邊坡支護工程在礦山地質災害治理施工中的應用

石玲娣

（甘肅省地質礦產勘查開發(fā)局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020）

礦山邊坡是礦山開采活動的間接產物，邊坡的高度﹑坡度以及范圍直接決定了安全支護的技術路徑，同時還要考慮到礦山邊坡的地質條件因素。邊坡地質災害的主要形式為滑坡，并且滑坡的形式呈現(xiàn)出多樣化的特點，常見的包括楔體滑坡﹑圓弧滑坡等。目前的礦山邊坡支護技術已經發(fā)展得較為成熟，即可采用單一的支護技術，亦可多種技術并用，工程技術人員需廣泛研究各類礦山邊坡支護技術，提高安全水平。

1 礦山邊坡的結構及分類

1.1 礦山邊坡的結構

礦山開采所用形成的邊坡常見于露天礦中，其結構按照從上到下的順序依次包括了坡頂面﹑坡肩﹑坡面﹑坡角以及坡底面，這些結構組合在一起形成了坡體。坡腳決定了邊坡的坡度，坡高和坡腳在很大程度上影響著邊坡的穩(wěn)定性，通常坡腳和坡高越大，邊坡出現(xiàn)滑坡地質災害的風險也就越大[1]。礦山邊坡的結構可參考圖1來理解。

圖1 礦山邊坡示意圖

1.2 礦山邊坡的分類

第一，按照成因劃分。①自然邊坡。礦山經過漫長的地質作用逐漸形成，其大多分布在自然條件下的山坡和山谷區(qū)域，并且坡面長期受到風化和雨水的作用，容易形成破碎狀的巖土形態(tài)，自然邊坡滑塌的范圍通常較大，不易監(jiān)控和防范。②人工邊坡。露天礦山開采時會在采空區(qū)的周圍產生坡面，為了提高邊坡的穩(wěn)定性，需在機械或者人工方式下調整邊坡的坡腳，有些邊坡是通過填筑方式形成的，稱為填筑邊坡。有些邊坡采用開挖方式形成，稱為開挖邊坡。無論采用哪一種邊坡施工技術，此類邊坡都是在人工操作下形成的，因而可統(tǒng)稱為人工邊坡。第二，按照組成物質劃分。邊坡大體可分為土質和巖質兩類不同的物質組成，大部分礦山邊坡同時含有這兩類物質，不同的物質組成導致邊坡的耐水性和滑坡風險存在較大的差異[2]。

2 礦山邊坡失穩(wěn)滑坡地質災害成因分析

2.1 巖體結構

第一，巖石類型分析。礦山自然邊坡中含有大量的巖石，有些巖石質地堅硬﹑整體性好，此類巖石不易產生滑塌。還有些巖石長期受到環(huán)境因素的作用，導致其形成片狀﹑層狀﹑破碎狀的結構形態(tài)，并且還在不斷地發(fā)育和變化之中，這些巖石易受到礦山開采活動的擾動，進而發(fā)生局部或者整體性的滑塌。第二，巖體結構。露天礦的邊坡無論是整體高度，還是綿延的長度，一般都較大，在大范圍的邊坡中難免會出現(xiàn)巖體結構斷裂的情況，換言之，此類邊坡的巖體結構在局部是不連續(xù)的，這是造成邊坡失穩(wěn)的常見因素之一。在分析礦山邊坡的巖體結構時需從以下幾個方面來進行。①結構面的傾角和傾向。邊坡按照結構面傾向和邊坡坡面傾向的相同與否分為同向緩傾坡面和反向緩傾坡面兩種，后者的穩(wěn)定性更好。在同向坡面中，巖層的穩(wěn)定性與傾角的陡峭程度相關，顯然，越陡峭越容易滑坡；②結構面的連續(xù)性。由于礦山邊坡的水平跨度可達到數(shù)公里之多，不連續(xù)的斷面更容易出現(xiàn)滑坡類的地質災害[3]。

2.2 地下水和地表水

冬季冰雪的融化以及雨季產生的大量降水會從礦山上地勢較高的位置向礦坑內流動，有些是在坡頂面匯聚成徑流，沖刷礦山的坡面，有些則是順著巖層裂縫向下滲透，巖體中的孔隙﹑裂縫等為其提供了流通的渠道，還有些水體是地下水。無論水的來源如何，其對坡面穩(wěn)定性的危害是一致的。其一，水體賦存在巖體的孔隙之中可對其產生一定的靜水壓力和動水壓力。靜水壓力是因為水并不流動，但其靜壓力是存在的。而動水壓力是水在巖體孔隙中不斷流動所引發(fā)的，這種沖刷作用會加劇巖體的破碎程度。其二，水體具有軟化坡面的作用。礦山坡面中存在一定含量的土質成分，并且有些巖石在水的浸泡作用之下也會逐漸變軟。因此，水體產生的靜壓力﹑動壓力以及軟化效應都會顯著增加礦山坡面滑塌的風險，大量的礦山滑坡都是由此而引起的[4]。

2.3 爆破振動

爆破作業(yè)是在礦山巖層表面打孔，然后將爆破的雷管埋設在其中，其爆炸威力﹑爆破范圍以及爆破深度等都經過了嚴格的計算，爆破的目的是將覆蓋在礦層表面的堅硬巖石層破碎清除掉，借此來提高礦山開采的進度。爆破可引發(fā)地表的地質作用，爆炸產生的沖擊波可在巖土層中傳播，礦山邊坡中不連續(xù)的巖土帶在爆破的劇烈擾動作用下可產生滑坡的風險。根據(jù)工程測算，爆破作用會引發(fā)巖土體中的質點運動，而質點的運動速度決定了邊坡破壞變形的程度，當其運動速度超過25.4m/s時，就會出現(xiàn)小幅度的巖土剝落，運動速度越大，巖土破碎程度越嚴重，超過254m/s時，巖體將完全破碎，引發(fā)大面積的滑坡[5]。

2.4 坡體幾何形態(tài)

正如圖1所示，礦山邊坡的坡腳以及整體的坡高是滑坡風險的動力學影響因素，如果坡腳為零，即使巖石層完全破碎，也不會出現(xiàn)滑坡地質災害。坡角的存在導致重力對礦山坡面產生顯著的影響。露天礦山的邊坡在高度上甚至可達到數(shù)百米，如果邊坡的高度較大，且坡度也較為陡峭，那么其出現(xiàn)滑坡地質災害的可能性將進一步上升[6]。因此，礦山邊坡的幾何形態(tài)（尤其是坡高﹑坡度）會顯著影響坡體的穩(wěn)定性。

3 礦山滑坡的常見形式

礦山滑坡的形式與地質因素密切相關，不同地質條件下的礦山滑坡呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，主要可分為四種滑坡形式。第一，楔體滑坡。這種滑坡在幾何形態(tài)上類似于一個楔形體，當傾角小于坡面角且大于摩擦角時，會引發(fā)此類滑坡形式。第二，圓弧形滑坡。坡高大的碎裂巖體邊坡﹑土質邊坡以及散體結構巖體邊坡常出現(xiàn)圓弧形的滑坡面，剪切造成的破壞是其產生滑坡的主要原因，滑坡部分與邊坡的交界面呈現(xiàn)出弧形的姿態(tài)，故而稱為圓弧形滑坡；第三，傾倒滑坡。有些自然邊坡或者人工邊坡的坡面中存在陡峭的結構，當其受到重力的作用之后，陡峭面層向外側傾倒坍塌，形成滑坡地質災害。第四，平面滑坡。邊坡中局部區(qū)域以面層的形式整體向下滑坡，其幾何形態(tài)類似于一個平面，這種滑坡是因為邊坡中存在斷層，在層間形成了錯動面[7]。礦山邊坡的四種常見滑動形式可參考圖2來理解。

圖2 礦山邊坡滑坡常見形式示意圖

4 礦山邊坡支護施工技術應用

礦山邊坡的穩(wěn)定性直接關系到礦山安全生產的管理效果，因而礦山開采企業(yè)在日常管理中要對存在滑坡地質災害的區(qū)域實施人工加固，具體涵蓋了多種技術措施，常用的包括混凝土噴漿護坡﹑設置抗滑樁﹑設置金屬錨桿和錨索等。

4.1 抗滑樁施工技術要點

抗滑樁的作用原理較為簡單明確，如圖3所示，將樁體以特定的方式設置到礦山邊坡上存在滑坡風險的位置，樁體從側面向坡體產生阻礙作用，有效地防止其產生滑坡。目前可使用預制樁或者現(xiàn)澆樁來實現(xiàn)抗滑樁施工，預制樁包括鋼筋混凝土材質和鋼材質兩種主流形式?，F(xiàn)澆樁是在邊坡上的特定位置挖孔，然后搭設模板﹑下放鋼筋籠以及澆筑混凝土材料，使其形成穩(wěn)固的結構樁體。其施工方法上多采用挖孔灌注成樁的路徑。挖孔可采用機械及人工兩種形式，考慮到大部分礦山邊坡不宜搭設挖孔的機械，因而人工挖孔在施工中更為常見。以人工成孔為例，此類施工的技術要點如下[8]。

圖3 抗滑樁常用結構類型（a-椅式、b-門式、c-排架勢）

第一，人工挖樁及護壁施工。①抗滑樁通常成排設置，施工單位需根據(jù)設計圖紙準確定位樁位以及成排樁體的軸線，放樣過程中要做好誤差控制（10mm以內）；②為了防止挖孔樁的孔口位置受外力擾動變形，需建造專門的鎖口，其高度比原地面略高（一般是高出45cm）,鎖口采用現(xiàn)澆法施工，作業(yè)前需支模，確保其壁厚不低于40cm；③完成鎖口施工之后可為后續(xù)的挖孔作業(yè)創(chuàng)造良好的條件，如果作業(yè)現(xiàn)場的空間足夠搭設挖孔機械，此時可優(yōu)先選用機械挖孔的方式。否則應采用人工挖孔的作業(yè)形式，有些地質層為堅硬的巖石，人工挖孔難以開展，此時要采用爆破技術，在巖石上鉆孔，埋設炸藥爆破；④渣土運輸。人工挖孔過程中會在孔內產生大量的渣土，可在外圍搭設卷揚機，將渣土運輸?shù)街付ǖ攸c；⑤護壁施工。由于抗滑樁的體積和尺寸相對較大，為了防止灌注混凝土前塌孔，需設置護壁，同樣為現(xiàn)澆法施工，搭建模板，在其中澆筑混凝土，壁厚控制在20cm，其中預埋鋼筋，提高護壁的整體性。

第二，鋼筋工程?？够瑯吨幸O置大量的鋼筋，以提高其承載力和抗拉力。施工中使用的鋼筋材料需通過抽樣檢測的方式測定其抗拉性能﹑冷彎性能等是否達到設計要求，鋼筋加工過程中需控制好搭接長度并將搭接位置應錯開。鋼筋之間的固定方式為鐵絲綁扎或者焊接，具體需根據(jù)實際情況而定。待成孔護壁施工完畢之后，將鋼筋籠下放到孔內，并做好加固措施。

第三，灌注混凝土材料。在抗滑樁鋼筋工程驗收合格的情況下可繼續(xù)開展后續(xù)的砼澆筑作業(yè)，工程技術人員在樁心澆筑的過程中要對其做好記錄，在具體操作的過程中要注意出料口和澆筑面之間的距離，如果二者距離過大，漿液中的粗骨料和水泥漿液之間可能會出現(xiàn)離席的現(xiàn)象，因而灌注時將距離控制在2m之內。由于樁體高度較大，不可一次性灌注到位，而是應采用分層灌注的方式，每一層的厚度控制在30cm左右，待下料之后使用插入式振搗棒對其實施充分的振搗，并且為了防止上下層交界面出現(xiàn)融合不均勻的情況，振搗棒插入的深度要越過上下層的交界面。樁體的養(yǎng)護也是非常關鍵的一道工序，由于樁體為大體積混凝土結構，在凝固的過程中有可能產生干縮裂縫，因而要及時向其表面補水[9]。

4.2 混凝土噴漿護坡施工技術

對于坡度和高度都相對較小的礦山邊坡，可采用噴射砼護坡的技術方法，通常這種施工護坡施工技術與挖土邊坡或者填筑邊坡配合使用?；镜氖┕ぷ鳂I(yè)流程如下。第一，土方開挖或者填筑。采用人工和機械方式調整礦山邊坡的坡角和高度，使其處于合理的范圍之內，并且對表面進行夯實和沉降處理。這種人工邊坡的穩(wěn)定性已經達到了較高的程度，但為了進一步防止滑坡，還需采用噴射砼的方式形成保護面層。第二，護坡修理。將邊坡表面的異物﹑數(shù)值﹑凸起的石塊等清理出來，提高其表面的平整度。第三，砼初噴。在面層處理完成之后，在坡面上初步噴射一層砼，初次噴射砼的厚度控制在60mm的水平。第四，掛網加鋼筋。保護層的整體厚度一般在100mm，不同的項目可能存在一定的差異性，初噴完畢且達到凝固之后，要在其表面設置噴錨網片，鋼筋網豎向鋼筋的上部采用綁扎施工，下部采用焊接方式固定。由于復噴時會產生一定的沖擊作用力，為防止其影響鋼筋網片的位置，在施工前需牢固地固定鋼筋網片，為此，通常是先在坡面上設置土釘，然后將網片與土釘焊接在一起。第五，復噴。待鋼筋網片固定牢靠之后，即可采用噴射砼的方式完成復噴，厚度控制在40mm[10]。

混凝土的質量在噴砼施工中非常關鍵，粗集料的粒徑不宜過大，否則會影響砼噴射的效果，一般將粗集料的粒徑控制在12mm之內，混凝土的強度等級需根據(jù)設計要求來配置，在噴砼作業(yè)中要注意各類機械設備之間的配合效果，由于材料用量較大，需加強供料速度，材料的等待時間也不宜太久。

4.3 基于錨桿或錨索的礦山護坡施工技術

錨索框架或錨桿邊坡支護技術是兩種不同的技術路線，但二者在原理上的相似度非常高，因而大體上可歸為同一類邊坡支護施工技術。其施工要點如下。第一，造孔。根據(jù)坡面的特點，按照特定的間距在坡面上放樣出孔位，例如，將間距控制為4m×3.5m，由于坡面較高，作業(yè)時需搭設專門的腳手架平臺，可使用盤扣式腳手架系統(tǒng)，其搭設效率較高，并且承載力和安全性較鋼管式腳手架更為優(yōu)異。腳手架平臺上部使用錨桿和坡面錨固在一起，防止作業(yè)過程中腳手架坍塌。然后將鉆孔設備搭設在平臺上，按照從上到下的順序逐排完成鉆孔。第二，清孔。鉆孔過程中會在孔內形成大量的渣土和碎屑，因而在鉆孔結束之后可使用高壓力吹風設備將其中的石屑﹑粉末等吹出來，以達到清孔的目的。清孔結束之后可根據(jù)下一道工序的作業(yè)時間，采用臨時性的封孔措施，防止碎屑再次進入到孔內。第三，錨索框架梁施工。清除邊坡表面的松土，但清除的部位需再次填平，可使用水泥砂漿將其填平。緊接著在這一基礎上完成鋼筋固定﹑錨索鋼管固定﹑錨具定位﹑模板搭建以及混凝土澆筑等一系列工序。通常錨索和錨桿選擇其一，并且在工序上也極為接近。第四，下放錨索或者錨桿，并完成注漿。待成孔且其他預埋件施工結束后，將錨索或者錨桿施放到孔內，向其中注入水泥漿液。待條件成熟時完成錨固。

4.4 輔助性的邊坡維穩(wěn)施工技術

第一，邊坡防水施工。礦山邊坡的防排水施工技術雖然不能起到直接的礦山邊坡加固效果，但是這一技術可間接的減少地表水和地下水對邊坡的影響。施工的主要內容涉及排水溝﹑截水溝﹑排水孔等設施。例如，截水溝通常設置在坡頂面，并且和坡肩保持足夠的安全距離，具體地距離需根據(jù)坡頂?shù)牡刭|情況來確定。截水溝依據(jù)地勢而建，每隔一段距離就設置一個集水點，其深度比截水溝大，可在緊急情況下收納一部分地表形成的積水，防止坡頂面地徑流沖刷坡面。

第二，邊坡監(jiān)護施工。礦山滑坡地質災害大多是一個緩慢的蠕變過程，邊坡局部位置不斷變形，當其超過一定程度之后就會引發(fā)地質滑坡。工程實踐中要針對邊坡設置專門的監(jiān)測措施。主要監(jiān)測內容包括滲透壓力﹑降雨量﹑地下水位﹑邊坡裂縫﹑內部質點位移以及表面位移等。各種先進的傳感器和探測設備一旦監(jiān)測到可引發(fā)變形的因素，即可采取針對性的處理措施，將事故可能性降到最低程度。

5 結語

礦山邊坡地質災害的主要形式是滑坡，為了防止礦山滑坡，可采用設置抗滑樁﹑噴射砼面層﹑設置錨桿或者錨索等技術。不同的技術路線在適用范圍﹑加固效果方面存在一定的差異。除了加固施工，還需有效地處理地下水和地表水，如設置專門的排水溝﹑截水溝等。