預應力錨索在研山鐵礦邊坡治理中的應用

張洪宇 李海洋 呂 斌 劉 宇 徐成巖 于世杰

（河鋼集團礦業(yè)公司司家營北區(qū)分公司）

研山鐵礦隸屬河鋼集團礦業(yè)公司，在華北平原灤州市南部區(qū)域，是典型的冀東區(qū)域大型深凹露天礦，也是國內(nèi)深凹露天礦山的典型代表之一。其地質條件復雜，礦區(qū)屬灤河水系中下游與山前沖積平原交接地帶，礦區(qū)內(nèi)無河流經(jīng)過，周邊地表水系發(fā)育，主要河流有新灤河、灤河等，均屬灤河水系。在礦區(qū)上部有著近30~70 m厚的第四系土層，其中還賦存有鵝卵石層、砂土層［1-3］。目前，礦山開采深度不斷增加，邊坡越加高陡，在降雨水及地下水雙重作用下，露天礦山邊坡穩(wěn)定性成為了制約安全生產(chǎn)的重要原因之一［4-5］。尤其是對土層區(qū)域系列滑坡、泥石流等地質災害的預防及治理，在露天礦山開采中重要性愈加顯現(xiàn)［6］。

1 邊坡現(xiàn)狀

在開采過程中，遵循由上至下、分臺階順行的開采工藝，針對土層區(qū)域和風化巖層區(qū)域，臺階高度一般在12~13 m，為建設高陡露天礦山，在實施邊坡最終靠界時，嚴格按照礦山設計要求——相鄰臺階并段，最終形成上部土層和風化巖層區(qū)域臺階高度約為24 m，下部巖石及礦石臺階高度約為30 m，根據(jù)作用不同，平臺寬度在5~12 m范圍變化。

據(jù)野外調查，采場邊坡基巖裸露，局部覆蓋第四系坡積物，地層較單一，上部為強風化石英砂巖，下部巖性主要為強風化、微風化黑云變粒巖，其產(chǎn)狀由東邊坡的總體西傾，漸轉為北邊坡的南西傾，邊坡角度為40°~60°，巖石較破碎，特別是在進行最終靠界后，邊坡面已經(jīng)揭露，受風化、雨水沖刷、爆破震動及開挖卸荷等不利因素影響，已有多處存在安全隱患，局部已出現(xiàn)小型滑坡（圖1）。

2 邊坡地質情況

邊坡上部主要為第四系沖洪積成因地層，土層以粉土、砂土、卵石、粉質黏土層互層為主。其中砂土層呈淺黃—黃褐色，松散結構，成分為長石、石英顆粒，分選性及磨圓度較好，單層厚為1～5 m，最厚達13.60 m。巖體土體物理力學指標:密度為2.66 g/cm3，承載力大于110 kPa。黏土層呈黃—黃褐色—黑灰色，結構較緊密，切面光滑，干硬度高，塑性強，可搓成1～2 mm土條。單層厚為1～6 m，最薄為0.80 m。物理力學指標:天然含水量為24%，容重為19.6 kN/m3，密度為2.72 g/cm3，天然孔隙比為0.688，飽和度為95.2%，壓縮系數(shù)為0.158，壓縮模量為13.8，內(nèi)摩擦角為23.1°，黏聚力為90 kPa，承載力一般大于100 kPa，個別為80～90 kPa。邊坡下部基巖巖性為強風化黑云變粒巖、微風化黑云變粒巖。巖體傾角為40~60°，風化破碎嚴重，存在順層層理面和節(jié)理裂隙。下部基巖類呈淺肉紅色—灰白色，片麻狀構造，花崗變晶結構，由長石、石英、黑云母等礦物組成。巖芯破碎，多呈塊狀或碎塊狀，手捻易碎，可見有高嶺土化和綠泥石化，裂隙發(fā)育。

3 預應力錨索治理方法

預應力錨索的施工一般分為施工準備、鉆孔、錨索制作和安裝、注漿、錨墩澆筑、張拉鎖定等幾個工藝流程，根據(jù)以上工藝流程，對研山采場東幫-42 m及-67 m臺階坡面進行防護加固，圖2為錨索結構及預應力錨索布設位置，預應力錨索位置選擇主要是根據(jù)邊坡地質情況及滑坡風險評估而定。

3.1 施工準備

施工前，須對治理邊坡表層進行整體修善，清理邊坡表面的巖屑及殘渣，保證邊坡平緩性，包括對表層排水及表層植被固定處理。穿孔前，根據(jù)設計圖紙，安排專業(yè)的測量人員負責，3人1組，采用先進的測量儀器進行放樣，以此來確定錨索孔位及方向指向，并采用明顯的噴漆等工具在作業(yè)現(xiàn)場做好標記，同時向現(xiàn)場施工人員做好交底安排。

3.2 鉆孔

穿鑿錨索孔施工時，須保障穿孔孔徑不小于110 mm，傾角為15°，鉆孔軸線與設計偏差不大于3°；在穿孔深度方面，上下偏差超過200 mm。完成穿孔后，首先利用泥漿對孔壁進行清洗，以此來清除沉渣，保證錨索孔內(nèi)無積水和殘渣，在發(fā)現(xiàn)錨索孔被堵時，及時利用潛孔鉆對障礙進行清除。

3.3 錨索制作和安裝

預應力錨索采用4×?15.24 mm、1 860 MPa高強度低松弛鋼絞線制作，長度為20 m，水平間距為5 m，錨孔直徑不小于110 mm，傾角為15°，將在孔內(nèi)進行灌注純水泥漿，水灰比為0.5∶1。在設計預應力錨索鎖定荷載時，按照所采用的材料，設置為600 kN，同時在坡面設錨墩承臺，采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土進行實施。待錨固段漿體和錨墩承臺強度達到設計強度的80%后，對預應力錨索進行張拉。

3.4 注漿

從錨孔底部注漿，注漿壓力不小于0.4 MPa，采用直徑為25 mm的高壓膠管。第一次注漿時，需觀察孔口流出來的泥漿變化情況，當泥漿變稀同時沒有砂被帶出時，才能進行M30水泥漿的灌注。在進行水泥漿制作時，必須保證飽滿密實；直到錨索孔口溢出濃厚的水泥漿時，方可停止第一次注漿。當時間間隔3~5 h后，進行第二次注漿，該注漿壓力保持在1.5~2.0 MPa，隨著注漿的進行，緩慢將其膠管拔出，即對錨固段進行劈裂注漿。

3.5 張拉鎖定

待完成養(yǎng)護后，對預應力錨索進行張拉鎖定，按照常規(guī)要求，需進行多次、多級張拉工藝。第一步采用預張拉實現(xiàn)孔內(nèi)各束鋼絞線的拉直工作，在本次研究中，設計錨索鎖定載荷為600 kN，在該步驟中，施加載荷約為10~20 kN，該步驟進行1~2次，在每級進行張拉后，保持一段時間內(nèi)應力不變，使得錨索中的預應力得到充分的傳遞及調整。第二步則利用超載荷進行張拉，分別完成設計拉力的25%、50%、75%、110%，在每一次進行張拉應力后，保持載荷10 min，在應力調整完成后，再實施下一次的張拉作用，當進行最后一次的張拉應力時，須保持該應力條件20 min。若檢查預應力沒有明顯的衰減時，再卸去載荷至設計拉力，同時利用元件對其進行鎖定。

完成張拉鎖定后，對于外露的鋼絞線，要及時進行剪除，對于保留長度，在本次研究中設定為不低于50 mm，同時針對錨具和保留的鋼絞線，同樣實施現(xiàn)澆C20速混凝土進行包封防腐。

4 邊坡穩(wěn)定性分析

分別選取-42 m以上邊坡編號為MS20-12、MS20-13以及-67 m以上邊坡編號為MS49-10、MS49-11這2組預應力錨索進行分析。如圖3所示，-42 m以上邊坡編號為MS20-12和MS20-13預應力錨索應力變化趨勢基本相同，在1—7月，應力主要呈緩慢增大趨勢，在7—11月，應力波動范圍較大，主要由于該時期屬于雨季汛期，雨水量增加，導致邊坡內(nèi)部含水量增加，特別是在9月，該地區(qū)普降大雨，大大增加了邊坡含水率，巖土在水的浸潤下，出現(xiàn)膨脹，導致錨索受到的拉力增大。隨著雨季逐漸過去，邊坡含水率逐漸降低，錨桿所受到的拉力逐漸減小，應力整體呈下降趨勢。對-67 m以上邊坡編號為MS49-10、MS49-11預應力錨索應力進行分析，同樣與-42 m以上邊坡變化趨勢一樣，但-67 m以上臺階變化幅度相對較小。

進一步對豎直方向相似位置預應力錨索進行分析，如圖4所示，同樣發(fā)現(xiàn)在7月預計汛期來臨前，錨索所受到的壓力整體呈增加趨勢，在7—11月，變化幅度較大，特別是9月，有3根錨索應力出現(xiàn)明顯增大，在汛期結束后，預應力錨索拉力不同程度出現(xiàn)降低，但是編號為MS45-14錨索無明顯應力降低，編號為MS57-15錨索降低幅度最大，初步分析MS45-14錨索承受上部邊坡變形壓力增加，導致下部錨索所承受的拉力減少，因此降低幅度較大。目前錨索均未達到應力警界位置。

5 結論

根據(jù)研山鐵礦地質情況，結合目前邊坡治理前沿技術，對研山鐵礦局部邊坡采用了預應力錨索及掛網(wǎng)噴漿支護方案，在前期地質勘查及邊坡揭露現(xiàn)狀基礎上，合理選擇位置，布設預應力錨索，對邊坡內(nèi)部應力變化情況進行監(jiān)測，從目前效果來看，邊坡支護方案較為成功，在雨季前后，預應力錨索應力隨著邊坡含水量變化出現(xiàn)上下彈性波動，均在可控制范圍內(nèi)，后期仍需繼續(xù)進行觀測；該技術手段的應用也為礦山其他邊坡滑坡災害區(qū)域的治理提供了實踐經(jīng)驗，有效地保障了礦山的安全生產(chǎn)。