑道寬度，m。

i——B 每增減1m 時(shí)的圍巖壓力增減率，當(dāng)B＜5m 時(shí)，取i=0.2；B＞5m 時(shí)，可取i=0.1.

2.2 礦山隧道超前支護(hù)

為了穩(wěn)定礦山隧道開挖的穩(wěn)定性通常采用超前支護(hù)方案，支護(hù)方式如下：

（1）使用的支護(hù)錨桿，長(zhǎng)度約為5m 左右，便于穩(wěn)固前方圍巖；

（2）在復(fù)雜礦層地段，采用超前管棚，配合使用金屬架，可達(dá)到錨固前方圍巖的效果：①短管棚超前支護(hù)，采用長(zhǎng)度小于10m 的金屬管；②長(zhǎng)(大)管棚超前支護(hù)：采用長(zhǎng)度為10m～45m 且較粗金屬管；③金屬板超前支護(hù)：采用長(zhǎng)度小于10m 金屬板的稱為板棚預(yù)支護(hù)；

（3）注漿加固圍巖和堵截水：①超前小導(dǎo)管注漿，鋁土礦隧道開挖外輪廓線周圍將帶有小孔的導(dǎo)管打入，施加一定壓力將漿液注入其中，可起到加固作用。②超前深孔圍巖注漿：也可稱之為深孔注漿，不但可以對(duì)水源進(jìn)行封堵，還可以起到加固地層的作用，能夠在鋁土礦山特殊地質(zhì)區(qū)域使用。在漿液壓力作用下，黏圖層的裂縫及圍巖破碎地帶使用漿液進(jìn)行填充，堵水和結(jié)固效果明顯。

3.3 鋁土礦礦山隧道預(yù)應(yīng)力支護(hù)

預(yù)應(yīng)力支護(hù)核心是采用高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力筋，在安裝的過(guò)程中，可立即向被加固的圍巖施加壓應(yīng)力，能夠向圍巖提供第三向應(yīng)力，改善圍巖受力狀態(tài)，引導(dǎo)開挖面范圍高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。預(yù)應(yīng)力支護(hù)技術(shù)應(yīng)用在新奧法施工技術(shù)中，能夠有效限制圍巖在施工過(guò)程中發(fā)生有限變形。

錨固體、錨頭、桿體共同構(gòu)成了預(yù)應(yīng)力錨桿。錨固體的作用是將桿體的拉力傳遞給支護(hù)體的地層，錨固體固定在錨桿的根部；錨頭在錨桿出露的上端，將錨頭與鋁土礦深基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，可高效完成對(duì)錨桿實(shí)施的預(yù)應(yīng)力，同時(shí)結(jié)構(gòu)物可接收到錨固力；錨頭和錨固體之間需要用桿體進(jìn)行連接，在實(shí)施預(yù)應(yīng)力支護(hù)時(shí)可發(fā)揮出彈性變形特征，便于錨桿施加預(yù)應(yīng)力。

在鋁土礦土層結(jié)構(gòu)形式存在差異的情況下，可分別選用不同形狀的預(yù)應(yīng)力錨桿，即連續(xù)球體形、圓柱形、端部擴(kuò)大頭型。而依照支護(hù)錨桿的傳力機(jī)制的差異，可分為普通壓力型錨桿、分散拉力型錨桿及普通壓力型錨桿。

3 典型工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程主要概況

山西某鋁土礦根據(jù)總圖運(yùn)輸需要在礦區(qū)內(nèi)建設(shè)礦石、材料和人員運(yùn)輸?shù)缆?，受制于地形地質(zhì)條件，運(yùn)礦通道需要建設(shè)一段隧道。

礦區(qū)位于呂梁山系邊緣，為低中山地形，地貌切割較劇烈，地形較陡，沖溝發(fā)育，基巖裸露甚少，多被第四系，新近系的黃土、紅土覆蓋，覆蓋面積占95.6%，植物不發(fā)育。區(qū)內(nèi)氣溫偏低，干燥少雨，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為8.3℃，一月平均氣溫為-4.5℃，七月平均氣溫為24.6℃。本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度值為Ⅵ，礦區(qū)穩(wěn)定性較好。

3.2 鋁土礦礦山隧道設(shè)計(jì)方案確定

隧道凈空斷面的確定不僅要滿足隧道功能主體的要求，還要滿足隧道的人行、照明、運(yùn)營(yíng)檢修設(shè)施等所占空間及施工誤差，充分考慮隧道穿越地層工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件因素。礦山規(guī)模60 萬(wàn)t/a，選用20t 卡車運(yùn)礦，最終確定隧道主洞內(nèi)輪廓選用半圓拱形，隧道凈寬度為8m，凈高度為7m。

表2 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

根據(jù)運(yùn)礦道路的總體走向，隧道的入口和出口均位于溝底。按照少明挖、多暗挖和多明挖、少暗挖兩種思路布置兩個(gè)方案。少明挖、多暗挖可減小開挖的土方量，減少邊坡防護(hù)工程量，但暗挖隧道的長(zhǎng)度較長(zhǎng)。多明挖、少暗挖則相反?？紤]到隧道入口位置地形陡峻，多明挖、少暗挖方案將產(chǎn)生高大邊坡，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大，并且對(duì)原有地表環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，最終選擇少明挖、多暗挖隧道路由方案。

3.3 隧道設(shè)計(jì)支護(hù)

隧道襯砌結(jié)構(gòu)按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，襯砌設(shè)計(jì)支護(hù)采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

初期支護(hù)：以錨桿、噴射混凝土、金屬架組成綜合防護(hù)體系。并輔以?180mm,壁厚8mm，長(zhǎng)度30m，環(huán)向間距300mm 大管棚超前支護(hù)[4]。

二次襯砌：混凝土結(jié)構(gòu)；初期支護(hù)與二次襯砌組成隧道承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌施作的合理時(shí)間應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)情況和施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定。

3.3.1 超前長(zhǎng)管棚

管棚入土深度是結(jié)合地形、地質(zhì)情況確定。管棚金屬管均采用Φ180mm×8mm 熱軋無(wú)縫金屬管，環(huán)向間距30cm，接頭用長(zhǎng)15cm 的絲扣直接對(duì)口連接。

金屬管設(shè)置于襯砌拱部，平行路面中線布置。要求金屬管偏離設(shè)計(jì)位置的施工誤差不大于20cm，沿隧道縱向同一橫斷面內(nèi)接頭數(shù)不大于50%，相鄰管接頭數(shù)至少須錯(cuò)開1.0m。為增強(qiáng)金屬管的承載強(qiáng)度，注漿完成后管內(nèi)應(yīng)以M30水泥沙漿填充[5]。

考慮鉆進(jìn)中的下垂，鉆孔方向應(yīng)較金屬管設(shè)計(jì)方向上偏1°～3°。鉆孔位置，方向均應(yīng)采用測(cè)量?jī)x器測(cè)定，在鉆進(jìn)過(guò)程中也必須用測(cè)斜儀測(cè)定金屬管偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜有可能超限，應(yīng)及時(shí)糾正，以免影響開挖和支護(hù)[6]。

3.3.2 加固注漿

采用全孔壓入式向大管棚內(nèi)壓注水泥砂漿，用注漿泵按先下后上，先稀后濃的原則注漿。注漿量由壓力控制，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。

水泥漿液水灰比1：1。達(dá)到結(jié)束標(biāo)注后，停止注漿。注漿完成后及時(shí)清除管內(nèi)漿液，并用M30 水泥沙漿緊密充填，增強(qiáng)管棚的剛度和強(qiáng)度[7]。注漿作業(yè)中應(yīng)認(rèn)真作好記錄，隨時(shí)分析和改進(jìn)作業(yè)，并注意觀察初期支護(hù)和工作面狀態(tài)，保證安全。

注漿宜采用單液注漿，不僅可簡(jiǎn)化工藝，降低造價(jià)，而且固結(jié)強(qiáng)度高，因此注漿前均應(yīng)進(jìn)行單液注漿實(shí)驗(yàn)，單液注漿以水泥為主，如單液注漿效果好，能達(dá)到固結(jié)圍巖的目的，全隧道均可用單液注漿方案，如可灌性差，再進(jìn)行水泥-水玻璃雙液注漿實(shí)驗(yàn)。雙液注漿參數(shù)應(yīng)在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)按實(shí)際情況調(diào)整。

4 結(jié)論

鋁土礦礦山隧道方案要綜合考慮自然狀況，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，地震基本烈度等級(jí)，氣象條件及施工條件等因素，現(xiàn)場(chǎng)踏勘規(guī)劃出幾個(gè)可行的方案后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

在條件允許時(shí)，可以針對(duì)性地開展鉆探、物探等手段進(jìn)一步了解隧道穿越地層情況，以增加隧道方案選擇的可靠性。

鋁土礦礦山隧道黃土層大斷面隧道需要按照新奧法原理采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，一是根據(jù)圍巖條件分類采用超前錨桿、超前金屬管或超前大管棚進(jìn)行超前支護(hù)，并進(jìn)行圍巖注漿加固；二是根據(jù)實(shí)測(cè)施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定二次襯砌合理安裝時(shí)間，確保隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。