某露天灰?guī)r礦大斷面硐室開挖技術(shù)

趙運濤

（1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司）

目前礦山大型硐室開挖采用傳統(tǒng)的“上下導(dǎo)硐，分層開挖”，結(jié)合“螺旋斜坡道、天井出渣”的技術(shù)，一般采用小型裝巖機或人工出渣施工，在面對超大斷面硐室時，存在進度慢、強度大、成本高、安全性差等缺點。參考水電行業(yè)硐室開挖、巖錨梁施工的經(jīng)驗，本方案提出采用大型設(shè)備出渣，分層開挖，在硐室邊界先施工預(yù)裂孔保護圍巖，內(nèi)部采用中深孔光面爆破的方式進行施工，可以有效提高施工進度和安全性，降低成本。

1 工程概述

某大型露天灰?guī)r礦采用平硐溜井開拓，溜井布置在采場內(nèi)，隨開采進行降段。溜井底部設(shè)置粗破碎硐室，硐室長56 m，寬12 m，高20 m，屬高墻大跨度硐室，硐室底部兩端分別與膠帶平硐和運輸平硐相連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開挖難度極大。

礦區(qū)地下水為巖溶裂隙水，溶洞導(dǎo)水性好，層理發(fā)育，施工可能有漏水、滲水現(xiàn)象。巖體為微風(fēng)化灰?guī)r，青灰色，巖性為薄層泥晶灰?guī)r夾中—厚層泥晶灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙面約5～6 m/條，部分段層理發(fā)育，呈薄層狀，層面較平滑，傾角為30°～45°，錘擊巖芯易沿著層面裂開呈片狀，裂隙面夾黑色瀝青質(zhì)膠狀物。

2 分層施工方案

目前國內(nèi)施工大型地下硐室時通常采用無軌盤旋斜坡道開挖，如圖1 所示，在硐室底部入口施工上向盤旋斜坡道至硐室最上層，然后由下向上施工溜井，用來溜放廢碴，此方法只能采用小型設(shè)備淺孔鑿巖，施工工期長，成本較高，且無法對第一層及時進行混凝土襯砌支護，導(dǎo)致開挖下分層時，可能會有浮石冒落，工作環(huán)境差。

針對以上問題，對于大型硐室的開挖，提出分層施工方案：依次施工下部出渣巷道—斜坡道—頂部巷道—出渣溜井—拱頂開挖—臨時支護—分層開挖—永久支護。采用淺孔鉆施工，分多層開挖。第1層開挖在頂部巷道內(nèi)進行，對頂部巷道刷幫至設(shè)計規(guī)格，手風(fēng)鉆穿孔，爆破后的廢渣由溜井下放至下部巷道后運出，循環(huán)進尺3 m。第1層開挖完成后進行噴錨臨時支護，然后進行下面分層的開挖，方式同第1層。

井下破碎硐室屬于典型大斷面硐室，采用從上至下分層、分塊爆破掘進的方法（圖1），從上至下分為 4 層，第 1 層高 6 m，第 2 層高 7 m，第 3 層高 7.5 m，第4層高6 m。

作為施工運輸通道，施工支硐到達破碎硐室第1層后，采用全斷面硐室掘進法［1］，從施工支硐出渣。第2層采用預(yù)裂后先中間拉槽、兩側(cè)光面爆破成型的方法，首先爆破內(nèi)車道上部，連通內(nèi)車道和第1 層空間，并將此作為第2 層出渣口及爆破臨空面［2］。第3層同第2 層開挖方法一樣。第4 層為構(gòu)筑物底基層，底板高程不一，先沿底板分塊線進行施工預(yù)裂，再垂直分塊爆破拉槽，從膠帶平硐內(nèi)出渣。

完成第1層開挖即對破碎硐室頂拱混凝土襯砌，襯砌混凝土采用錨桿和巖壁進行剛性黏結(jié)，拱腳采用擴大基礎(chǔ)進行支撐，頂拱襯砌混凝土達到設(shè)計強度后，進行第2層開挖。然后依次進行第3層、第4層開挖。所有開挖工作完成后，從下往上襯砌邊墻混凝土，和頂拱襯砌銜接。

由于第2～4分層采用潛孔鉆機施工中深孔爆破，炸藥單耗由淺孔爆破的0.95 kg/m3降低至0.4 kg/m3，且在施工工藝上將節(jié)省更多工期。

3 方案技術(shù)工藝

3.1 第1層掘進及襯砌

3.1.1 掘 進

根據(jù)地質(zhì)條件及巖性，采用手風(fēng)鉆穿孔，根據(jù)鉆機性能，掏槽孔、輔助孔、周邊孔直徑均為42 mm，循環(huán)進尺3.0 m。選用乳化炸藥，非電毫秒導(dǎo)爆管和導(dǎo)爆索，除周邊孔間隔裝藥外，其他爆破孔連續(xù)裝藥。

錨噴支護和爆破掘進緊密銜接，一循環(huán)爆破開挖支護工序完成后，才能進行下一循環(huán)工序。臨時支護使用YT28 型鉆鑿垂直巖面錨桿孔，錨桿粘結(jié)牢固后，沿巖壁掛鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)和錨桿焊接固定，使網(wǎng)片貼緊巖面。然后噴射混凝土，待噴射混凝土初凝后，安裝錨桿托盤，螺母采用二次擰緊，保證錨桿安裝質(zhì)量。

3.1.2 頂拱襯砌

為給第2 層開挖創(chuàng)造安全空間，第1 層開挖完成后及時對頂拱進行混凝土襯砌，頂拱采用50 cm 厚鋼筋混凝土支護。為保證頂拱穩(wěn)定性，對頂拱鋼筋混凝土采用上部錨桿懸吊、底部“巖錨梁”支撐相結(jié)合的方式承擔(dān)其重量，頂拱支護完成后，形成鋼筋混凝土穹頂，后續(xù)施工在穹頂?shù)谋Ｗo下進行，安全性得到極大地提高。

3.1.2.1 施工工序

施工工序：承重排架搭設(shè)—扎筋、組合模板安裝—混凝土澆筑—施工縫處理—下一倉扎筋、模板安裝—循環(huán)工序。

3.1.2.2 錨固力計算

硐室頂部選用φ28 mm 錨桿，長度為4.5 m，間距2 m×2 m，梅花形布置，孔內(nèi)樹脂藥包固定，錨桿極限錨固力為830 kN。

選定的錨桿固定后極限錨固力QJ=830 kN，按規(guī)范要求，錨桿安全系數(shù)K值為1.6～2.2，一般取2.0。錨桿錨固力Q=QJ/K=415 kN，按最大錨固傾角15°修正，錨桿錨固力為400 kN。

單根錨桿懸吊重力=松動圈巖層重量+混凝土重量，其中松動圈巖層重量=錨桿間距×錨桿排距×松動圈厚度×松動圈巖體容重，帶入?yún)?shù)計算得松動圈巖層重量為214.4 kN；穹頂采用C30 鋼筋混凝土，厚度為500 mm，密度約2.55 t/m3，每根錨桿承受混凝土重量為51 kN。因此單根錨桿所懸吊重量為265.4 kN，小于單根錨桿錨固力400 kN，即錨桿可以將混凝土穹頂懸掛固定。

為確保安全，在混凝土穹頂拱腳處超挖800 mm，形成巖錨梁巖臺，同時拱腳采用加強鋼筋固定，與錨桿焊接，澆筑形成巖錨梁結(jié)構(gòu)，與錨桿共同承擔(dān)穹頂重量。

3.1.2.3 襯 砌

襯砌混凝土頂部采用錨桿和巖壁進行剛性黏結(jié)，利用錨桿的拉力承受混凝土的一部分重量，同時拱腳配置加強鋼筋，采用水電行業(yè)普遍采用的“巖錨梁”結(jié)構(gòu)［3］，利用錨桿固定穹頂拱腳，用來承擔(dān)混凝土的一部分重量。

破碎硐室拱肩位置外超挖0.8 m，拱腳處形成巖錨梁巖臺，同時配加強鋼筋。第2 層開挖后，拱腳位置能支在超挖形成的巖臺上，保證混凝土拱安全穩(wěn)定。在第1層開挖至拱腳時，需在襯砌邊墻位置向下超挖1 m，以保證頂拱襯砌邊墻外露鋼筋與側(cè)墻襯砌鋼筋搭接長度。第一次支護錨桿加長外露長度（0.5～0.6 m），和第二次襯砌鋼筋焊接連接。在拱腳擴大基礎(chǔ)和下邊墻襯砌接合面，留設(shè)施工縫，拱圈鋼筋外露，在后續(xù)邊墻砌襯時結(jié)構(gòu)性連接，保證施工縫澆筑密實［4］。

第一層開挖完成后應(yīng)及時進行混凝土襯砌支護。混凝土支護時先搭設(shè)承重排架，然后安裝模板，最后澆筑混凝土。沿硐室軸線方向共分為6倉澆筑，每倉澆筑量約11 m3，臨近兩端頭部位預(yù)留側(cè)墻澆筑空間，鋼筋穿透。

混凝土在拌合樓拌制后，由混凝土罐車運至硐室內(nèi)直接澆筑入倉。為填補破碎硐室頂拱襯砌混凝土與巖壁間的縫隙，在頂拱襯砌混凝土較大縫隙處布置注漿孔，孔徑25 mm，注漿壓力為0.2～0.3 MPa，注漿結(jié)束后，排除孔內(nèi)積水，采用濃漿將全孔封堵密實并抹平。

3.2 第2～4層開挖及支護

（1）形成內(nèi)車道臨空面。內(nèi)車道在破碎硐室開挖前，已經(jīng)掘進完成，內(nèi)車道破碎硐室段上部爆破拉空和破碎硐室第1層空間連通后，形成梯段爆破初始臨空面。采用光面爆破，主爆孔間距2 m，排距3 m，孔徑90 mm，孔深6.5 m；光爆孔間距0.5 m，孔徑42 mm，孔深5 m，沿邊墻開挖布置。破碎硐室第1 層頂拱襯砌完成，混凝土達到設(shè)計強度后，進行第2 層梯段爆破開挖及支護，每層開挖支護完成后，在每層邊墻設(shè)置2處變形觀測點，定期進行觀測［5］。

（2）施工預(yù)裂孔。第2、3 層邊墻預(yù)留2 m 巖石作為保護層，先分塊進行預(yù)裂爆破，再分塊進行主爆區(qū)垂直塊段微差爆破，以內(nèi)車道上部空間作為初始臨空面。沿施工預(yù)裂線架設(shè)100B 型潛孔鉆機，根據(jù)分層高度不同穿鑿預(yù)裂孔，預(yù)裂孔間距1.5 m，φ90 mm，間隔裝藥，導(dǎo)爆索連接，非電起爆。

（3）中部塊段抽槽。塊段施工預(yù)裂爆破孔后，鉆鑿主爆孔，孔間距2 m，排距1.5 m，孔深為7～7.5 m，垂直鉆孔，不耦合裝藥，主爆孔堵塞長度為2.5～3 m，最大單響藥量為9 kg，爆破后由內(nèi)車道出渣。

（4）保護層開挖。中部主爆塊1、2、3 完成爆破后，進行保護層爆破，邊墻采用光面爆破成型，光面爆破孔從內(nèi)車道沿邊墻開挖線施工水平孔，孔徑為42 mm，孔距0.35 m，孔深4.5 m，采用小直徑藥卷不連續(xù)裝藥，毫秒非電雷管，脈沖起爆。

（5）錨噴支護。錨噴支護施工和保護層開挖施工緊密銜接，一循環(huán)爆破開挖支護工序完成后，才能進行下一循環(huán)施工。

（6）硐室側(cè)墻襯砌。側(cè)墻襯砌厚度為500 mm，混凝土采用分倉澆筑，分倉高度為3 m，水平分層長度為25 m，沿硐室方向在中部設(shè)置1 道施工縫，扎筋時水平鋼筋穿透端模板。為填補硐室側(cè)墻襯砌混凝土與頂拱襯砌混凝土間隙，在頂拱襯砌混凝土與邊墻混凝土之間布置注漿孔進行注漿，注漿壓力為0.3 MPa，注漿結(jié)束后，采用濃漿將注漿孔封堵密實。

4 結(jié) 論

（1）相較于傳統(tǒng)的“螺旋斜坡道、天井出渣”的開挖技術(shù)只能適合開挖斷面較小的硐室，采用整體斷面一次成型工藝，可以使用大型設(shè)備施工，能極大加快施工進度，同時也降低開挖成本。

（2）在大斷面硐室開挖過程中，在拱頂形成后及時采用混凝土進行襯砌支護，下一步的施工在混凝土拱頂保護罩下進行，可有效防止出現(xiàn)冒頂、浮石等危害施工人員安全的情況，為施工人員創(chuàng)造安全的環(huán)境。