首鋼馬城鐵礦第四系斜坡道設(shè)計研究

馬永林 吳虎勇

(中冶北方工程技術(shù)有限公司，遼寧 大連 116600)

0 引言

馬城鐵礦主斜坡道在深入基巖前，起始段1 000 m長斜坡道，在第四系土層內(nèi)掘鑿，斜坡道斷面大，縱向延伸坡度緩(12%)，所處地域?qū)贋春記_積平原區(qū)，緊靠灤河，地質(zhì)水文條件復(fù)雜，造成馬城鐵礦第四系斜坡道，工程設(shè)計難度高，施工難度大。在實際設(shè)計中，按照斜坡道穿越第四系最薄覆蓋層進入基巖為原則，布置第四系主斜坡道路徑，形成第四系主斜坡道三維布置圖，見圖1。

圖1 馬城鐵礦四系主斜坡道三維布置圖

1 斜坡道方案設(shè)計

1.1 凍結(jié)法施工方式的確定

主斜坡道上部的第四系覆蓋層，埋深0～85 m，大部分為砂礫卵石極強含水層，而隔水層(黏土層)分布少、厚度薄，一般在1～2 m左右，且局部有缺失。若采用高壓旋噴施工方式所構(gòu)筑的連續(xù)抗?jié)B墻，其防水效果和工程投資都存在很

大問題，施工難度大，施工工期和投資可控度都很低。采用凍結(jié)法施工，則施工安全、施工進度和項目投資可控度都高。施工期間，凍結(jié)壁成圈，防水效果好，工程掘支工作面及斜坡道延伸段處于可控狀態(tài)，國內(nèi)現(xiàn)有施工技術(shù)能夠確保施工質(zhì)量和施工進度。并且，凍結(jié)法施工能夠克服地下工程存在的許多不可預(yù)知因素造成的影響。此外，施工中消耗的材料和電量是可以根據(jù)工程實際情況給予相對準確的估算，確保投資可控。

1.2 以凍結(jié)法施工的第四系斜坡道設(shè)計存在的問題

以凍結(jié)法施工的第四系斜坡道，在深入基巖之前的緩傾斜漸進狀態(tài)下，所受豎向附加力變化規(guī)律，目前無成熟的設(shè)計理論說明；斜坡道所受凍結(jié)壓力取值，無相關(guān)規(guī)范規(guī)定和計算公式求取。

馬城鐵礦第四系斜坡道所受凍結(jié)壓力參照凍結(jié)法施工豎井井筒中的方式進行計算，但施工過程中要對凍土壓力、凍結(jié)圈融化后的水土壓力、斜坡道井壁位移等進行監(jiān)測，以便及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)。

1.3 凍結(jié)段主斜坡道支護方式確定

1.3.1 支護設(shè)計

在凍結(jié)壁成型的情況下，外層永久支護采用單層鋼筋混凝土支護，混凝土強度等級C50，支護厚度300 mm/350 mm/550 mm；內(nèi)層永久支護采用自防水雙層鋼筋混凝土支護，混凝土強度等級C50，當凍結(jié)壁融化，內(nèi)外層支護共同承受水土壓力。斜坡道支護設(shè)計見表1。

表1 凍結(jié)法施工斜坡道支護厚度

1.3.2 防水設(shè)計

李光的馬城主斜坡道第四系支護方案的數(shù)值模擬分析表明，采用鋼筋混凝土永久支護的內(nèi)外層井壁可起到較好的隔水作用，滲水部位主要集中在兩側(cè)邊墻處[1]，考慮到提升永久支護的防水效果，需要對凍結(jié)段主斜坡道井壁進行防水設(shè)計。

凍結(jié)段主斜坡道井壁采用如下防水設(shè)計：1)內(nèi)層井壁施工過程中，在橫向和縱向施工接茬部位采用中埋式止水帶防水，內(nèi)外層井壁間鋪設(shè)一層3 mm厚聚乙烯塑料板；2)內(nèi)壁采用防水混凝土，抗?jié)B等級不小于P12；3)內(nèi)外壁底板和底板以上1 000 mm直墻要同時澆筑；4)澆筑混凝土時盡可能連續(xù)澆注，減少接茬，接茬要錯開布置，依據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整；5)對凍結(jié)管進行有效封堵；6)解凍前適時進行施工縫和壁間注漿[2]。

1.3.3 主斜坡道凍結(jié)段不設(shè)錯車道

為施工方便，提高施工效率，降低工程投資，本次方案設(shè)計主斜坡道凍結(jié)段中僅設(shè)緩坡段，不再設(shè)置錯車道。

2 主斜坡道凍結(jié)法施工井壁支護計算

2.1 計算依據(jù)

以《河北省灤南縣馬城鐵礦補充勘探報告》確定的地質(zhì)參數(shù)為依據(jù)，以采礦、電氣、信號等相關(guān)專業(yè)委托所確定的斜坡道凈斷面為基礎(chǔ)，參考凍結(jié)法施工豎井及其他行業(yè)規(guī)范、手冊進行設(shè)計[3-7]。

2.2 計算原則

斜坡道所受土壓力按第四系覆蓋層深度計算；因該區(qū)域隔水層薄，局部有天窗，水壓力按靜水壓力考慮；考慮凍結(jié)壁凍結(jié)與融化前后的外荷載作用狀況，在凍結(jié)壁交圈掘支階段，斜坡道支護結(jié)構(gòu)主要承受凍結(jié)壓力，在凍結(jié)壁融化以后，斜坡道支護結(jié)構(gòu)承受水土壓力，設(shè)計時，斜坡道按內(nèi)外層井壁共同承受永久水土壓力，外層井壁承受凍結(jié)壓力和內(nèi)壁承受水壓力計算，水土壓力的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)1.35，凍土壓力的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)1.05；地層的水、土側(cè)向壓力參照《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》，按照Pk=0.013H計算[3]；井壁裂縫控制寬度0.20 mm[4]；不考慮第四系含水層的疏水沉降影響；不考慮溫度應(yīng)力的影響；忽略縱向變形和縱向裂縫的影響。

2.3 計算方法

2.3.1 荷載

作用荷載包括凍結(jié)壓力、水土壓力、鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)自重、斜坡道內(nèi)通過設(shè)備產(chǎn)生的荷載。

2.3.2 荷載計算

1)水土壓力計算豎向土壓力荷載計算公式[6]：

(1)

式中：Pv—頂部土層壓力；γ—干容重，kN/m3；γ'—浮容重，kN/m3；hk—干土層厚度，m；hi—飽和土層厚度，m。

2)側(cè)向土壓力取值參考《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》(GB50384-2007)，并參照其(6.1.3-1)公式Pk=0.013H，MN/m2，去掉水壓及單位換算后得側(cè)向土壓力計算公式[2]：

Pk=3H，kN/m2

(2)

式中：H—為土層有效計算高度，m。

3)底部土壓力取值為斜坡道內(nèi)運行設(shè)備的最大壓力。單位，kN/m2。

4)凍結(jié)壓力Pdk參考《煤礦立井井筒及硐室設(shè)計規(guī)范》、《煤礦凍結(jié)法開鑿立井工程技術(shù)規(guī)范》、《采礦工程設(shè)計手冊》(煤炭工業(yè)出版社)中凍結(jié)壓力經(jīng)驗公式計算，并結(jié)合以往礦山的相關(guān)數(shù)據(jù)確定[3,5,7]。

5)理正軟件計算，襯砌斷面類型為圓拱直墻型(底拱)，具體參數(shù)輸入見表2～4。

表2 基本參數(shù)表

表3 荷載輸入

表4 水土壓力(永久荷載)荷載組合參數(shù)表

上述過程通過《理正隧道襯砌計算軟件》將凍結(jié)法主斜坡道D1-D1～D4-D4斷面進行支護驗算的各項參數(shù)輸入，程序計算后輸出結(jié)果，對輸出結(jié)果進行綜合分析，通過與規(guī)范預(yù)設(shè)條件數(shù)據(jù)比較、分析，斷定滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

采用凍結(jié)法施工的第四系斜坡道設(shè)計中，通過數(shù)據(jù)分析，利用內(nèi)層井壁承受水壓力、內(nèi)外層井壁共同承受水土壓力、外層井壁承受凍結(jié)壓力等計算方法是可以滿足設(shè)計要求的。在斜坡道掘支階段，外層井壁可以抵御凍結(jié)壓力對支護結(jié)構(gòu)的破壞；當凍結(jié)壁融化，斜坡道內(nèi)外層井壁支護結(jié)構(gòu)可以承受來自第四系土層不斷增大的地應(yīng)力；內(nèi)層井壁可以承擔設(shè)計土層深度的水壓力，可以保證斜坡道在使用期間的安全。