張建明

(甘肅鏡鐵山礦業(yè)有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

0 引言

邊坡支護(hù)是指為保證邊坡及其環(huán)境的安全，對(duì)邊坡采取的支擋、加固與防護(hù)措施。常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)型式有:重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式支護(hù)、板肋式或格構(gòu)式錨桿擋墻支護(hù)、排樁式錨桿擋墻支護(hù)、錨噴支護(hù)、坡率法。目前,邊坡自身巖土體的力學(xué)性能的穩(wěn)定性計(jì)算分析的主要方法為極限平衡法。極限平衡法是由Bishop提出的并經(jīng)多位研究學(xué)者運(yùn)用驗(yàn)證了可靠性。

鏡鐵山礦業(yè)公司樺樹溝礦區(qū)V礦體單獨(dú)輸出改造項(xiàng)目是酒鋼集團(tuán)公司列入集團(tuán)高質(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，根據(jù)工程布置，將在現(xiàn)有樺樹溝礦區(qū)2 640 m水平曲軌礦倉西側(cè)邊坡、粗破車間北側(cè)邊坡大面積削坡，新建礦倉、鐵路走車平臺(tái)和粗破碎車間、檢修道路，需對(duì)原有鐵路路塹邊坡北側(cè)進(jìn)行開挖，坡腳向北開挖3～9 m，下挖6.5 m左右，并提出了邊坡開挖及支護(hù)方案。筆者針對(duì)將要形成的新邊坡利用極限平衡法中的Bishop條分法進(jìn)行穩(wěn)定性分析,通過穩(wěn)定計(jì)算分析了該高邊坡的穩(wěn)定性，并結(jié)合場(chǎng)地施工條件，優(yōu)化了邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

新建粗破碎車間布置于北部邊坡坡腳，場(chǎng)地±0.00高程2 619.63 m，地下設(shè)一層檢修間，高程2 613.13 m，并從檢修間由西向東沿坡腳布置檢修道路，道路坡率為9.1%，坡腳高程為2 613.13～2 609.00 m。檢修間基礎(chǔ)為獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.8 m，放大角寬度3.3 m。

該邊坡位于曲軌鐵路路塹北側(cè)，坡腳高程為2 619.13～2 609.54 m，坡頂高程為2 638.72～2 640.39 m，坡高19.51～31.15 m，邊坡坡度為51°左右(坡比1：0.81)，坡頂為曲軌鐵路北側(cè)平臺(tái)，坡腳為本次Ⅴ礦體單獨(dú)輸出改造項(xiàng)目新建粗破碎車間及檢修道路，根據(jù)工程布置，坡腳需下挖2.5～6.5 m左右，并向北開挖3.1～9.2 m。邊坡原設(shè)計(jì)方案采用扶壁式擋土墻支護(hù)(見圖1)，墻高10.0 m左右，墻頂設(shè)寬3.2 m左右平臺(tái)，并在坡體上部形成坡比為1：0.75的土質(zhì)邊坡，坡體總高23.87 m左右。因扶壁式擋土墻需采用人工開挖形成臨時(shí)邊坡后再進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，施工開挖量較大，同時(shí)開挖部位距原曲軌鐵路線僅1.0 m左右，施工過程給人員及車輛運(yùn)輸造成較大安全風(fēng)險(xiǎn)。為了加快施工效率，保證邊坡防護(hù)施工期間安全生產(chǎn)，需要對(duì)邊坡防護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 扶壁式擋土墻方案設(shè)計(jì)簡圖

2 原方案穩(wěn)定性及施工條件分析

2.1 原方案穩(wěn)定性分析

采用畢肖普(Bishop)條分法公式進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算：

正常條件下：

地震條件下：

式中：Fs—斜坡穩(wěn)定性系數(shù);Wi—第i條塊邊坡土條重量，kN;αi—第i條邊坡土條傾角;li—第i條邊坡土條潛在滑面長度，m;Ci—第i條邊坡土條的內(nèi)聚力，kN/m2;φi—第i條邊坡土條的內(nèi)摩擦角;a/g—地震水平系數(shù);Cz—地震影響系數(shù)，為0.25。

計(jì)算結(jié)果表明，在滿足擋土墻穩(wěn)定的情況下，上部坡體正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.130，地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.048，不滿足規(guī)范要求。因此，需要對(duì)上部邊坡進(jìn)行支護(hù)或增大坡率，以滿足邊坡穩(wěn)定要求。

圖2 正常工況下扶壁式擋土墻邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖

圖3 地震工況下扶壁式擋土墻邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖

2.2 原方案施工條件分析

原方案扶壁式擋土墻高10.87 m，基礎(chǔ)埋深 2.0 m，底寬8.6 m，踵板伸入坡腳4.0 m，趾板寬4.0 m，與粗破碎車間基礎(chǔ)埋深基本一致，造成坡腳向北開挖面積增大。施工時(shí)需分段跳槽開挖，按臨時(shí)邊坡比1：0.75計(jì)，坡頂相應(yīng)向北開挖15.1 m左右，一方面坡頂開挖較多，影響鐵路路基穩(wěn)定，另一方面，墻后回填量較大，填土強(qiáng)度降低(原邊坡土體膠結(jié)較好，回填時(shí)只有能松散夯實(shí))，上部邊坡地層條件及坡比已不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)坡體上部回填部分進(jìn)行支護(hù)。同時(shí)由于邊坡高度較大，墻后回填需要人工作業(yè)，施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)較高。更重要的是，因開挖造成鐵路路基下方失穩(wěn)，還要對(duì)鐵路路基進(jìn)行鋼管樁或夯填加固。

由于原方案邊坡穩(wěn)定不滿足要求，需要對(duì)上部坡體進(jìn)行支護(hù)或增大坡率，以及對(duì)鐵路路基進(jìn)行加固，影響樺樹溝礦區(qū)現(xiàn)有鐵礦石正常生產(chǎn)，不管是建設(shè)期還是運(yùn)營期均存在較大的安全隱患，施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)較高，對(duì)邊坡支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。

3 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

新建粗破碎車間北側(cè)邊坡受曲軌鐵路維持正常生產(chǎn)限制，無法進(jìn)行較大規(guī)模的開挖作業(yè)，粗破碎車間設(shè)負(fù)一層檢修間及檢修道路，場(chǎng)地條件較為復(fù)雜，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件及邊坡地質(zhì)構(gòu)成特點(diǎn)，本次優(yōu)化方案采用錨索樁板墻的方案進(jìn)行邊坡支護(hù)。

預(yù)應(yīng)力錨索是無放坡條件時(shí)主動(dòng)支護(hù)方式之一,對(duì)臨近鐵路路基,可采用選擇“放坡+排樁”的形式進(jìn)行支護(hù)。本次粗破碎車間北側(cè)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻進(jìn)行支護(hù)(見圖4)。支護(hù)樁采用圓形灌注樁,樁直徑1.0 m,樁間距3.0 m,樁頂設(shè)冠梁(梁截面尺寸0.8 m×1.0 m),樁頂高程2 624.13 m,懸臂長度11.0 m,樁底嵌入深度5.5 m,相應(yīng)樁長16.5 m,采用機(jī)械成孔,支護(hù)樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。樁頂(包括冠梁)以下1.5 m坡,每2.5 m位置共設(shè)3道預(yù)應(yīng)力錨索,錨索傾角為20°,錨索孔徑150 mm,錨固段長度10.0 m,錨索軸向拉力采用360 kN,兩樁之間設(shè)擋土板,樁頂平臺(tái)寬5.2 m,平臺(tái)以上以削坡為主,坡比1∶1.0。

圖4 錨索樁板墻方案設(shè)計(jì)簡圖

穩(wěn)定計(jì)算表明，錨索樁板墻支護(hù)效果較好，上部坡體正常工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.350，地震工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.239，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

施工時(shí)先進(jìn)行上部邊坡開挖至樁頂高程，開挖碴土堆放于坡腳，與開挖平臺(tái)一齊形成施工平臺(tái)后，采取機(jī)械施工支護(hù)樁，澆筑頂梁后，對(duì)坡原土及碴土進(jìn)行開挖，一邊開挖，一邊安裝擋土板及錨索，直至設(shè)計(jì)坡腳高程2 613.13 m。由于采取支護(hù)樁形式，坡腳位置與原始坡腳基本一致，向北少開挖4.0 m左右，同時(shí)不存在樁后臨時(shí)邊坡開挖，減少超挖8.0 m，在上部坡體坡比1∶1.0，樁頂平臺(tái)寬5.2 m的情況下，坡頂開挖寬度僅為7.2 m，減少10.0 m左右。大幅減少了坡頂開挖，且無回填工程量，無需對(duì)鐵路路基及上部坡體進(jìn)行加固，施工機(jī)械化程度高，安全風(fēng)險(xiǎn)小。

圖5 正常工況錨索樁板墻邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖

圖6 地震工況錨索樁板墻邊坡穩(wěn)定計(jì)算簡圖

4 結(jié)語

1)礦山技術(shù)改造過程中，新增建構(gòu)筑物受已有建筑物的影響，工程布置及邊坡開挖受制約因素較大，應(yīng)綜合考慮場(chǎng)地條件及施工條件，提出切實(shí)可行的邊坡支護(hù)方案。

2)對(duì)原方案穩(wěn)定計(jì)算及施工條件分析表明，邊坡穩(wěn)定不滿足要求，需要對(duì)上部坡體進(jìn)行支護(hù)或增大坡率，對(duì)鐵路路基進(jìn)行加固，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高，作為建設(shè)方項(xiàng)目負(fù)責(zé)人一定要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及施工難易程度，在確保設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量和安全穩(wěn)定系數(shù)前提下，必須把施工安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

3)優(yōu)化方案采用對(duì)粗破碎車間北側(cè)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻進(jìn)行支護(hù)，邊坡防護(hù)穩(wěn)定性更好，工程機(jī)械化程度高，開挖、回填量少，環(huán)境影響小，施工效率快，施工安全風(fēng)險(xiǎn)小，在本次工程實(shí)際應(yīng)用過程起到了很好的效果，優(yōu)化施工圖設(shè)計(jì)也是建筑施工實(shí)例中經(jīng)常采用的成功方法。

4)優(yōu)化方案采用對(duì)粗破碎車間北側(cè)邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻進(jìn)行支護(hù),邊坡防護(hù)穩(wěn)定性更好,工程機(jī)械化程度高,開挖、回填量少,環(huán)境影響小,施工效率快,施工安全風(fēng)險(xiǎn)小,在本次工程實(shí)際應(yīng)用過程起到了很好的效果。