采坑治理與運(yùn)礦道路建設(shè)相結(jié)合的設(shè)計實(shí)踐

邢利偉，趙翔，王洋，薛鵬展

1 前言

某水泥集團(tuán)配套礦山采場內(nèi)西側(cè)有3處廢棄采坑，采坑均為一坡到底的單坡面采坑，邊坡高約50～90m，面積均約2～3萬平方米，不僅對地貌景觀造成了破壞，而且嚴(yán)重浪費(fèi)土地資源。2017年，該礦山采場被國家環(huán)保部掛牌督辦整改。

該礦山3處采坑均位于上山道路的必經(jīng)之處，經(jīng)對比分析，項(xiàng)目組提出了將3個采坑的治理與上山運(yùn)礦道路建設(shè)相結(jié)合的施工方案，道路基建與采坑治理同時進(jìn)行，確保礦山按時投產(chǎn)。

2 采坑現(xiàn)況分析

3個采坑呈北西向不規(guī)則橢圓狀，相對高差最大90m，最大坡角70°。采坑內(nèi)堆積物成分主要為石粉、碎石、少量粘土，坡面完整，未見沖溝及垮塌，坡面及坑內(nèi)有少量植被覆蓋；采坑中上游地段覆蓋層厚度較薄，有基巖裸露，下游第四系覆蓋層在陡坡地段相對較薄，一般在0.3m左右，在緩坡地段相對較厚，但≯2m，泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性較小。邊坡無防護(hù)，處于較不穩(wěn)定狀態(tài)，在強(qiáng)降雨或爆破震動下，易發(fā)生楔形體掉塊，存在崩塌隱患，危險性較大。采坑相對位置見圖1。

圖1 采坑相對位置圖

3 采坑治理措施

礦山采坑巖體裸露時間越長，水土流失越嚴(yán)重，安全隱患就越多，因此我們決定按照礦山的環(huán)保要求，在礦山道路基建的同時，進(jìn)行采坑治理和礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)建設(shè)，治理措施如下：

（1）在采坑外圍設(shè)置刺絲圍欄+警示牌。刺絲圍欄設(shè)置于采場外圍，圍欄高2m，警示牌設(shè)置于圍欄外側(cè)及崩塌隱患處。

（2）清除采坑邊坡坡面上的危巖、孤石，進(jìn)行錨桿支護(hù)并掛網(wǎng)。

（3）在采坑上部5m處修筑截水溝，截水溝采用梯形斷面，頂寬0.6m，底寬0.3m，深0.5m。

（4）在采坑底部進(jìn)行覆土、播撒草籽作業(yè)，邊坡頂、底部種植爬山虎，使其與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)，臺階坡頂線部位設(shè)置擋土墻，防止水土流失。綠色生態(tài)修復(fù)技術(shù)路線見圖2。

圖2 綠色生態(tài)修復(fù)技術(shù)路線

（5）實(shí)施噴灌工程，噴灌主管路由水源井沿公路修至各采坑，采用旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行噴灌。

4 道路施工方案

為滿足采礦工藝及周圍地形展線要求，卸料平臺至采準(zhǔn)面道路運(yùn)輸設(shè)計采用公路開拓運(yùn)輸方式。運(yùn)輸?shù)缆钒炊夁\(yùn)礦道路、五類車寬（計算車寬4m，載重70t）、雙車道進(jìn)行設(shè)計，對礦界外道路進(jìn)行硬化，礦界內(nèi)道路不硬化。分別設(shè)計了兩套道路施工方案用于比較，方案一中的運(yùn)礦道路建設(shè)以挖方為主，方案二中的運(yùn)礦道路建設(shè)以填方為主。具體設(shè)計方案如下：

4.1 方案一

運(yùn)礦道路全長2.7km，路面寬12m，路基寬14m；計算行車速度30km/h；最大合成縱坡坡度≯5.6%，最大縱坡≯7%，最大縱坡限制長度400m，緩和坡段最小長度60～80m；豎曲線最小半徑400m，最小長度25m；平曲線最小半徑≮25m；停車視距30m，會車視距60m。運(yùn)礦道路平面圖見圖3。

圖3 方案一運(yùn)礦道路平面圖

道路建設(shè)全程以挖方施工為主，穿過2采坑、3采坑、4采坑時亦以挖方施工為主，道路施工不影響采坑邊坡治理。此方案邊坡治理工程量大，施工難度高，且因邊坡坡面較陡，復(fù)墾難度較大。

4.2 方案二

4.2.1 基本設(shè)計思路

運(yùn)礦道路全長2.1km，路面寬12m，路基寬14m；計算行車速度30km/h，最大合成縱坡坡度≯6%，最大縱坡≯8%，最大縱坡限制長度150m，緩和坡段最小長度60～80m；豎曲線最小半徑400m，最小長度25m；平曲線最小半徑≮25m；停車視距30m，會車視距60m。運(yùn)礦道路平面圖見圖4。

圖4 方案二運(yùn)礦道路平面圖

運(yùn)礦道路穿過2采坑、3采坑、4采坑時為高填方路段，填方高度最高約30m，高填方施工降低了采坑邊坡的高度，增加了采坑邊坡的穩(wěn)定性。道路填方邊坡與采坑邊坡相交，遇大雨匯水將形成“堰塞湖”式集水坑，道路施工時應(yīng)與采坑治理工程相結(jié)合，將靠近采坑一側(cè)的邊坡回填至與路面齊平，并及時綠化。

4.2.2 道路排水方案

（1）運(yùn)礦道路全路段縱坡方向一致，利于排水。

（2）在道路靠山一側(cè)挖排水溝，防止雨季雨水沖壞公路。排水溝為矩形斷面，寬0.5m，深0.5m，斷面面積0.25m2，最大排水能力1.8m3/s，可滿足道路排水要求。

（3）道路穿過2采坑、3采坑、4采坑時，與采坑治理工程相結(jié)合，將靠近采坑一側(cè)的邊坡回填至與路面齊平，采坑匯水可從路面排出。

4.2.3 高填方路段施工要點(diǎn)

高填方路段設(shè)計主要依據(jù)JTGD 30-2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》，施工必須滿足JTGF 10-2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》，施工說明如下：

（1）填方高度＞3m時，路基必須填筑在巖石地基上。

（2）由于填石路堤的填料比較堅硬，壓實(shí)難度大且透水性強(qiáng)，水容易從路面邊坡等部位進(jìn)入基底，造成路基濕軟，以致發(fā)生不均勻沉降，為防止地基沉降失穩(wěn)，地基必須壓實(shí)。

（3）填石路堤的填筑方式為逐層填筑壓實(shí)，分層高度≤3m。邊坡部位使用中等強(qiáng)度石料碼砌，碼砌采用干砌的形式，厚度＞2m。

（4）路基壓實(shí)度要求：路槽底面以下0～80cm，壓實(shí)度95%；路槽底面以下80～150cm，壓實(shí)度93%；路槽底面以下150cm，壓實(shí)度≥90%。

（5）高填方邊坡分臺階設(shè)置，臺階高度15m，平臺寬度4m。高填方路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖5。

圖5 高填方路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

4.2.4 高填方路堤穩(wěn)定性分析

根據(jù)JTGD 30-2004《公路路基設(shè)計規(guī)范》，3.6章節(jié)“高路堤與陡坡路堤”中，3.6.7“高路堤與陡坡路堤設(shè)計時，應(yīng)進(jìn)行路基穩(wěn)定性計算分析”，考慮到本次道路施工為新建路堤、二級道路，路基建在基巖上，在正常工況條件下，路堤的堤身穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)取值1.45。

高填方路堤采用簡化的Bishop法驗(yàn)算，采用Slide軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。

簡化的Bishop法適用于土質(zhì)邊坡和呈破碎散體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡的驗(yàn)算。該方法基于圓弧滑動面分析，對下滑力與抗滑力的關(guān)系進(jìn)行比較，以庫侖強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，其分支包括剛體力的極限平衡和力矩的平衡比較，是我國《公路路基設(shè)計規(guī)范》推薦采用的驗(yàn)算方法。

Slide軟件是一款適用于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的軟件，建模過程方便，計算結(jié)果可靠，在邊坡穩(wěn)定性計算中應(yīng)用廣泛。

高填方路堤的堤身穩(wěn)定性分析見圖6，巖土體計算參數(shù)的選取見表1。

表1 巖土體計算參數(shù)的選取

圖6 高填方路堤的堤身穩(wěn)定性分析

由上述分析可知，此路段安全系數(shù)1.472＞1.45，表明在正常工況下，此高填方路堤是穩(wěn)定的。

5 采坑治理及道路施工方案投資對比

兩種方案的采坑治理及運(yùn)礦道路建設(shè)工程量及投資對比見表2。由表2可知，方案二比方案一節(jié)省投資約400萬元。主要原因?yàn)椋?/p>

表2 采坑治理及道路施工建設(shè)工程量和投資對比

（1）運(yùn)礦道路坡度增加，長度相對減少，挖方量及路面硬化費(fèi)用降低。

（2）2采坑、3采坑、4采坑邊坡高度降低，采坑治理面積減少，治理費(fèi)用及環(huán)境恢復(fù)費(fèi)用也相應(yīng)減少。

（3）挖方礦石可綜合利用。本礦山為水泥生產(chǎn)線的后備礦山，基建期產(chǎn)生的礦石直接運(yùn)往破碎系統(tǒng)破碎后，作為原料進(jìn)入水泥生產(chǎn)線；基建期產(chǎn)生的挖方廢石和土方作為道路建設(shè)填方材料和采坑治理覆土被加以利用。

6 附屬設(shè)施設(shè)計

6.1 降溫池

運(yùn)礦道路卸料平臺標(biāo)高985m，采準(zhǔn)面1 110m，落差125m，重載車長距離行駛下坡勢必會使輪胎和剎車處于超負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)。因此，在道路進(jìn)入卸料平臺處設(shè)計一個降溫池，從采面行駛下來的重載車先經(jīng)過降溫池后，再駛?cè)胄读掀脚_。

降溫池起點(diǎn)、終點(diǎn)標(biāo)高與主線路面一致，路基、路面結(jié)構(gòu)與主線路面相同。降溫池寬8m，長80m，兩端分別是20m漸變段，池深0.5m。池內(nèi)四壁涂瀝青防水層（或防水涂料），外側(cè)設(shè)置一個與降溫池相連接的清淤、補(bǔ)水井，比降溫池深20cm。降溫池平面圖見圖7。

圖7 降溫池平面圖

6.2 避險車道

（1）避險車道類型及位置的選擇

由于運(yùn)礦道路全長2.1km，且全程重載車行駛下坡，本次設(shè)計結(jié)合實(shí)際地形，在連續(xù)960m下坡、平均縱坡坡度6.2%的重載車長下坡段尾端緩坡彎道較急處，利用地勢布置一條避險車道。

設(shè)計采用分離式避險車道，失控車輛偏離主線，從正面進(jìn)入制動車道，保證失控車輛進(jìn)入避險車道前的視野開闊。一旦司機(jī)離開主線，在直線上行駛能較容易對準(zhǔn)避險車道，車輛前輪可以同時進(jìn)入制動坡床。

（2）駛?cè)胨俣?/p>

根據(jù)能量守恒定律，失控車輛從標(biāo)高1 100m駛?cè)霕?biāo)高1 051.0m避險車道，計算車速43.6km/h，考慮未知因素影響，車輛行駛速度按照70km/h進(jìn)行計算。

（3）車道長度、寬度

引道長度24m，引道坡度與運(yùn)礦道路路面坡度相同。

制動坡道長度76m，制動坡道縱坡坡度10.5%。

避險車道寬度16.3m。

其他設(shè)計：路肩（1.0m×2）+服務(wù)車道（4.5m）+制動坡床（8.0m）+排水溝（0.4m×2）+接落石平臺（0.5m×2）。

7 實(shí)施效果

經(jīng)分析對比工程量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)情況，最終選擇了更具優(yōu)勢的設(shè)計方案二。經(jīng)過六個月的施工建設(shè)，目前礦山通過基建驗(yàn)收，已取得建設(shè)項(xiàng)目《安全設(shè)施設(shè)計》的驗(yàn)收批復(fù)，試運(yùn)行效果良好。項(xiàng)目總結(jié)如下：

（1）采用運(yùn)礦道路建設(shè)與采坑治理相結(jié)合的方案，為企業(yè)節(jié)省了400萬元投資。

（2）采用優(yōu)化后的道路建設(shè)設(shè)計方案二，道路長度縮短0.6km，按噸公里運(yùn)輸成本0.4元計，每年可以為企業(yè)節(jié)約運(yùn)輸費(fèi)用264萬元。

（3）道路建設(shè)設(shè)計方案二的優(yōu)化實(shí)施，增加了填方量，減少了因礦山基建產(chǎn)生的巖石臨時堆放占地的面積。

（4）運(yùn)礦道路在采坑中部，起到了降低坡度作用，同時，道路兩側(cè)的綠化對邊坡治理也起到了明顯的美化作用。