徐建軍,王建光

(1.河南省地礦局第三地質(zhì)探礦隊(duì),河南洛陽(yáng) 471023;2.河南省地礦局第二地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450001)

邊坡支護(hù)施工過程中錨固失效事故分析

徐建軍1,王建光2

(1.河南省地礦局第三地質(zhì)探礦隊(duì),河南洛陽(yáng) 471023;2.河南省地礦局第二地質(zhì)隊(duì),河南鄭州 450001)

針對(duì)邊坡施工過程中常見的邊坡錨固失效事故類型,分析事故發(fā)生原因,提出相應(yīng)的預(yù)防措施和補(bǔ)救措施,對(duì)于預(yù)防和減輕事故損失具有借鑒作用。

邊坡支護(hù);錨固失效;事故處理;預(yù)防措施

0 前言

隨著西部大開發(fā)步伐的加快,西部經(jīng)濟(jì)建設(shè)進(jìn)入高潮時(shí)期,大型工程建設(shè)項(xiàng)目多處于山區(qū),基建工程邊坡開挖不可避免,大量的邊坡采用錨固方式加固。特別是礦山建設(shè)工程,大量的建筑物、構(gòu)筑物直接布置在山體上,工程布局依山而建,受場(chǎng)地限制不得不大量開挖山體,甚至形成高陡邊坡,邊坡平臺(tái)荷載大,而且有動(dòng)載,邊坡的加固設(shè)計(jì)和施工顯得尤其重要。邊坡的合理設(shè)計(jì)和施工過程控制,可以避免不必要的工程事故損失,不但能節(jié)約投資,降低工程造價(jià),保證邊坡工程的安全性、長(zhǎng)久性、穩(wěn)定性,而且保證合理的施工工期,使工程建設(shè)項(xiàng)目早日建成發(fā)揮作用。本文以陜西大西溝鐵礦東部礦體焙燒場(chǎng)地邊坡支護(hù)工程為背景,對(duì)于工程施工過程中出現(xiàn)的幾起典型錨固工程失效事故進(jìn)行分析,指出邊坡設(shè)計(jì)和施工中存在的問題、采取的工程補(bǔ)救措施,提出了工程施工中的預(yù)防措施,對(duì)于類似工程預(yù)防事故發(fā)生具有重要借鑒作用。

1 工程概況

陜西大西溝礦業(yè)有限公司礦區(qū)所在地距西康鐵路柞水站 25 km,西安—柞水高速公路通車后距西安 100 km。公司所屬大西溝鐵礦位于柞水縣城以東小嶺鎮(zhèn)境內(nèi),大西溝鐵礦礦床內(nèi)的菱鐵礦石總儲(chǔ)量 3102億 t,含鐵平均品位 28101%,屬全國(guó)特大型鐵礦床之一,占陜西鐵礦總儲(chǔ)量 4716%。

為了發(fā)揮區(qū)域資源優(yōu)勢(shì),公司在現(xiàn)有規(guī)模的基礎(chǔ)上對(duì)大西溝菱鐵礦進(jìn)行開發(fā)。確定一期東部礦體(露天開采)建年處理原礦 90萬 t生產(chǎn)規(guī)模,年產(chǎn)鐵精礦 30萬 t,二期西部礦體 (露天開采)建設(shè)年處理原礦 800萬 t生產(chǎn)規(guī)模,該項(xiàng)目委托鞍山冶金設(shè)計(jì)研究總院進(jìn)行可行性研究和設(shè)計(jì)工作,總投資約 18億元。項(xiàng)目建成后,新增鐵精礦 270億 t。

大西溝鐵礦東部礦體焙燒工業(yè)場(chǎng)地位于秦嶺南柞水縣小嶺鎮(zhèn)大西溝內(nèi) 7 km處南面山坡上。礦區(qū)地處秦嶺腹地,山大溝深,地質(zhì)條件復(fù)雜,邊坡支護(hù)便成為工程建設(shè)的首要任務(wù)。本工程項(xiàng)目屬于一期東部礦體焙燒場(chǎng)地邊坡支護(hù)工程。

2 工程邊坡設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

2.1 邊坡地形地貌

大西溝菱鐵礦大地構(gòu)造位置位于秦嶺地槽北部的華力西褶皺帶上,屬秦嶺緯向構(gòu)造帶南亞帶的北側(cè)。本地區(qū)總的褶皺形態(tài)為一巨大的復(fù)向斜,即蔡玉窯 -西廬山復(fù)向斜,軸向東西,兩翼基本對(duì)稱,北翼被九華山巖基吞蝕;斷裂發(fā)育程度中等,主要斷裂為東西向的華力西褶皺帶南北兩翼的深大斷裂及鳳鎮(zhèn) -山陽(yáng)深大斷裂。本區(qū)沿大西溝為一條主要斷層,屬于鳳鎮(zhèn) -山陽(yáng)深大斷裂的一部分。并伴隨有次生斷層和受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的破碎帶。擬建的90萬 t/年的菱鐵礦采選項(xiàng)目地貌單元屬構(gòu)造剝蝕高中山褶皺山地地貌。地形北高南低,山勢(shì)陡峭,嶺脊地勢(shì)高緩,山坡陡傾,傾角為 30°～60°,海拔一般800～1300 m,脊谷相對(duì)高差 100～200 m;占地面積200余畝 (13萬 m2);第四系覆蓋層厚度變化大,主要由碎石土和夾碎石的粉質(zhì)粘土組成,整個(gè)場(chǎng)地的第四系地形的形成是由巖基呈塊體滑動(dòng)坡積、堆積形成,植被發(fā)育。人工梯田改變天然坡面形成多個(gè)人工梯埂,坡面殘存滾石。

據(jù)勘探揭露,擬建場(chǎng)地地層自上而下依次為第四系全新統(tǒng)耕土、含角礫粉質(zhì)粘土、碎石及下石炭統(tǒng)千枚巖、板巖等。在勘察期間,勘探孔中未見到地下水,在擬建場(chǎng)地⑤號(hào)邊坡上方第四系與基巖面存在滲水。從坡前取水分析結(jié)果判定本地區(qū)地下水為中性水,無腐蝕性。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,本地區(qū)坡面覆蓋層主要由疏密不均的坡積物組成,下伏基巖產(chǎn)狀與坡面一致,存在有外傾結(jié)構(gòu)面,不同時(shí)期的松散層多次沿基巖面產(chǎn)生塊體滑動(dòng);在千枚巖中未發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)面。

2.2 設(shè)計(jì)概況

在這樣的地形地貌地層的場(chǎng)地上擬建 8個(gè)不同高程的施工平面,建設(shè) 17個(gè)單位工程。邊坡高度最低為 6 m,最高為 31 m。共剝離土石方 12萬 m3,土釘、錨桿 (索)3117根,總長(zhǎng)度為 63240 m,噴護(hù)面積26335 m2,混凝土擋墻 3000 m2。

大西溝鐵礦東部礦體開采焙燒場(chǎng)地平面布置依山勢(shì)從上向下依次展布,其中有電機(jī)車修理庫(kù)場(chǎng)地(1號(hào)和 10號(hào)坡)、轉(zhuǎn)運(yùn)站 (2號(hào)坡)、粗破碎和高壓配電室場(chǎng)地 (3號(hào)坡)、中細(xì)碎、篩分場(chǎng)地 (4號(hào)坡)、卸煤場(chǎng)地 (5號(hào)坡)、回轉(zhuǎn)窯焙燒室場(chǎng)地 (6號(hào)坡)、煤粉制備間場(chǎng)地 (7號(hào)坡)、中間礦倉(cāng) (9號(hào)坡)等,每個(gè)場(chǎng)地都是山坡開挖形成,邊坡傾角 60°～80°。其中1、10、3、4、5號(hào)邊坡為土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu);5、6、7號(hào)邊坡為預(yù)應(yīng)力錨索、噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu);5、7號(hào)邊坡中有部分錨桿?；炷翐鯄ξ挥诨剞D(zhuǎn)窯焙燒室場(chǎng)地的下游 8號(hào)坡填土部分坡腳。

設(shè)計(jì)邊坡為永久邊坡,安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),安全系數(shù) Ks≥1135,支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為 111。

2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.1 巖土參數(shù) (表 1)

表 1 設(shè)計(jì)巖土參數(shù)

2.3.2 錨索、錨桿設(shè)計(jì)強(qiáng)度 (表 2)

表 2 錨桿、錨索材料

2.3.3 設(shè)計(jì)荷載

公路按掛 -100,單向行駛設(shè)計(jì),荷載距坡肩距離 015 m,荷載強(qiáng)度 q=47135 kPa,鐵道按Ⅲ級(jí)鐵路設(shè)計(jì),混凝土枕木路基,荷載強(qiáng)度 q=56160 kPa。

2.4 邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

錨桿、錨索孔徑 140 mm,傾角 15°,孔內(nèi)灌 M30砂漿;錨桿、錨索間距 2 m ×2 m,長(zhǎng)度 6～21 m不等,錨索最大預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值 300 kN。

噴射混凝土 C25,厚 150 mm,面板鋪設(shè) “8 mm鋼筋網(wǎng)片,間距 200 mm×200 mm。錨索錨頭部位用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板橫向整體連接,現(xiàn)澆板厚度200 mm,寬度 300 mm,混凝土強(qiáng)度 C30,雙層配筋,鋼筋直徑 14 mm,間距 200 mm,箍筋 6@200,鋼筋保護(hù)層不小于 25 mm。

2.5 混凝土擋墻

8號(hào)填土邊坡采用懸臂式混凝土支擋,基礎(chǔ)長(zhǎng)2612 m,高 118 m,寬 218 m,基底為碎石土 (部分為基巖);

混凝土擋墻高 310 m,為梯形變截面,底寬 210 m,頂寬 018 m,厚 112 m;

混凝土擋墻以預(yù)應(yīng)力錨索平衡坡體下滑力,墻上設(shè)計(jì) 3排,每排 6根,共 18根錨索,錨索采用后張法施工;

對(duì)滑坡土體采用土工膜防滲,反濾層和排水管排水;

其中在混凝土擋墻 3個(gè)錨索外錨頭下安裝 C×2000KNC(1件)、C×1000型 (2件)長(zhǎng)效壓力計(jì)傳感器。

3 施工過程中出現(xiàn)的事故分析

在工程施工過程中由于設(shè)計(jì)和施工環(huán)節(jié)、管理協(xié)調(diào)等問題,施工過程中出現(xiàn)了坡體下滑、坡頂裂縫、擋墻滑移等工程質(zhì)量事故,造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失,出現(xiàn)了不應(yīng)有的施工失誤。

3.1 坡體下滑

卸煤場(chǎng)地 5號(hào)坡,設(shè)計(jì)坡長(zhǎng) 64 m,邊坡高 1814 m,坡度 72°,錨索上下間距 115 m,長(zhǎng)度 6～18 m。當(dāng)邊坡開挖至 12 m時(shí),上部坡面 9 m混凝土已噴射,下部 3 m開挖后沒有及時(shí)支護(hù),而且邊坡上部已噴射混凝土坡面的 6排錨索沒有預(yù)張拉。2006年 3月 18日,坡面已噴射的混凝土面板長(zhǎng)度近 30 m整塊從坡體上滑脫,由于錨索的支撐牽扯,懸掛在坡面上,由于下部 3 m沒有噴射混凝土,混凝土面板下的破碎巖體塌落形成空洞,不僅造成巨大經(jīng)濟(jì)損失,形成安全隱患,給工程搶險(xiǎn)、事故補(bǔ)救帶來很大困難。

筆者分析,事故原因主要有以下幾條:

(1)山坡開挖超過設(shè)計(jì)分層高度 2 m,下部暴露坡面沒有及時(shí)噴射混凝土封閉,造成未及時(shí)支護(hù)的邊坡暴露面過大,引起部分坡面塌落,噴射混凝土面板和坡面間形成空洞。

(2)設(shè)計(jì)錨索端部采用 400 mm×400 mm鋼墊板,錨索和噴射混凝土施工時(shí)間超過 15天,錨索沒有加墊板預(yù)張拉,混凝土面板和坡面在錨索沒有張拉前,由于巖體破碎沒能形成有效的坡體應(yīng)力,混凝土面板對(duì)坡體沒有約束力,導(dǎo)致混凝土面板從坡體滑脫。后經(jīng)過采取措施,在混凝土初凝后就把墊板套上進(jìn)行錨索預(yù)張拉,有效地避免了此類事故的再發(fā)生。

(3)巖體易風(fēng)化,結(jié)構(gòu)破碎,加上春季化雪,雨水滲入巖體強(qiáng)度降低,增加了坡體的不穩(wěn)定性。

后來采取工程補(bǔ)救措施:坡面和噴射混凝土之間的空洞采用毛石混凝土砌筑,開挖后及時(shí)初噴混凝土封閉坡面,張拉后坡面空洞充填注漿等。

3.2 坡頂裂縫

在 6號(hào)坡支護(hù)過程中,由于開挖坡頂上部是一斜坡體,尚沒開挖,在坡面開挖至 8 m時(shí),坡頂上部斜坡體出現(xiàn)明顯裂縫,且裂縫發(fā)展速度明顯加快,最寬裂縫寬度十幾厘米,為保證邊坡施工安全,不得不停工觀察,待裂縫寬度發(fā)展穩(wěn)定時(shí)才繼續(xù)施工。

造成本次坡頂裂縫原因表面上是 6號(hào)破開挖破壞了巖體的平衡條件,坡腳開挖,坡頂荷載過重,上部邊坡沒有同步開挖,造成坡面滑移。筆者分析認(rèn)為,還有一個(gè)更重要的原因是 6號(hào)坡施工過程中,由于錨索注漿,大量水泥漿液注入巖體,巖體裂隙發(fā)育,遇水后巖體強(qiáng)度迅速降低,巖體沿著潛在滑移面滑動(dòng)造成坡頂裂縫。

3.3 混凝土擋墻滑移

8號(hào)坡下部是填土區(qū),設(shè)計(jì) 3 m高混凝土擋墻支擋填土,擋墻原來沒有設(shè)計(jì) 3排錨索張拉,只設(shè)計(jì)了混凝土擋墻。在擋墻建成后,上部剝離巖體逐漸填滿擋墻背后。當(dāng)擋墻背后巖土體堆滿后,這時(shí)混凝土擋墻發(fā)生了整體向前滑移,造成極大的安全隱患。后經(jīng)多方協(xié)商,只得重新設(shè)計(jì) 3排錨索來平衡墻后土體壓力。但此時(shí)再打孔裝錨索施工就非常困難:一是擋墻背后是填土區(qū),巖塊大小不一,成孔困難;二是錨索張拉后容易應(yīng)力損失。最后錨索成孔不得不用跟管鉆進(jìn),花費(fèi)很大代價(jià)才補(bǔ)救成功。究其原因,一是擋墻基底不完全是基巖,設(shè)計(jì)擋墻抗滑安全系數(shù)不夠;二是對(duì)擋墻后土壓力估計(jì)不足,才造成如此事故教訓(xùn)。

4 施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

施工中在其它邊坡開挖中也曾出現(xiàn)一次開挖面過高出現(xiàn)邊坡坍塌事故,設(shè)計(jì)的錨頭鋼墊板尺寸偏小,致使錨索張拉過程中鋼墊板陷入土體過深等設(shè)計(jì)和施工中的問題,都是值得注意的問題。邊坡工程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及到勘查、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、防水等諸方面,任何一個(gè)環(huán)節(jié)都不能出差錯(cuò),否則不但會(huì)造成工期延誤,經(jīng)濟(jì)損失,而且為以后邊坡的運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成困難。

縱觀邊坡施工中出現(xiàn)的事故,分析其原因無非是勘查、設(shè)計(jì)和施工中的不符合規(guī)范行為所致?？辈?、設(shè)計(jì)和施工要緊密相連,一環(huán)緊扣一環(huán),任何環(huán)節(jié)的失誤都可能導(dǎo)致后面工序的重大事故出現(xiàn),因此,要從系統(tǒng)的整體的觀念看待邊坡施工,從基礎(chǔ)做起,嚴(yán)格按規(guī)范施工,避免出現(xiàn)不必要的損失。

邊坡勘察是工作的基礎(chǔ),也是非常重要的一項(xiàng)工作。通過邊坡工程地質(zhì)水文地質(zhì)的勘察,為邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和邊坡設(shè)計(jì)所需的物理力學(xué)參數(shù)提供科學(xué)的依據(jù)。邊坡的勘察要從邊坡的調(diào)查、氣象、水文和工程地質(zhì)條件的調(diào)查收集到專項(xiàng)技術(shù)的研究、以及工程地質(zhì)的詳勘等進(jìn)行系統(tǒng)化的策劃和組織實(shí)施。

邊坡設(shè)計(jì)方案的合理與否決定著邊坡工程整體效益。根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境條件,在保證邊坡穩(wěn)定性的前提下設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的方案,即邊坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,才能做到安全可靠、施工順利、縮短工期,達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。所以,在邊坡設(shè)計(jì)過程中,不但要考慮邊坡設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和工程環(huán)境的協(xié)調(diào)性,而且要按照系統(tǒng)方法對(duì)設(shè)計(jì)特征值的選取、穩(wěn)定性系數(shù)的確定、安全等級(jí)的劃分、計(jì)算方法的遴選、設(shè)計(jì)方案的比較進(jìn)行優(yōu)化。

同時(shí),在設(shè)計(jì)過程中要貫穿動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)思想,根據(jù)施工信息反饋的資料,對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證,如確認(rèn)原設(shè)計(jì)條件有較大變化,及時(shí)補(bǔ)充、修改原設(shè)計(jì)。

所謂施工過程中的信息反饋主要指 2個(gè)方面:一是指坡面開挖過程中對(duì)暴露出來的地質(zhì)構(gòu)造、地下水分布的變化及未知地下建筑物的信息反饋;二是指施工過程中對(duì)邊坡位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)的信息反饋。巖土的層面結(jié)構(gòu)多變,影響因素多,物理力學(xué)性能各向異性大。其結(jié)構(gòu)計(jì)算原理及各種參數(shù)取值有較大的不確定性,不可能一次計(jì)算到位。施工階段的不穩(wěn)定性因素多,邊坡位移及應(yīng)力監(jiān)測(cè)能為施工提供直接的原始依據(jù)。

邊坡的施工質(zhì)量是確保邊坡穩(wěn)定的非常重要的環(huán)節(jié)。從原材料的購(gòu)進(jìn)、成孔設(shè)備的選取、成孔方法的確定、錨桿 (索)的制作、注漿的質(zhì)量、噴護(hù)的質(zhì)量等等要嚴(yán)格把關(guān),強(qiáng)調(diào)施工過程的質(zhì)量。同時(shí)要采用信息法施工,就是將設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)及信息反饋融為一體的現(xiàn)代施工方法。信息施工方法是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的延伸,也是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的要求。尤其對(duì)于地質(zhì)情況復(fù)雜、穩(wěn)定性差的邊坡工程,施工期間的穩(wěn)定安全控制更為重要。在施工過程中,應(yīng)貫穿于全過程,使監(jiān)控網(wǎng)、信息反饋系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工活動(dòng)有機(jī)結(jié)合在一起,不斷的將現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)變化情況及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工部門,以便調(diào)整設(shè)計(jì)和施工參數(shù),指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

對(duì)于大型邊坡工程,邊坡穩(wěn)定性安全監(jiān)測(cè)是監(jiān)視邊坡穩(wěn)定性狀況必不可少的手段,也是非常重要和必要的。通過安全監(jiān)測(cè),獲取邊坡變形的信息并對(duì)獲取信息進(jìn)行科學(xué)的分析和處理,掌握第一手的資料,以便及時(shí)地確定相應(yīng)的處理方案,同時(shí),為今后邊坡的治理積累資料。所以,在監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)方面,要把傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段和現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合起來,把常規(guī)監(jiān)測(cè)和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、特殊監(jiān)測(cè)結(jié)合起來;處理數(shù)據(jù)時(shí),要把經(jīng)驗(yàn)方法和現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合起來。

5 結(jié)語(yǔ)

巖土邊坡是一種復(fù)雜的地質(zhì)體,巖土的物理力學(xué)性質(zhì)、破壞模式,這些因素都存在著不確定性,如何從工程施工的各個(gè)環(huán)節(jié)預(yù)防邊坡錨固事故的發(fā)生,如何把這些復(fù)雜的、不確定性的因素合理的考慮、把影響邊坡工程安全的不利因素控制在一個(gè)可承受的范圍內(nèi),從源頭上預(yù)防事故的發(fā)生,需要有一個(gè)整體系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)方法,這對(duì)于減少工程事故、避免不必要的工程損失具有重要意義。

[1] 曾憲斌,麥榮強(qiáng),林思波.錨索結(jié)構(gòu)梁在巖質(zhì)滑坡治理中的應(yīng)用[J].探礦工程 (巖土鉆掘工程),2009,36(4):72-75.

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Analysis on Anchorage Fa ilure in Side Slope Support Construction

XU Jian-jun1,WANG Jian-guang2(1.No.3 Geological Prospecting Team,HenanBureau of Geology andMineral Exploration,LuoyangHenan 471023,China;2.No.2 Ge-ological Team,Henan Bureau of Geology andMineral Exploration,Zhengzhou Henan 450001,China)

Based on the common failure types in the side slope support construction process,analysiswasmade on the acci-dent causes and the corresponding preventive and remedialmeasureswere put forward to prevent and reduce the loss from accident.

side slope support;anchorage failure;accident treatment;preventive measures

TU753.8

A

1672-7428(2010)01-0063-04

2009-11-16

徐建軍 (1966-),男 (漢族),河南偃師人,河南省地礦局第三地質(zhì)探礦隊(duì)副總工程師、高級(jí)工程師,采礦工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè),碩士,從事探礦工程、巖土工程、采礦工程技術(shù)與管理工作,河南省洛陽(yáng)市關(guān)林,xjj8902@163.com;王建光 (1974-),男 (漢族),山西榆次人,河南省地礦局第二地質(zhì)隊(duì)副隊(duì)長(zhǎng)、高級(jí)工程師,巖土工程專業(yè),從事探礦工程、巖土工程技術(shù)與管理工作,河南省鄭州市科學(xué)大道81號(hào),wjgwjg2000@163.com。