新建北山連接線公路涉中鋁奧家灣礦體安全評(píng)價(jià)分析

孫 鵬

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030032)

1 項(xiàng)目概況

新建北山連接線公路以挖方路基形式通過奧家灣Ⅱ號(hào)礦體的主平窿上方。道路與主平窿交叉的中心樁號(hào)為K1+985，交叉角度為47°10′50″，礦洞頂高程為1 061.47 m，礦洞地面高程為1 058.11 m，道路設(shè)計(jì)高程為1 093.229 m，交叉段路基平均挖方高度為4.5 m。

興縣北山連接線公路，位于呂梁市興縣境內(nèi)。項(xiàng)目起點(diǎn)位于興縣縣城以東，終點(diǎn)止于興縣蔡家崖鄉(xiāng)西側(cè)，接省道S218蔡家崖段，路線總長(zhǎng)16.76 km。興縣新建北山連接線公路采用的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為：公路等級(jí)：II級(jí)公路；設(shè)計(jì)速度：60 km/h；路基寬度：新建雙向兩車道，路基寬12 m；設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)；設(shè)計(jì)洪水頻率：大中橋1/50，小橋涵1/25；地震動(dòng)峰值加速度系數(shù)：0.05 g。

中鋁興縣氧化鋁奧家灣礦區(qū)位于山西省興縣縣城正東方向直距5 km處的奧家灣村一帶，北起桃樹峁，南至孫家溝，南北長(zhǎng)約7.3 km，東西寬約2.2 km，行面積16.15 km2。開拓方案為主平窿+無(wú)軌斜坡道+井下卡車運(yùn)輸方案。本項(xiàng)目跨越的為礦體的主平窿。交叉段路面對(duì)應(yīng)主平窿段落為K0+154～K0+175.2。該主平窿段落主要支護(hù)形式為鋼拱架支護(hù)。

2 經(jīng)驗(yàn)法對(duì)既有礦洞進(jìn)行安全評(píng)估

2.1 近接施工的分類和影響范圍的劃分

近接施工的工況很多，不同類型的通過方式會(huì)對(duì)既有礦體造成不同的影響；不同的近接程度影響礦體的程度也不同。在近接施工中，究竟采用什么樣的措施，與既有構(gòu)筑物和新設(shè)構(gòu)筑物的位置關(guān)系、影響程度、既有構(gòu)筑物的種類和重要度等有密切關(guān)系。

本項(xiàng)目是以在礦體上方明挖的形式通過礦體主平窿。由于礦洞上部開挖，對(duì)垂直荷載來說上部土壓力減小，由于側(cè)壓作用，拱頂會(huì)產(chǎn)生向上變形趨勢(shì)。當(dāng)埋深小時(shí)會(huì)損傷拱作用，使襯砌的垂直荷載增加，開挖時(shí)對(duì)礦洞來說如是非對(duì)稱的情況，襯砌可能會(huì)受到偏壓作用。

根據(jù)近接工程的分類，目前通常的做法主要是依據(jù)既有礦洞與新建構(gòu)筑物之間的間隔來進(jìn)行其近接度劃分的。這里所謂“間隔”，是指既有礦洞襯砌外緣到近接工程的最小距離。近接度判斷采用的是D(礦洞外徑)值，即既有礦洞襯砌外圍的垂直高度、水平寬度中的最大值。

本項(xiàng)目礦洞最大外徑為5.4 m，洞頂填高為31.76 m。與礦洞的距離為6.352D，大于5D，接近度劃分屬于無(wú)影響范圍。

表1 近接度的劃分

2.2 既有礦洞襯砌健全度劃分

既有礦洞襯砌健全度(見表2)不同，對(duì)于影響范圍的劃分也不同。既有結(jié)構(gòu)健全度越高，允許接近的距離就越小，反之則越大。

表2 礦洞襯砌健全度劃分

既有礦洞襯砌健全度是襯砌結(jié)構(gòu)裂損、襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水、襯砌凍害以及襯砌材料劣化等的綜合評(píng)定。本項(xiàng)目所涉及礦體襯砌結(jié)構(gòu)完整無(wú)裂損、襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)滲漏水、無(wú)凍害并且襯砌材料無(wú)劣化情況，故綜合評(píng)定健全度等級(jí)為S(輕微)。對(duì)結(jié)構(gòu)功能和行車安全的影響為無(wú)影響。

3 影響性評(píng)估數(shù)值模擬分析

根據(jù)本案例中的公路與礦洞交叉的實(shí)際情況，對(duì)該段工程進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。取礦洞實(shí)際埋深，洞身段圍巖簡(jiǎn)化為均質(zhì)各向同性，根據(jù)圣維南原理將模型邊界取6倍路基開挖寬度120 m。為了簡(jiǎn)化模擬復(fù)雜程度，將路基設(shè)置為與隧道平行，且位于隧道正上方處，高度為原有埋深高度。圖1為數(shù)值模型圖，模型共有48 240個(gè)實(shí)體單元。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

礦洞開挖過程的模擬，考量到施工實(shí)際及計(jì)算簡(jiǎn)化優(yōu)化的因素，采用全斷面開挖法，一次開挖1 m，每次開挖后，進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，其中噴射混凝土采用shell結(jié)構(gòu)單元，圍巖假定其本構(gòu)關(guān)系符合默爾庫(kù)倫準(zhǔn)則，圍巖初始應(yīng)力考慮自重應(yīng)力。待礦洞開挖完成，沉降穩(wěn)定后，開始進(jìn)行路塹開挖，而后將車輛荷載等效為3 m土后加載與路塹之上。

表3 材料參數(shù)選取表

3.1 位移分析

礦洞開挖完成后，待沉降穩(wěn)定，清除所有位移。圖2為路塹開挖后的豎向位移云圖，圖3為加等效荷載后的豎向位移云圖。

圖2 路塹開挖后的豎向位移云圖

圖3 施加等效荷載后的豎向位移云圖

從豎向位移云圖可以看出，路塹開挖后，礦洞有局部進(jìn)行了卸載，導(dǎo)致礦洞上部覆土減少，礦洞圍巖位移量較少(拱頂0.3 mm)，且方向向上，等效荷載施加后，開挖的路塹隆起位移有所下降，但礦洞附近圍巖并沒有發(fā)生顯著位移。

3.2 應(yīng)力分析

從豎向應(yīng)力圖中可以看出礦洞開挖后，礦洞直墻兩側(cè)圍巖應(yīng)力增加，礦洞頂部與仰拱處由于協(xié)調(diào)變形后應(yīng)力釋放，所以此處應(yīng)力較小。路塹開挖施工后，礦洞圍巖應(yīng)力分布與原先保持一致，從應(yīng)力圖上看出，只是數(shù)值上有所減小，這是由于洞頂開挖路塹相當(dāng)于卸載而導(dǎo)致的。施加等效荷載后，礦洞周圍的應(yīng)力分布沒有變化，只是在數(shù)值上略有增加，但仍小于礦洞開挖時(shí)的應(yīng)力值。

圖4 隧道開挖穩(wěn)定后的豎向應(yīng)力云圖

綜合分析，開挖路塹不會(huì)對(duì)礦洞造成結(jié)構(gòu)上的危險(xiǎn)。

圖5 路基開挖后的豎向應(yīng)力云圖

圖6 施加等效荷載后的豎向應(yīng)力云圖

圖7 施加等效荷載后的豎向應(yīng)力云圖

4 評(píng)估結(jié)論及建議

4.1 評(píng)估結(jié)論

通過經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)值模擬分析，興縣新建北山連接線公路的施工和運(yùn)營(yíng)不會(huì)對(duì)既有奧家灣Ⅱ號(hào)礦體的主平窿襯砌造成超過要求的變形，奧家灣Ⅱ號(hào)礦體的主平窿襯砌結(jié)構(gòu)能滿足安全需要。

4.2 評(píng)估建議

(1)采用合理的工法施工，把將施工時(shí)圍巖擾動(dòng)對(duì)既有礦洞襯砌的擾動(dòng)減到最低。

(2)施工中棄土不得在礦洞上方兩側(cè)堆載或堆放雜物。

(3)興縣新建北山連接線公路與奧家灣Ⅱ號(hào)礦體的主平窿距離最近時(shí)，要提前布好監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)整理分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，隨時(shí)應(yīng)付突發(fā)事件的發(fā)生。

(4)需對(duì)奧家灣Ⅱ號(hào)礦體的主平窿受影響段襯砌健康狀態(tài)進(jìn)行劣化等級(jí)評(píng)定，施工中需對(duì)影響段進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，及時(shí)利用監(jiān)控量測(cè)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

(5)在施工中派專職安全員24 h巡查防護(hù)，隨時(shí)做好應(yīng)急措施。

(6)建議核查該交叉影響范圍內(nèi)，路側(cè)安全防護(hù)設(shè)施及排水防護(hù)設(shè)置情況。