某礦山破碎站基坑加固方案優(yōu)選

李 天 李喜明

（中勘冶金勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司）

在某礦山巖石膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)破碎站基坑加固工程踏勘階段，發(fā)現(xiàn)殘留根底過(guò)多、翻卸平臺(tái)未進(jìn)行開(kāi)挖等系列問(wèn)題，建設(shè)單位采用大型破碎錘處理根底，交變荷載使得邊坡節(jié)理面不斷延伸。原設(shè)計(jì)方案實(shí)施過(guò)程中，基坑西側(cè)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)傾倒型變形，威脅基坑穩(wěn)定性，存在嚴(yán)重安全隱患。經(jīng)過(guò)多方協(xié)商，建議對(duì)爆破遺留問(wèn)題及出現(xiàn)險(xiǎn)情采取局部預(yù)裂爆破的方式進(jìn)行處理，清除坡面危險(xiǎn)圍巖及未到境界線根底。隨著爆破方案確定，原設(shè)計(jì)方案不能滿足破碎站整體建設(shè)要求，因此，對(duì)基坑加固提出3種技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)方案比選確定最優(yōu)方案。

1 工程概況

某礦山破碎站基坑上部設(shè)計(jì)尺寸為26.4 m×22.4 m，基底尺寸為18.26 m×28.2 m，深度為23 m，坡度為80°。采用兩階段爆破方式進(jìn)行施工，基坑棧橋梁基礎(chǔ)開(kāi)挖不在爆破施工之內(nèi)。兩階段爆破完成后，爆破松動(dòng)效果差，大塊率較高，基坑根底問(wèn)題突出，平均高差達(dá)9 m（二階段段高9 m），三側(cè)邊坡及轉(zhuǎn)角均壓界問(wèn)題嚴(yán)重。后續(xù)施工過(guò)程中西側(cè)邊坡出現(xiàn)傾倒型變形，棧橋梁基礎(chǔ)需進(jìn)行爆破開(kāi)挖，見(jiàn)圖1。破碎站基坑外側(cè)轉(zhuǎn)角未見(jiàn)預(yù)裂孔出露，側(cè)沖較大導(dǎo)致圍巖受破壞嚴(yán)重，東西兩側(cè)坡面結(jié)構(gòu)面次生裂隙發(fā)育。破碎站基坑擬建區(qū)發(fā)育1條規(guī)模較大斷層、1條小斷層、2條巖脈及4條裂隙，斷層情況見(jiàn)表1。

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破碎站基坑區(qū)域巖石主要為白云巖及礦化白云巖，屬堅(jiān)硬巖石，層狀—塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較完整，微風(fēng)化，巖組內(nèi)發(fā)育6組節(jié)理，結(jié)構(gòu)面與邊坡組合關(guān)系如圖2所示。

由圖2分析得出：

基坑南坡J2（150°∠63°）表現(xiàn)為順坡向緩傾節(jié)理，可構(gòu)成平面型破壞。

基坑北坡J2（150°∠63°）表現(xiàn)為順坡向緩傾節(jié)理，可構(gòu)成平面型破壞或與某一組切割節(jié)理組合構(gòu)成楔形破壞［1］。

基坑西坡J1、J4結(jié)構(gòu)面交線的傾角緩于臺(tái)階坡角，可能發(fā)生楔形破壞；其他節(jié)理與邊坡大角度相交，發(fā)生平面型破壞可能性較小。

基坑?xùn)|坡J5（250°∠65°）表現(xiàn)為順坡向緩傾節(jié)理，可構(gòu)成平面型破壞或與某一組切割節(jié)理組合構(gòu)成雙平面型破壞。J4（176°∠76°）、J6（355°∠66°）2組結(jié)構(gòu)面交線的傾角緩于臺(tái)階坡角，可能發(fā)生楔形破壞。

綜上所述，除基坑西邊外，其他三面邊坡均易發(fā)生平面型、復(fù)合型破壞；基坑西坡可能發(fā)生小型楔形破壞及傾倒型破壞［2］。

2 動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)

2.1 初始方案設(shè)計(jì)

該礦山巖石膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)破碎站詳細(xì)勘察階段主要勘察西段幫邊坡，且基坑未進(jìn)行爆破開(kāi)挖，方案設(shè)計(jì)時(shí)，未進(jìn)行施工詳細(xì)勘察。破碎站基坑以白云巖、礦化白云巖為主，屬堅(jiān)硬巖，巖體完整性較好，強(qiáng)度較高。因此，初始設(shè)計(jì)基坑加固體系以清坡撬毛、掛網(wǎng)噴漿、全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿為主要支護(hù)手段［3］。

2.2 邊坡破壞模式分析

基坑西坡巖體以白云巖為主，坡底處有FB7出露。因邊坡中部軟弱結(jié)構(gòu)面曾發(fā)生傾倒破壞，下部轉(zhuǎn)彎處巖層反傾，仍有傾倒破壞的可能。

基坑北坡巖體多以礦化白云巖為主，坡面明顯可見(jiàn)一條近水平節(jié)理面，坡底上5 m處可見(jiàn)近垂直結(jié)構(gòu)面，順層面節(jié)理發(fā)育，開(kāi)挖時(shí)有水涌出，對(duì)邊坡穩(wěn)定性起到消極作用。此外，北坡北側(cè)5～8 mλ2巖脈出露，巖脈屬軟巖，錘擊聲啞，無(wú)回彈，有凹痕，浸水后，手可掰開(kāi)，對(duì)邊坡不利［4］。

基坑?xùn)|坡巖體為礦化白云巖，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。因初次預(yù)裂爆破角度造成下部?jī)H可穿直孔預(yù)裂，使得邊坡下部5～6 m為直立邊坡，上部?jī)A角約為78°。

基坑西南坡巖體為蝕變鈉閃石白云巖，屬軟巖，F(xiàn)A2斷層幾乎從坡腳出露，其后為白云巖，平面型破壞可能性較大，厚層狀結(jié)構(gòu)，錘擊聲清脆，有輕微回彈，稍震手，較難擊碎。蝕變鈉閃石白云巖與白云巖間有大型結(jié)構(gòu)面，對(duì)邊坡穩(wěn)定性極為不利。

基坑?xùn)|南坡所在邊坡巖體以礦化白云巖為主，坡面巖石較為完整，其后3～5 m為λ1巖脈，對(duì)邊坡穩(wěn)定性不利。

2.3 初始方案變更

通過(guò)對(duì)成型基坑進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)勘察，發(fā)現(xiàn)基坑存在壓界嚴(yán)重，東西兩側(cè)邊坡巖體破碎、完整性差、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層巖脈發(fā)育等情況，由于原設(shè)計(jì)方案邊坡安全系數(shù)較低，難以保證基坑內(nèi)重要設(shè)備安全運(yùn)營(yíng)，不滿足現(xiàn)狀施工條件，需對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行變更。

經(jīng)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造邊坡破壞模式分析，將東側(cè)原有掛網(wǎng)噴漿及錨桿支護(hù)變更為錨桿擋墻+預(yù)應(yīng)力錨索，北側(cè)邊坡及外側(cè)南部?jī)蓚?cè)邊坡原有掛網(wǎng)噴漿及錨桿支護(hù)變更為掛網(wǎng)噴漿、預(yù)應(yīng)力錨索、大錨墩，西側(cè)邊坡保持原設(shè)計(jì)。

2.4 險(xiǎn)情分析

為確保人員設(shè)備安全，組織人員進(jìn)行清坡撬毛，同時(shí)對(duì)基坑二層臺(tái)進(jìn)行清理，未見(jiàn)異狀。

穿孔準(zhǔn)備階段，管理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)境大檢查，發(fā)現(xiàn)西側(cè)邊坡上部產(chǎn)生多處張拉裂隙，判斷基坑西側(cè)邊坡發(fā)生傾倒變形，立即上報(bào)，并采取應(yīng)急措施，撤出基坑下部人員，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行圍擋，防止人員進(jìn)入。

破碎站基坑區(qū)域巖石主要為白云巖及礦化白云巖，基坑西側(cè)邊坡節(jié)理與邊坡大角度相交，發(fā)生平面型破壞可能性較小，但結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)可知，J2（150°∠63°）、J3（176°∠2°）、J5（250°∠65°）將西側(cè)邊坡上部巖體切割。由于下部FB7斷層破碎帶承載力不足，難以承載上部巖體重量，使得J2（150°∠63°）、J5（250°∠65°）節(jié)理面進(jìn)一步發(fā)育，發(fā)生傾倒變形，貫通裂縫寬5～7 cm，深度超過(guò)5 m，對(duì)施工及人員安全造成極大威脅，見(jiàn)圖3、圖4。建議采取爆破措施處理險(xiǎn)情。

2.5 設(shè)計(jì)方案變更

2.5.1 穩(wěn)定性分析

采用極限平衡法對(duì)場(chǎng)平形成的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)基坑西坡及東南坡現(xiàn)狀穩(wěn)定性較好，基坑北坡及東坡、西南坡穩(wěn)定性均低于規(guī)范要求，安全儲(chǔ)備不足，需進(jìn)行加固處理。西坡及東南坡上部受巖脈切割部位存在危巖，也需局部加固。

2.5.2 整體加固方案

對(duì)本次巖石膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)破碎站基坑加固工程提出3個(gè)方案。

方案一：對(duì)破碎站基坑?xùn)|西兩側(cè)邊坡重新進(jìn)行靠界爆破，通過(guò)深孔爆破將基坑下部根底及上部險(xiǎn)情一并排除，用大體積混凝土將坡面補(bǔ)齊，能直接安裝破碎站設(shè)備，輔以預(yù)應(yīng)力錨索、錨桿加固措施，邊坡整體穩(wěn)定性最高?；颖逼录庸踢x用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、4排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索［5］?；?xùn)|坡、西坡加固選用C30鋼筋混凝土墻、5排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索。基坑?xùn)|南坡、西南坡加固選用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、3 m×3 m孔網(wǎng)參數(shù)的?32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿［6］。方案一加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。

方案二：對(duì)破碎站基坑?xùn)|西兩側(cè)不靠界爆破，直接進(jìn)行坡面噴射混凝土覆蓋，采用滿足最小安全系數(shù)的預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索加固，最大程度節(jié)約工期，但是坡面危巖及不利裂隙未處理，邊坡穩(wěn)定性較低，后期設(shè)備安裝需重新做支撐措施?；颖逼录庸踢x用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、3排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索、4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)?32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿?；?xùn)|坡、西坡加固選用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、3排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索。基坑?xùn)|南坡、西南坡加固選用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、3 m×3 m孔網(wǎng)參數(shù)的?32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿。方案二加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

方案三：對(duì)破碎站基坑?xùn)|西兩側(cè)邊坡1 485 m以上進(jìn)行局部削方，破碎站基坑?xùn)|北兩側(cè)維持原狀邊坡，需要做破碎站設(shè)備支撐的區(qū)域選用混凝土墻，既方便后期破碎站快速成型，節(jié)約整體工期，又有利于施工作業(yè)安全和邊坡整體穩(wěn)定性［7］?；颖逼录庸踢x用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、5排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索、4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的?32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿?；?xùn)|坡加固選用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、4排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索。基坑西坡加固選用C30鋼筋混凝土墻、5排4 m×4 m孔網(wǎng)參數(shù)的900～1 200 kN預(yù)應(yīng)力錨索?；?xùn)|南坡、西南坡加固選用厚度100 mm的C20掛網(wǎng)噴射混凝土、3 m×3 m孔網(wǎng) 參數(shù)的?32 mm預(yù)應(yīng)力錨桿。方案三加固設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7。

2.5.3 工程量及費(fèi)用對(duì)比

方案一破碎站基坑?xùn)|西兩側(cè)采用靠界爆破，穿爆工程量最大，費(fèi)用為50萬(wàn)元；后續(xù)邊坡加固混凝土墻工程量也最大，費(fèi)用為130萬(wàn)元，對(duì)建設(shè)單位投資、進(jìn)度均不利。

方案二破碎站基坑西側(cè)邊坡采用爆破方式進(jìn)行排險(xiǎn)，穿爆工程量較方案一明顯減小，費(fèi)用為36萬(wàn)元；東側(cè)邊坡自穩(wěn)能力尚可，方案可行，后續(xù)混凝土工程量減少也較為明顯，費(fèi)用為100萬(wàn)元。

方案三僅對(duì)西側(cè)邊坡出現(xiàn)險(xiǎn)情局部半段邊坡進(jìn)行削方作業(yè)，穿爆費(fèi)用為20萬(wàn)元，混凝土費(fèi)用為80萬(wàn)元，此方案工程量最小，可保證年前完成施工任務(wù)，對(duì)進(jìn)度控制較為有利［8］。各方案工程量及費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)圖8、圖9。

2.5.4 安全性對(duì)比

方案一采用東西兩側(cè)整體削方、混凝土補(bǔ)齊方式，將東西兩側(cè)不利自由面進(jìn)行剝離，東西兩側(cè)邊坡采用混凝土墻支護(hù)，邊坡整體性好，設(shè)備安全可得到有效保障。

方案二東側(cè)邊坡未進(jìn)行整段爆破作業(yè)，存在不利裂隙，安全性較方案一差。

方案三安全性較方案二進(jìn)一步下降，但通過(guò)加固邊坡穩(wěn)定性能滿足設(shè)備運(yùn)行期的安全要求。

2.6 最終方案

由于險(xiǎn)情造成基坑開(kāi)挖方案發(fā)生變更。采用爆破的方式對(duì)西側(cè)邊坡排險(xiǎn)作業(yè)［9］，與此同時(shí)，爆破方式處理下部根底。爆破造成基坑西側(cè)邊坡超挖，需用混凝土進(jìn)行補(bǔ)齊，因此，基坑西側(cè)邊坡變更為鋼筋混凝土墻、錨索（桿）支護(hù)，同時(shí)與東側(cè)邊坡相協(xié)調(diào)。

原設(shè)計(jì)中，1 495.8 m以上僅棧橋梁，除棧橋梁位置，其他區(qū)域低于平臺(tái)2.2 m。為保證基坑下部設(shè)備安全運(yùn)行，對(duì)周邊進(jìn)行碎石回填，建議上部采用鋼筋混凝土擋土墻，寬度為1 m，高度宜超出平臺(tái)0.2 m，防止平臺(tái)物件墜落。擋土墻上部宜采用鐵圍欄進(jìn)行防護(hù)。

經(jīng)綜合對(duì)比決定，采用方案三作為此次基坑破碎站整體加固實(shí)施方案?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用見(jiàn)圖10。

3 施工輔助措施

3.1 施工監(jiān)測(cè)

該礦山破碎站基坑邊坡高陡，基坑坡頂及坡底轉(zhuǎn)角處布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索應(yīng)力集中位置設(shè)置測(cè)力計(jì)，定人定時(shí)對(duì)邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑及周?chē)鷰r土體進(jìn)行變形及應(yīng)力監(jiān)測(cè)［10］，當(dāng)施工過(guò)程中出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移值突然明顯增大、加固體系過(guò)大變形或者出現(xiàn)危害結(jié)構(gòu)的變形裂縫時(shí)，采取適當(dāng)措施，防止事態(tài)擴(kuò)大，并積極采取合理方式處理險(xiǎn)情。

對(duì)可能發(fā)生的安全隱患建立預(yù)警機(jī)制，及時(shí)采取有效措施，避免事故發(fā)生，節(jié)約工程建設(shè)成本。

及時(shí)整理監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)數(shù)據(jù)處理確立信息反饋資料，將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與預(yù)測(cè)值相比較，優(yōu)化下一步施工參數(shù)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，做到信息化施工。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采用工程測(cè)量、工程測(cè)試等多種手段相結(jié)合的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，排除外界因素和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的偶發(fā)性誤差，根據(jù)散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)分布情況，合理選擇函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和建筑物的安全狀況。

3.2 地下水控制

地下水是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，控制坡面滲水對(duì)破碎站基坑邊坡加固有重要意義。

施工前，先對(duì)破碎站整體坡面設(shè)置泄水孔；施工過(guò)程中，出現(xiàn)局部坡面滲水嚴(yán)重的情況時(shí)增設(shè)泄水孔，不僅對(duì)邊坡穩(wěn)定有積極影響，同時(shí)也保證了混凝土澆筑質(zhì)量［11］。

3.3 作業(yè)方式

施工采用平行作業(yè)、流水作業(yè)，多種作業(yè)方式并存，提高生產(chǎn)效率。錨索穿孔采用預(yù)穿及后穿2種施工工藝，合理調(diào)度施工生產(chǎn)，提高施工效率，減小施工工期。

4 結(jié)論

（1）施工方案設(shè)計(jì)并不是一成不變的，應(yīng)隨現(xiàn)場(chǎng)變化而適當(dāng)進(jìn)行變更，并不斷提高設(shè)計(jì)可靠性。設(shè)計(jì)工作應(yīng)具有大局觀，同時(shí)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要了解，對(duì)施工過(guò)程中出現(xiàn)變化進(jìn)行預(yù)判，并提出合理化處理建議。

（2）施工前，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要勘察，對(duì)設(shè)計(jì)中存在問(wèn)題及不合理之處提出質(zhì)疑和相應(yīng)說(shuō)明。施工過(guò)程中，應(yīng)注重信息化施工，不斷加深對(duì)區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)的了解，并制定相應(yīng)解決措施。

（3）結(jié)合詳細(xì)勘察及施工中邊坡出現(xiàn)的險(xiǎn)情，重新分析邊坡穩(wěn)定性，進(jìn)行動(dòng)態(tài)化設(shè)計(jì)，提出不同加固方案，并進(jìn)行相應(yīng)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析，選擇建設(shè)投資和工期最優(yōu)方案，整體效果良好，有力促進(jìn)礦山建設(shè)中設(shè)計(jì)與施工相結(jié)合，推動(dòng)礦山邊坡加固技術(shù)的發(fā)展。