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。
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)復雜,開挖難度極大。
礦區(qū)地下水為巖溶裂隙水,溶洞導水性好,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。
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。
3.1.1 掘 進
根據(jù)地質(zhì)條件及巖性,采用手風鉆穿孔,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,非電毫秒導爆管和導爆索,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及時進行混凝土襯砌支護?;炷林ёo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。
(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)施工預裂孔。第2、3 層邊墻預留2 m 巖石作為保護層,先分塊進行預裂爆破,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。沿施工預裂線架設(shè)100B 型潛孔鉆機,根據(jù)分層高度不同穿鑿預裂孔,預裂孔間距1.5 m,φ90 mm,間隔裝藥,導爆索連接,非電起爆。
(3)中部塊段抽槽。塊段施工預裂爆破孔后,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。
(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。