首钢马城铁矿第四系斜坡道设计研究

马永林 吴虎勇

(中冶北方工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

马城铁矿主斜坡道在深入基岩前，起始段1 000 m长斜坡道，在第四系土层内掘凿，斜坡道断面大，纵向延伸坡度缓(12%)，所处地域属滦河冲积平原区，紧靠滦河，地质水文条件复杂，造成马城铁矿第四系斜坡道，工程设计难度高，施工难度大。在实际设计中，按照斜坡道穿越第四系最薄覆盖层进入基岩为原则，布置第四系主斜坡道路径，形成第四系主斜坡道三维布置图，见图1。

图1 马城铁矿四系主斜坡道三维布置图

1 斜坡道方案设计

1.1 冻结法施工方式的确定

主斜坡道上部的第四系覆盖层，埋深0～85 m，大部分为砂砾卵石极强含水层，而隔水层(黏土层)分布少、厚度薄，一般在1～2 m左右，且局部有缺失。若采用高压旋喷施工方式所构筑的连续抗渗墙，其防水效果和工程投资都存在很

大问题，施工难度大，施工工期和投资可控度都很低。采用冻结法施工，则施工安全、施工进度和项目投资可控度都高。施工期间，冻结壁成圈，防水效果好，工程掘支工作面及斜坡道延伸段处于可控状态，国内现有施工技术能够确保施工质量和施工进度。并且，冻结法施工能够克服地下工程存在的许多不可预知因素造成的影响。此外，施工中消耗的材料和电量是可以根据工程实际情况给予相对准确的估算，确保投资可控。

1.2 以冻结法施工的第四系斜坡道设计存在的问题

以冻结法施工的第四系斜坡道，在深入基岩之前的缓倾斜渐进状态下，所受竖向附加力变化规律，目前无成熟的设计理论说明；斜坡道所受冻结压力取值，无相关规范规定和计算公式求取。

马城铁矿第四系斜坡道所受冻结压力参照冻结法施工竖井井筒中的方式进行计算，但施工过程中要对冻土压力、冻结圈融化后的水土压力、斜坡道井壁位移等进行监测，以便及时调整设计参数。

1.3 冻结段主斜坡道支护方式确定

1.3.1 支护设计

在冻结壁成型的情况下，外层永久支护采用单层钢筋混凝土支护，混凝土强度等级C50，支护厚度300 mm/350 mm/550 mm；内层永久支护采用自防水双层钢筋混凝土支护，混凝土强度等级C50，当冻结壁融化，内外层支护共同承受水土压力。斜坡道支护设计见表1。

表1 冻结法施工斜坡道支护厚度

1.3.2 防水设计

李光的马城主斜坡道第四系支护方案的数值模拟分析表明，采用钢筋混凝土永久支护的内外层井壁可起到较好的隔水作用，渗水部位主要集中在两侧边墙处[1]，考虑到提升永久支护的防水效果，需要对冻结段主斜坡道井壁进行防水设计。

冻结段主斜坡道井壁采用如下防水设计：1)内层井壁施工过程中，在横向和纵向施工接茬部位采用中埋式止水带防水，内外层井壁间铺设一层3 mm厚聚乙烯塑料板；2)内壁采用防水混凝土，抗渗等级不小于P12；3)内外壁底板和底板以上1 000 mm直墙要同时浇筑；4)浇筑混凝土时尽可能连续浇注，减少接茬，接茬要错开布置，依据现场实际情况调整；5)对冻结管进行有效封堵；6)解冻前适时进行施工缝和壁间注浆[2]。

1.3.3 主斜坡道冻结段不设错车道

为施工方便，提高施工效率，降低工程投资，本次方案设计主斜坡道冻结段中仅设缓坡段，不再设置错车道。

2 主斜坡道冻结法施工井壁支护计算

2.1 计算依据

以《河北省滦南县马城铁矿补充勘探报告》确定的地质参数为依据，以采矿、电气、信号等相关专业委托所确定的斜坡道净断面为基础，参考冻结法施工竖井及其他行业规范、手册进行设计[3-7]。

2.2 计算原则

斜坡道所受土压力按第四系覆盖层深度计算；因该区域隔水层薄，局部有天窗，水压力按静水压力考虑；考虑冻结壁冻结与融化前后的外荷载作用状况，在冻结壁交圈掘支阶段，斜坡道支护结构主要承受冻结压力，在冻结壁融化以后，斜坡道支护结构承受水土压力，设计时，斜坡道按内外层井壁共同承受永久水土压力，外层井壁承受冻结压力和内壁承受水压力计算，水土压力的结构安全系数1.35，冻土压力的结构安全系数1.05；地层的水、土侧向压力参照《煤矿立井井筒及硐室设计规范》，按照Pk=0.013H计算[3]；井壁裂缝控制宽度0.20 mm[4]；不考虑第四系含水层的疏水沉降影响；不考虑温度应力的影响；忽略纵向变形和纵向裂缝的影响。

2.3 计算方法

2.3.1 荷载

作用荷载包括冻结压力、水土压力、钢筋混凝土井壁结构自重、斜坡道内通过设备产生的荷载。

2.3.2 荷载计算

1)水土压力计算竖向土压力荷载计算公式[6]：

(1)

式中：Pv—顶部土层压力；γ—干容重，kN/m3；γ'—浮容重，kN/m3；hk—干土层厚度，m；hi—饱和土层厚度，m。

2)侧向土压力取值参考《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB50384-2007)，并参照其(6.1.3-1)公式Pk=0.013H，MN/m2，去掉水压及单位换算后得侧向土压力计算公式[2]：

Pk=3H，kN/m2

(2)

式中：H—为土层有效计算高度，m。

3)底部土压力取值为斜坡道内运行设备的最大压力。单位，kN/m2。

4)冻结压力Pdk参考《煤矿立井井筒及硐室设计规范》、《煤矿冻结法开凿立井工程技术规范》、《采矿工程设计手册》(煤炭工业出版社)中冻结压力经验公式计算，并结合以往矿山的相关数据确定[3,5,7]。

5)理正软件计算，衬砌断面类型为圆拱直墙型(底拱)，具体参数输入见表2～4。

表2 基本参数表

表3 荷载输入

表4 水土压力(永久荷载)荷载组合参数表

上述过程通过《理正隧道衬砌计算软件》将冻结法主斜坡道D1-D1～D4-D4断面进行支护验算的各项参数输入，程序计算后输出结果，对输出结果进行综合分析，通过与规范预设条件数据比较、分析，断定满足设计要求。

3 结语

采用冻结法施工的第四系斜坡道设计中，通过数据分析，利用内层井壁承受水压力、内外层井壁共同承受水土压力、外层井壁承受冻结压力等计算方法是可以满足设计要求的。在斜坡道掘支阶段，外层井壁可以抵御冻结压力对支护结构的破坏；当冻结壁融化，斜坡道内外层井壁支护结构可以承受来自第四系土层不断增大的地应力；内层井壁可以承担设计土层深度的水压力，可以保证斜坡道在使用期间的安全。