露天矿山道路设计及施工

邱锦标

（江西铜业集团公司德兴铜矿， 江西德兴市 334224）

露天矿山道路设计及施工

邱锦标

（江西铜业集团公司德兴铜矿， 江西德兴市 334224）

总结了露天矿山运输道路设计施工的路基、路面结构，曲线段、纵断面设计及道路定线与养护等技术要点。根据德兴铜矿生产实践，合理优化设计其主干运输道路，提出其具体施工方案。该设计道路线路衔接平稳，变坡均匀自然、路面平整耐磨、合乎规范，保障了车辆工作效率。

露天矿山；运输道路；道路设计；道路养护

德兴铜矿为特大型露天矿山，年采剥总量达到1.24亿t。采区运输道路的修筑和养护影响运输车辆的各项经济指标和使用寿命。为了使运输道路的设计符合规范、指导道路养护、保障车辆工作效率、降低运行成本，根据德兴铜矿采区运输道路现状和道路质量对汽车运输的影响及存在的问题进行分析，提出露天矿山道路设计与施工方案。

1 道路分类与技术等级

露天矿山的道路与一般道路比较，具有断面形状复杂、线路坡度大、转弯多、运量大、曲率半径小、车辆载重大等特点。因此，要求道路结构复杂，在一定服务期间内应保持相当的坚固性和耐磨性。露天矿山道路按用途可分为生产型和运营型两类，前者主要运送矿石、岩土，后者属于一般辅助公路（联络公路）。

生产型道路按其服务期限可分为固定道路、半固定道路和临时道路。固定道路是指采区出入沟及地表永久性公路，服务期限均为3a以上；半固定道路是指通往采矿工作面和废石场排放点的道路，服务期限为1～3a；临时公路是指采掘工作面到主运输线的连接道路，这种道路由于线路不断移动，一般不修筑路面，只需适当整平、压实即可。

露天矿山道路按行车密度、行车速度和年运量可分为3个等级，见表1。

2 道路路基与路面结构

2.1 道路路基

露天矿山道路质量在很大程度上取决于路基的稳定性。影响路基稳定性的因素除地质条件、施工方法外，地面积水和地表水拦截和引导也十分重要。路基的施工根据地形而异，按其断面形式可分为填方路基、挖方路基和半填半挖方路基3种。路基横断面主要参数有路基宽、路面、路肩横坡、路基边坡和排水纵坡等。

表1 露天矿山道路等级

路基宽度由路面宽度和路肩宽度组成。路面宽度（行车路面宽度）与自卸汽车外形尺寸和行车速度有关，车辆高速行驶时不能保证汽车行驶在路面中线，而是沿着路面中心线的一边摆幅前进，会车时两车间就要有一定安全间距。

路面的横断面形状一般有镰刀形、槽形和半槽形，通常形成路拱，即路面中心线部分最高，逐渐向两侧低斜，路面横坡便于流出路面雨水，坡度以保证运输车辆的稳定性为原则。根据路面类型不同而设置相应路面横坡值，如水泥路面为1%～1.5%，碎石路面为1.5%～4%等。降雨量大的地区采用上限值，路肩横坡一般比路面横坡大1%～2%，在少雨地区可减至0.5%，甚至与路面横坡相平。

路基边坡应根据当地地质、水文条件、筑路材料和施工方法来确定。路基边坡一般为1∶1.5或1∶1.25；路堑边坡一般为1∶0.5或1∶1.5。

路基排水纵坡可根据地形、地质及线路设计、排水涵管布置等条件综合考虑。排水设施一般采用路边沟、截排水沟、排水盲沟，埋设涵管等。上述各种沟道的纵坡倾斜不应小于0.2%。

2.2 路面结构

根据运输载荷车辆的工作状况不同，路面可分为柔性路面和刚性路面两类。柔性路面包括沥青碎石路面、碎石与土结合的粒料路面、块料铺砌路面和各种加工土路面。柔性路面容易产生剩余变形，车辆运行次数越多，变形问题越大，未破坏前发生剩余变形小，且路面强度不够，容易变形、破坏。刚性路面一般是水泥路面和沥青浇筑路面，修筑工期长、成本高。

露天矿山道路路面可分为4级：高级路面，如水泥混凝土路面、整齐的块石和条石路面；次高级路面，如黑色碎石路面、沥青灌入碎石路面和沥青表面处理路面；中级路面，如砌石路面；低级路面，如粒料加固土路面。

路面结构分为单层和多层2种形式。单层路面是在路基上铺垫单一面层，而多层结构则铺有面基层、垫层和面层3层。各层材料的变形量值，自上而下逐层减少，而其厚度则应自上而下逐层加厚。

路面类型及结构对于自卸汽车运营具有重要影响，见表2。秉着经济的原则，路面类型应根据投资偿还期限及运营费用的经济性选择，同时考虑运输线路服务年限、汽车车辆类型、就地取材等条件，经过分析进行确定。

表2 汽车经济运营与路面类型关系系数

3 道路的平面要素

道路由直线和曲线段组成。线路平面要素包括：道路曲线半径、切线长度、曲线长度、外矢距、曲线段超高、曲线段路面加宽、线路连接、视距、回头曲线等。

（1）道路曲线半径。线路的曲线半径是根据汽车结构特征而定的，道路最小曲线半径应大于汽车的最小转弯半径，根据汽车轴距、路面横坡和汽车正常运行速度来确定。按照曲线段汽车运行产生的倾覆离心力和曲线段超高引起的下滑力平衡的原理导出。

（2）曲线段超高。汽车行驶在曲线段上受离心力的作用，使汽车向曲线外侧滑或倾斜，为此通常将外侧路面加高，这称为曲线外侧超高。平直线段路面的横断面常常是双向倾斜，当其与曲线段相接时，横断面由双倾斜逐渐过渡到单向倾斜，这一过渡路段称为缓和曲线段，其外侧逐渐超高。向转弯内侧倾斜的单向坡面与路面的水平产生的夹角称为超高横坡。超高横坡一般为2%～6%，最大不超过10%。具体值根据道路车速、平曲线半径、路面类型和气候条件等因素来确定。不同车速与平曲线半径的超高横坡值不同，见表3。

表3 不同车速与平曲线半径的超高横坡值

（3）路面曲线段加宽。汽车在曲线段上行驶时，各车轮所处的位置不同，轮胎运行的曲线半径也不同，后轴内侧车轮的转弯半径最小，前轴外侧车轮的转弯半径最大。因此，行车路面的宽度需加大（一般在内侧加宽），增宽部分称为曲线段加宽。加宽应从直线段末或缓和曲线段开始，逐渐加宽至圆曲线部分。若公路两侧路肩各为2m，且路面加宽不到1 m时，路基可不加宽；若路面加宽大于1m时，路基加宽应按内侧路肩宽度不小于1m计算。

（4）线路连接。包括直线段与曲线段相连接和相邻两平曲线相连接2种。直线路段与曲线路段的连接，为使运输汽车平衡通过曲线路段，在直线路段与曲线之间应设置缓和曲线路段。相邻两平曲线路段连接，相邻两同向平面曲线路段不设超高横坡或所设超高横坡相同时，可以直接连通；当路段超高横坡不同时，中间需要按两相邻超高横坡之差设置超高缓和线段。相邻两反向平曲线路段不设超高时，中间设不小于自卸汽车长的直线段，条件困难情况下可不设置直线段，但必须减速运行；两相邻反向平曲线段均设超高时，中间应有不小于两超高缓和段长度的直线段。

（5）视距。即司机在行车时能看到前方路面、车辆或道路上障碍物的最短距离，视距可分为停车视距和会车视距。其在各级公路上的最小视距见表4。弯道内侧的建筑物、树木、路基边坡或其他障碍物尽可能清除，保证车辆行车安全。

表4 露天矿山汽车在各级公路上的最小视距

（6）回头曲线。有时受地形和采场长度限制，需迂回修筑公路，用锐角转折，即弯道布置在夹角之外，这种弯道称为回头曲线。回头曲线又有对称与非对称回头曲线之分。

4 线路纵断面要素

线路的纵断面是计算线路的填挖方量及线路在垂直向上的合理衔接，线路纵断面由水平线、倾斜线、凹竖曲线、凸竖曲线及不同坡度的连接线组成。两相邻不同坡度线的相交点称为变坡点，变坡点应分别设置凸形或凹形竖曲线以缓和坡度。

（1）最大允许纵坡。如纵坡过大，汽车上坡时长久使用低速档，水箱里的水温升高甚至沸腾，油管易于“气阻”而产生发动机熄火，卡车机械损耗加剧；下坡时，重车制动困难，制动器急剧升温，刹车次数多使轮鼓发热制动失效而产生安全事故。纵坡过小时则会使线路增长、土方工程量增加、基建费用增多，各级公路的最大允许纵坡为：Ⅰ级6%，Ⅱ级8%，Ⅲ级10%。

（2）限制坡长。为防止汽车在长陡坡段上运行时发动机和制动器过热而发生故障，根据生产现场对道路设计坡段长度做出限制。当纵坡坡度i为5%﹤i≤6%时，限制坡长L不大于800m。

（3）纵坡折减。当平曲线半径≤50m时，该平曲线的最大纵坡应根据表5予以折减速。高原地区各级公路的纵坡折减值视海拔高度而异，海拔在5000m以上减3%；海拔为4000～5000m时减2%；海拔为3000～4000m时减1%，最大纵坡折减后，其值小于4%时，仍取用4%。

表5 平曲线纵坡折减

（4）竖曲线。车辆在两相邻曲线段由下坡转为上坡时，需在变坡点设置凹形竖曲线；由上坡转向下坡时，需在变坡点设置凸形竖曲线。其竖曲线半径按表6选用。

表6 竖曲线最小半径

5 道路定线与施工

在道路设计中，首先要根据作业现场进行定线，按设计的线路参数施工，施工技术应保证曲线段外侧超高，内侧加宽，合理确定线路连接与视距等。

露天矿山采区内拟定线路要考虑开采境界、边坡稳定。露天矿采场出入沟口的位置与标高是一个重要控制点，其标高应与矿岩卸载点标高和地形相适应。优化线路系统可有多个方案，经比较后选择最佳方案，然后具体确定线路，主要控制道路纵坡。在深凹露天矿中，确定线位自上而下进行，根据开采设计提供的台阶高度、运输平台宽度、台阶开采终了坡面角和道路纵坡等数据逐段进行计算与设计。线路密集区段必须综合考虑道路群的平、纵关系及排水、护坡。

道路定线方法一般采用“零点法”，即按照拟定的线路和走向，采用一定的纵坡，沿地形等高线或采区内台阶等高线找出道路中心线的填挖高度等于零的点，再将各零点连成一线，调整此线的平纵断面，确定出线位。由于露天矿山道路路基大部分处于挖方地段，“零点法”往往就在路基边缘线，而不是道路中心线，要把边坡的稳定情况考虑进去，因此该法只能作为确定线位的参考。

6 道路通过能力与运输能力

道路通过能力取决于单位时间内通过线路特定地点的最大汽车数量，其与行车线数量、路面质量与状态、汽车运行速度以及安全行车间距有关。汽车行车速度直接影响道路通过能力。自卸汽车运输能力取决于汽车的载重量、运输周期和每班的作业计时等。利用安装在汽车上的自动计量监测系统可以掌握汽车的装载量，提高汽车的运输效率。

7 道路养护与防尘

道路养护在于保持路基、路面和构筑物的完好状态，以保证卡车运行安全，避免汽车轮胎和道路的过度磨损。做好路基排水、清扫排水沟、平整路肩、清除路面撒落物等使之平整；在砾石道路上撒细粒碎石或粗粒砂防滑；在冬季要防止路面结冰，防止冰冻的化学方法是使用氯化纳及氯化钙水溶液，冰冻温度可分别下降为－221.2℃和－55℃。

公路维修包括小修、中修和大修。小修包括紧急修补路基、路面及线路环境；中修包括恢复磨损路面、排水沟、加固路肩、整理线路坏境等；大修包括恢复路基及道路所有磨损的部分及构筑物。

露天矿山粉尘污染在空气中的含尘量可达600～900mg／m3，大大超过环保标准，降低了汽车运行的安全性及运行速度，特别是加速了发动机的磨损。粉尘防治的方法是向道路洒水，铺设灰尘少的路面，对碎石、砾石及土质路面则用吸水盐类和有机胶结材料进行处理。

8 德兴铜矿露天运输道路设计应用

8.1 道路最佳坡度

经研究在不同的滚动阻力值条件下，一辆满载汽车在爬上一定高度时运输道路坡度的变化对运输时间的影响，及对卡车运输费用的影响，得出道路的最佳坡度大约为7.5°，这个数值一般与滚动阻力或爬坡高度无关。根据运行时间值比相应的最小值大5%，则得出坡度范围为6.5°～9.5°；如果大于10%时，则坡度范围扩大为4.9°～10.2°。

出于安全考虑，运输道路坡度不应超过5.7°，采用这种坡度时，运输时间绝对不能高于正常值的7%。

8.2 运输道路合理优化

运输道路受矿山设计的影响，矿山设计决定道路参数，如坡度、运输布置、曲线与折返线。运输道路路面平整度与滚动阻力是2个关键问题。运输汽车行驶在坑洼和颠簸路段时轮胎、悬挂装置、固体结构和动力装置受到冲击。该冲击力与车辆总重量呈线性关系，并随汽车速度呈幂次增加的趋势。这些冲击力导致轮胎费用上升，缩短了汽车使用寿命。

滚动阻力也影响汽车的轮胎磨损和开裂，降低车辆的生产力、增加成本。滚动阻力一般用“等值坡度”来表示，滚动阻力增大时汽车减慢，同时效率降低、燃油消耗上升。道路的修补和保养可降低轮胎滚动阻力。

8.3 汽车运输道路护堤参数

随着德兴铜矿自卸汽车的载重量不断增大与车辆总数的增多，自卸汽车运行密度大大提高，同时，在大气降水和重力作用下，护堤高度逐渐沉降，其断面由三角形变成半椭圆形，从而实践得出道路护堤参数为：运输公路护堤坡面角37°、运行速度小于50 km／h的空车和小于20km／h的重车，考虑到汽车侧向稳定性而不计护堤消极高度，汽车运行轨迹和护堤基底线形成的角度为36°。护堤基底宽度9.7～10m，护堤高度3.4m。

8.4 道路的养护工作

露天开采中运输成本占很大比重，主要是汽车的燃料费、轮胎费和维修费，降低这些费用的办法即做好道路养护。平整光洁的道路，汽车循环时间缩短30%左右，载重量也增加2%，一个运输循环的燃油耗量下降20%，吨运量的燃油消耗量下降35%。大型振动压路机与机动平路机配合修成的路面良好，修整出的排水坡度及路面形状规范，利用大型振动压路机压实的排土也比推土压实取得更好的效果。总之通过使用大型压路机、平路机、推土机等设备进行道路、排土场、工作面的养护和压实工作，可使汽车运输费用降低21%，道路维护费降低37%，矿山成本降低23%。

路面积水对路面损坏极大，雨季是道路养护最难的季节，排除路面水更重要的是要将道路下层结构中的水排掉。南非CON－AID公司生产的非粘结性防水剂可将容易打滑的砾石路面改变为适合各种天气的坚固路面，使道路养护平整工作减少，减少道路扬尘，节省汽车运输和料石消耗的费用，降低轮胎的磨损与消耗。使用标准的洒水车将CONAID防水剂以水溶液的形式喷洒在翻松的路面上，该溶液与路基材料混合，平均浸入厚度150mm。溶液与土壤发生化学反应，使土壤处于疏水状态，不再吸水，路面全年都不会杨尘，且路基不怕水泡。

9 结 论

根据以上露天矿山采区道路设计与养护技术要求，得出德兴铜矿主干运输公路设计具体方案为：电动轮使用柔性路面，路宽30m、纵坡8%、横坡2%～4%、综合坡度小于12%；凹型竖曲线半径为200～250m，凸形竖曲半径为500～750m；弯道超高2%～6%，曲线加宽4m，最小曲线半径为40m；挡墙高3.2～3.7m，底宽大于6.5m，挖空区、弯道挡墙防撞放置废旧电动轮轮胎；水沟为“V”型，自然成形，宽1～2m；分车骑墙为梯形，高1.3m、底宽2.5 m；松方垫层厚2.2～2.5m、实方垫层厚1～1.2m。

经生产实践，德兴铜矿露天开采主干道路线路衔接平缓、顺畅，路面中心起拱，变坡均匀自然；路基料石中线混配、大块剔出、一次成型；路面细料多压多翻、磨耗层厚且胶结；内侧视距远直、清净，外侧超高按设计值；路侧水沟顺势，跨路水管宜深埋；能做到旱季防尘、雨雪防滑、春季防雾，仲夏防塌；且路标清晰、明确，安全道“顺”。该运输道路的设计符合规范，保障了车辆工作效率，降低了运行成本。随着露天矿山规模增大，车辆吨位加大，对运输道路的要求更高，道路的参数也在变化，在今后的工作中仍需不断研究和探索。

［1］陆鼎中，程家驹.路基、路面工程［M］.上海：同济大学出版社，1999.

［2］董国贤.水山公路隧道［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［3］李宝祥，等.金属矿床露天开采［M］.北京：冶金工业出版社，1986.

［4］曾国熙，等.地基处理手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1988.

［5］中国矿业学院.露天采矿手册（第六册）［M］.北京：煤炭工业出版社，1987.

2012－02－08）

邱锦标（1968－），男，江西信丰人，采矿工程师，从事矿山工程设计与施工。