露天礦山道路設計及施工

邱錦標

（江西銅業(yè)集團公司德興銅礦， 江西德興市 334224）

露天礦山道路設計及施工

邱錦標

（江西銅業(yè)集團公司德興銅礦， 江西德興市 334224）

總結了露天礦山運輸?shù)缆吩O計施工的路基、路面結構，曲線段、縱斷面設計及道路定線與養(yǎng)護等技術要點。根據(jù)德興銅礦生產(chǎn)實踐，合理優(yōu)化設計其主干運輸?shù)缆?，提出其具體施工方案。該設計道路線路銜接平穩(wěn)，變坡均勻自然、路面平整耐磨、合乎規(guī)范，保障了車輛工作效率。

露天礦山；運輸?shù)缆?；道路設計；道路養(yǎng)護

德興銅礦為特大型露天礦山，年采剝總量達到1.24億t。采區(qū)運輸?shù)缆返男拗宛B(yǎng)護影響運輸車輛的各項經(jīng)濟指標和使用壽命。為了使運輸?shù)缆返脑O計符合規(guī)范、指導道路養(yǎng)護、保障車輛工作效率、降低運行成本，根據(jù)德興銅礦采區(qū)運輸?shù)缆番F(xiàn)狀和道路質量對汽車運輸?shù)挠绊懠按嬖诘膯栴}進行分析，提出露天礦山道路設計與施工方案。

1 道路分類與技術等級

露天礦山的道路與一般道路比較，具有斷面形狀復雜、線路坡度大、轉彎多、運量大、曲率半徑小、車輛載重大等特點。因此，要求道路結構復雜，在一定服務期間內應保持相當?shù)膱怨绦院湍湍バ?。露天礦山道路按用途可分為生產(chǎn)型和運營型兩類，前者主要運送礦石、巖土，后者屬于一般輔助公路（聯(lián)絡公路）。

生產(chǎn)型道路按其服務期限可分為固定道路、半固定道路和臨時道路。固定道路是指采區(qū)出入溝及地表永久性公路，服務期限均為3a以上；半固定道路是指通往采礦工作面和廢石場排放點的道路，服務期限為1～3a；臨時公路是指采掘工作面到主運輸線的連接道路，這種道路由于線路不斷移動，一般不修筑路面，只需適當整平、壓實即可。

露天礦山道路按行車密度、行車速度和年運量可分為3個等級，見表1。

2 道路路基與路面結構

2.1 道路路基

露天礦山道路質量在很大程度上取決于路基的穩(wěn)定性。影響路基穩(wěn)定性的因素除地質條件、施工方法外，地面積水和地表水攔截和引導也十分重要。路基的施工根據(jù)地形而異，按其斷面形式可分為填方路基、挖方路基和半填半挖方路基3種。路基橫斷面主要參數(shù)有路基寬、路面、路肩橫坡、路基邊坡和排水縱坡等。

表1 露天礦山道路等級

路基寬度由路面寬度和路肩寬度組成。路面寬度（行車路面寬度）與自卸汽車外形尺寸和行車速度有關，車輛高速行駛時不能保證汽車行駛在路面中線，而是沿著路面中心線的一邊擺幅前進，會車時兩車間就要有一定安全間距。

路面的橫斷面形狀一般有鐮刀形、槽形和半槽形，通常形成路拱，即路面中心線部分最高，逐漸向兩側低斜，路面橫坡便于流出路面雨水，坡度以保證運輸車輛的穩(wěn)定性為原則。根據(jù)路面類型不同而設置相應路面橫坡值，如水泥路面為1%～1.5%，碎石路面為1.5%～4%等。降雨量大的地區(qū)采用上限值，路肩橫坡一般比路面橫坡大1%～2%，在少雨地區(qū)可減至0.5%，甚至與路面橫坡相平。

路基邊坡應根據(jù)當?shù)氐刭|、水文條件、筑路材料和施工方法來確定。路基邊坡一般為1∶1.5或1∶1.25；路塹邊坡一般為1∶0.5或1∶1.5。

路基排水縱坡可根據(jù)地形、地質及線路設計、排水涵管布置等條件綜合考慮。排水設施一般采用路邊溝、截排水溝、排水盲溝，埋設涵管等。上述各種溝道的縱坡傾斜不應小于0.2%。

2.2 路面結構

根據(jù)運輸載荷車輛的工作狀況不同，路面可分為柔性路面和剛性路面兩類。柔性路面包括瀝青碎石路面、碎石與土結合的粒料路面、塊料鋪砌路面和各種加工土路面。柔性路面容易產(chǎn)生剩余變形，車輛運行次數(shù)越多，變形問題越大，未破壞前發(fā)生剩余變形小，且路面強度不夠，容易變形、破壞。剛性路面一般是水泥路面和瀝青澆筑路面，修筑工期長、成本高。

露天礦山道路路面可分為4級：高級路面，如水泥混凝土路面、整齊的塊石和條石路面；次高級路面，如黑色碎石路面、瀝青灌入碎石路面和瀝青表面處理路面；中級路面，如砌石路面；低級路面，如粒料加固土路面。

路面結構分為單層和多層2種形式。單層路面是在路基上鋪墊單一面層，而多層結構則鋪有面基層、墊層和面層3層。各層材料的變形量值，自上而下逐層減少，而其厚度則應自上而下逐層加厚。

路面類型及結構對于自卸汽車運營具有重要影響，見表2。秉著經(jīng)濟的原則，路面類型應根據(jù)投資償還期限及運營費用的經(jīng)濟性選擇，同時考慮運輸線路服務年限、汽車車輛類型、就地取材等條件，經(jīng)過分析進行確定。

表2 汽車經(jīng)濟運營與路面類型關系系數(shù)

3 道路的平面要素

道路由直線和曲線段組成。線路平面要素包括：道路曲線半徑、切線長度、曲線長度、外矢距、曲線段超高、曲線段路面加寬、線路連接、視距、回頭曲線等。

（1）道路曲線半徑。線路的曲線半徑是根據(jù)汽車結構特征而定的，道路最小曲線半徑應大于汽車的最小轉彎半徑，根據(jù)汽車軸距、路面橫坡和汽車正常運行速度來確定。按照曲線段汽車運行產(chǎn)生的傾覆離心力和曲線段超高引起的下滑力平衡的原理導出。

（2）曲線段超高。汽車行駛在曲線段上受離心力的作用，使汽車向曲線外側滑或傾斜，為此通常將外側路面加高，這稱為曲線外側超高。平直線段路面的橫斷面常常是雙向傾斜，當其與曲線段相接時，橫斷面由雙傾斜逐漸過渡到單向傾斜，這一過渡路段稱為緩和曲線段，其外側逐漸超高。向轉彎內側傾斜的單向坡面與路面的水平產(chǎn)生的夾角稱為超高橫坡。超高橫坡一般為2%～6%，最大不超過10%。具體值根據(jù)道路車速、平曲線半徑、路面類型和氣候條件等因素來確定。不同車速與平曲線半徑的超高橫坡值不同，見表3。

表3 不同車速與平曲線半徑的超高橫坡值

（3）路面曲線段加寬。汽車在曲線段上行駛時，各車輪所處的位置不同，輪胎運行的曲線半徑也不同，后軸內側車輪的轉彎半徑最小，前軸外側車輪的轉彎半徑最大。因此，行車路面的寬度需加大（一般在內側加寬），增寬部分稱為曲線段加寬。加寬應從直線段末或緩和曲線段開始，逐漸加寬至圓曲線部分。若公路兩側路肩各為2m，且路面加寬不到1 m時，路基可不加寬；若路面加寬大于1m時，路基加寬應按內側路肩寬度不小于1m計算。

（4）線路連接。包括直線段與曲線段相連接和相鄰兩平曲線相連接2種。直線路段與曲線路段的連接，為使運輸汽車平衡通過曲線路段，在直線路段與曲線之間應設置緩和曲線路段。相鄰兩平曲線路段連接，相鄰兩同向平面曲線路段不設超高橫坡或所設超高橫坡相同時，可以直接連通；當路段超高橫坡不同時，中間需要按兩相鄰超高橫坡之差設置超高緩和線段。相鄰兩反向平曲線路段不設超高時，中間設不小于自卸汽車長的直線段，條件困難情況下可不設置直線段，但必須減速運行；兩相鄰反向平曲線段均設超高時，中間應有不小于兩超高緩和段長度的直線段。

（5）視距。即司機在行車時能看到前方路面、車輛或道路上障礙物的最短距離，視距可分為停車視距和會車視距。其在各級公路上的最小視距見表4。彎道內側的建筑物、樹木、路基邊坡或其他障礙物盡可能清除，保證車輛行車安全。

表4 露天礦山汽車在各級公路上的最小視距

（6）回頭曲線。有時受地形和采場長度限制，需迂回修筑公路，用銳角轉折，即彎道布置在夾角之外，這種彎道稱為回頭曲線?；仡^曲線又有對稱與非對稱回頭曲線之分。

4 線路縱斷面要素

線路的縱斷面是計算線路的填挖方量及線路在垂直向上的合理銜接，線路縱斷面由水平線、傾斜線、凹豎曲線、凸豎曲線及不同坡度的連接線組成。兩相鄰不同坡度線的相交點稱為變坡點，變坡點應分別設置凸形或凹形豎曲線以緩和坡度。

（1）最大允許縱坡。如縱坡過大，汽車上坡時長久使用低速檔，水箱里的水溫升高甚至沸騰，油管易于“氣阻”而產(chǎn)生發(fā)動機熄火，卡車機械損耗加?。幌缕聲r，重車制動困難，制動器急劇升溫，剎車次數(shù)多使輪鼓發(fā)熱制動失效而產(chǎn)生安全事故?？v坡過小時則會使線路增長、土方工程量增加、基建費用增多，各級公路的最大允許縱坡為：Ⅰ級6%，Ⅱ級8%，Ⅲ級10%。

（2）限制坡長。為防止汽車在長陡坡段上運行時發(fā)動機和制動器過熱而發(fā)生故障，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場對道路設計坡段長度做出限制。當縱坡坡度i為5%﹤i≤6%時，限制坡長L不大于800m。

（3）縱坡折減。當平曲線半徑≤50m時，該平曲線的最大縱坡應根據(jù)表5予以折減速。高原地區(qū)各級公路的縱坡折減值視海拔高度而異，海拔在5000m以上減3%；海拔為4000～5000m時減2%；海拔為3000～4000m時減1%，最大縱坡折減后，其值小于4%時，仍取用4%。

表5 平曲線縱坡折減

（4）豎曲線。車輛在兩相鄰曲線段由下坡轉為上坡時，需在變坡點設置凹形豎曲線；由上坡轉向下坡時，需在變坡點設置凸形豎曲線。其豎曲線半徑按表6選用。

表6 豎曲線最小半徑

5 道路定線與施工

在道路設計中，首先要根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場進行定線，按設計的線路參數(shù)施工，施工技術應保證曲線段外側超高，內側加寬，合理確定線路連接與視距等。

露天礦山采區(qū)內擬定線路要考慮開采境界、邊坡穩(wěn)定。露天礦采場出入溝口的位置與標高是一個重要控制點，其標高應與礦巖卸載點標高和地形相適應。優(yōu)化線路系統(tǒng)可有多個方案，經(jīng)比較后選擇最佳方案，然后具體確定線路，主要控制道路縱坡。在深凹露天礦中，確定線位自上而下進行，根據(jù)開采設計提供的臺階高度、運輸平臺寬度、臺階開采終了坡面角和道路縱坡等數(shù)據(jù)逐段進行計算與設計。線路密集區(qū)段必須綜合考慮道路群的平、縱關系及排水、護坡。

道路定線方法一般采用“零點法”，即按照擬定的線路和走向，采用一定的縱坡，沿地形等高線或采區(qū)內臺階等高線找出道路中心線的填挖高度等于零的點，再將各零點連成一線，調整此線的平縱斷面，確定出線位。由于露天礦山道路路基大部分處于挖方地段，“零點法”往往就在路基邊緣線，而不是道路中心線，要把邊坡的穩(wěn)定情況考慮進去，因此該法只能作為確定線位的參考。

6 道路通過能力與運輸能力

道路通過能力取決于單位時間內通過線路特定地點的最大汽車數(shù)量，其與行車線數(shù)量、路面質量與狀態(tài)、汽車運行速度以及安全行車間距有關。汽車行車速度直接影響道路通過能力。自卸汽車運輸能力取決于汽車的載重量、運輸周期和每班的作業(yè)計時等。利用安裝在汽車上的自動計量監(jiān)測系統(tǒng)可以掌握汽車的裝載量，提高汽車的運輸效率。

7 道路養(yǎng)護與防塵

道路養(yǎng)護在于保持路基、路面和構筑物的完好狀態(tài)，以保證卡車運行安全，避免汽車輪胎和道路的過度磨損。做好路基排水、清掃排水溝、平整路肩、清除路面撒落物等使之平整；在礫石道路上撒細粒碎石或粗粒砂防滑；在冬季要防止路面結冰，防止冰凍的化學方法是使用氯化納及氯化鈣水溶液，冰凍溫度可分別下降為－221.2℃和－55℃。

公路維修包括小修、中修和大修。小修包括緊急修補路基、路面及線路環(huán)境；中修包括恢復磨損路面、排水溝、加固路肩、整理線路壞境等；大修包括恢復路基及道路所有磨損的部分及構筑物。

露天礦山粉塵污染在空氣中的含塵量可達600～900mg／m3，大大超過環(huán)保標準，降低了汽車運行的安全性及運行速度，特別是加速了發(fā)動機的磨損。粉塵防治的方法是向道路灑水，鋪設灰塵少的路面，對碎石、礫石及土質路面則用吸水鹽類和有機膠結材料進行處理。

8 德興銅礦露天運輸?shù)缆吩O計應用

8.1 道路最佳坡度

經(jīng)研究在不同的滾動阻力值條件下，一輛滿載汽車在爬上一定高度時運輸?shù)缆菲露鹊淖兓瘜\輸時間的影響，及對卡車運輸費用的影響，得出道路的最佳坡度大約為7.5°，這個數(shù)值一般與滾動阻力或爬坡高度無關。根據(jù)運行時間值比相應的最小值大5%，則得出坡度范圍為6.5°～9.5°；如果大于10%時，則坡度范圍擴大為4.9°～10.2°。

出于安全考慮，運輸?shù)缆菲露炔粦^5.7°，采用這種坡度時，運輸時間絕對不能高于正常值的7%。

8.2 運輸?shù)缆泛侠韮?yōu)化

運輸?shù)缆肥艿V山設計的影響，礦山設計決定道路參數(shù)，如坡度、運輸布置、曲線與折返線。運輸?shù)缆仿访嫫秸扰c滾動阻力是2個關鍵問題。運輸汽車行駛在坑洼和顛簸路段時輪胎、懸掛裝置、固體結構和動力裝置受到?jīng)_擊。該沖擊力與車輛總重量呈線性關系，并隨汽車速度呈冪次增加的趨勢。這些沖擊力導致輪胎費用上升，縮短了汽車使用壽命。

滾動阻力也影響汽車的輪胎磨損和開裂，降低車輛的生產(chǎn)力、增加成本。滾動阻力一般用“等值坡度”來表示，滾動阻力增大時汽車減慢，同時效率降低、燃油消耗上升。道路的修補和保養(yǎng)可降低輪胎滾動阻力。

8.3 汽車運輸?shù)缆纷o堤參數(shù)

隨著德興銅礦自卸汽車的載重量不斷增大與車輛總數(shù)的增多，自卸汽車運行密度大大提高，同時，在大氣降水和重力作用下，護堤高度逐漸沉降，其斷面由三角形變成半橢圓形，從而實踐得出道路護堤參數(shù)為：運輸公路護堤坡面角37°、運行速度小于50 km／h的空車和小于20km／h的重車，考慮到汽車側向穩(wěn)定性而不計護堤消極高度，汽車運行軌跡和護堤基底線形成的角度為36°。護堤基底寬度9.7～10m，護堤高度3.4m。

8.4 道路的養(yǎng)護工作

露天開采中運輸成本占很大比重，主要是汽車的燃料費、輪胎費和維修費，降低這些費用的辦法即做好道路養(yǎng)護。平整光潔的道路，汽車循環(huán)時間縮短30%左右，載重量也增加2%，一個運輸循環(huán)的燃油耗量下降20%，噸運量的燃油消耗量下降35%。大型振動壓路機與機動平路機配合修成的路面良好，修整出的排水坡度及路面形狀規(guī)范，利用大型振動壓路機壓實的排土也比推土壓實取得更好的效果?？傊ㄟ^使用大型壓路機、平路機、推土機等設備進行道路、排土場、工作面的養(yǎng)護和壓實工作，可使汽車運輸費用降低21%，道路維護費降低37%，礦山成本降低23%。

路面積水對路面損壞極大，雨季是道路養(yǎng)護最難的季節(jié)，排除路面水更重要的是要將道路下層結構中的水排掉。南非CON－AID公司生產(chǎn)的非粘結性防水劑可將容易打滑的礫石路面改變?yōu)檫m合各種天氣的堅固路面，使道路養(yǎng)護平整工作減少，減少道路揚塵，節(jié)省汽車運輸和料石消耗的費用，降低輪胎的磨損與消耗。使用標準的灑水車將CONAID防水劑以水溶液的形式噴灑在翻松的路面上，該溶液與路基材料混合，平均浸入厚度150mm。溶液與土壤發(fā)生化學反應，使土壤處于疏水狀態(tài)，不再吸水，路面全年都不會楊塵，且路基不怕水泡。

9 結 論

根據(jù)以上露天礦山采區(qū)道路設計與養(yǎng)護技術要求，得出德興銅礦主干運輸公路設計具體方案為：電動輪使用柔性路面，路寬30m、縱坡8%、橫坡2%～4%、綜合坡度小于12%；凹型豎曲線半徑為200～250m，凸形豎曲半徑為500～750m；彎道超高2%～6%，曲線加寬4m，最小曲線半徑為40m；擋墻高3.2～3.7m，底寬大于6.5m，挖空區(qū)、彎道擋墻防撞放置廢舊電動輪輪胎；水溝為“V”型，自然成形，寬1～2m；分車騎墻為梯形，高1.3m、底寬2.5 m；松方墊層厚2.2～2.5m、實方墊層厚1～1.2m。

經(jīng)生產(chǎn)實踐，德興銅礦露天開采主干道路線路銜接平緩、順暢，路面中心起拱，變坡均勻自然；路基料石中線混配、大塊剔出、一次成型；路面細料多壓多翻、磨耗層厚且膠結；內側視距遠直、清凈，外側超高按設計值；路側水溝順勢，跨路水管宜深埋；能做到旱季防塵、雨雪防滑、春季防霧，仲夏防塌；且路標清晰、明確，安全道“順”。該運輸?shù)缆返脑O計符合規(guī)范，保障了車輛工作效率，降低了運行成本。隨著露天礦山規(guī)模增大，車輛噸位加大，對運輸?shù)缆返囊蟾?，道路的參?shù)也在變化，在今后的工作中仍需不斷研究和探索。

［1］陸鼎中，程家駒.路基、路面工程［M］.上海：同濟大學出版社，1999.

［2］董國賢.水山公路隧道［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［3］李寶祥，等.金屬礦床露天開采［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.

［4］曾國熙，等.地基處理手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988.

［5］中國礦業(yè)學院.露天采礦手冊（第六冊）［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1987.

2012－02－08）

邱錦標（1968－），男，江西信豐人，采礦工程師，從事礦山工程設計與施工。