百米矿坑半地下空间生态修复与利用技术研究*

李建新，何昌杰，曾 波，宁志强，符致华

(1.中建五局第三建设有限公司，湖南 长沙 410004； 2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004； 3.湘江集团湖南梦想置业开发有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

随着社会的发展与进步、城市的发展和扩张，原有矿产资源开发利用遗留下来的废弃矿坑的环境保护和生态修复已被列入国家战略发展目标。在岩溶地区遗留下来的矿坑受开采过程的扰动影响，岩壁岩体岩溶、裂隙发育，地质条件复杂，植被凋零，再次开发利用难度大。如何进行矿坑半地下空间的生态修复与利用是当前需要解决和研究的课题，以推动矿坑半地下空间生态修复与利用技术的发展。

1 工程概况

湘江欢乐城冰雪世界项目位于长沙、株洲、湘潭的几何中心，湖南长沙坪塘镇老工业区的采石矿坑上(见图1)，占地1.6km2，总建筑面积为50万m2。采石矿坑坑口呈类椭圆形，长440m，宽350m，深100m。坑壁陡峭，最大坡度>80°。

图1 工程地理位置

场地内岩石层主要为土、砾-卵石、灰岩及溶蚀物，边坡岩体主要为灰岩。根据钻孔资料，地层可分为：人工填土、淤泥质粉质黏土、耕土、粉质黏土、含砾粉质黏土、圆砾、卵石、残积粉质黏土、微风化灰岩。

2 微扰动综合爆破技术

冰雪世界位处矿坑内，依附山体建造，充分利用矿坑特有地形，主体通过桩、柱、剪力墙及环形基础承受竖向荷载。其中，边坡桩基础及平台环形梁将主体部分荷载传递至矿坑岩壁岩体。要求在边坡处理过程中，保证岩体的完整性，使其适用于承载。

在边坡成型过程中，通过现场爆破试验及实践、振动监测，提出微扰动综合爆破技术。

复杂破碎溶岩地质地区边坡爆破微扰动控制指标如下。

1)允许质点振动速度为3.5cm/s。依据爆破安全规程，振动频率≤10Hz条件下，永久石质边坡允许质点振动速度取5～9cm/s。考虑本工程岩体破碎，爆破控制速度为允许振动速度的30%～70%可认定为微扰动爆破。

2)临近设计边坡时岩体损失范围<2m。根据预留静态爆破过渡段长度，爆破岩石损失范围<2m为微扰动。

3 基于三维模型的岩壁加固技术

通过地质雷达扫描成像技术和超前钻孔勘察技术，查明岩体裂隙发育充分，填充及半填充型溶洞分布密集，整体见溶率达90%(见图2)。

图2 地质雷达扫描成像

采集地质雷达扫描数据(见图3)和激光三维地形扫描数据，共同导入BIM系统生成三维模型，用于锚索及格构梁设计，调整锚索及格构梁的布设位置，避开溶洞及裂隙发育的地段。同时，对溶洞及裂隙发育地区给出合理的加固方案。在实施过程中可依据模型给出设计坐标放样，施工精度更高。

图3 地质雷达扫描成像

4 复杂岩溶地质陡峭岩壁锚索成孔技术

矿坑岩壁锚索施工穿越多层溶洞和裂隙，成孔困难。钻进过程中常出现塌孔、卡钻、偏孔、突泥涌水现象。

经多次现场试验，摸索出一套复杂岩溶地质陡峭岩壁锚索成孔技术。

1)采用综合预注浆处理技术，根据不同地质采用单、双液水泥浆进行水平、竖向综合预注浆处理，提前对溶洞、溶槽进行注浆填充。

2)研发自扶正防缩孔锚索成孔装置，钻进过程中保证钻头受力平衡，防止偏孔与缩孔(见图4)。

图4 自扶正防缩孔锚索成孔装置

3)采用逐级跟管成孔施工技术，成功解决了复杂岩溶地质陡峭岩壁锚索成孔施工难题，保障了成孔质量和速度。

4)钻进过程中，研发了一种滑动式测斜仪，对锚索成孔线形及角度进行检测，保证成孔线形及角度符合设计要求。

5 深坑建筑重载平台依托岩壁环向多点滑动支撑技术

5.1 多点滑动支撑设计理念

冰雪世界主体结构通过数值模拟分析，低温作用下，楼面收缩60mm，并产生400kN/m水平拉力。大变形造成建筑物与周围岩体连接处破坏，对岩体和建筑物产生不利影响。

为充分利用岩壁作为结构受力体，采用多点滑动支撑的设计理念，通过支座传递方式解决建筑物竖向荷载、因温度产生的水平徐变和约束应力(见图5)。

图5 多点滑动支撑受力分析

5.2 柔性支撑设计方法

楼面梁通过岩壁环梁基础与岩体连接，为减少平台对岩体的连接破坏，根据变形及受力情况绕平台周边设计不同转向的滑动支座；考虑不同的竖向荷载及水平荷载，设置多组30 000～60 000kN大型滑动支座，使基础与岩体之间可滑动(见图6)。该柔性支撑设计解决环形重载平台对高边坡岩壁水平拉力的影响，又能为平台提供有效支承。通过支座将建筑物徐变应力进行释放和传递。

图6 多点滑动支撑布置剖面

6 混凝土结构与岩壁快速复绿技术

6.1 快速复绿难点

1)岩质边坡缺乏植被生长的土壤和养分条件，难以快速恢复生态水平。

2)边坡高耸陡峭，岩面起伏不定，材料设备运输均需人工进行多次转运，降效严重。

3)在混凝土结构上进行景观营造，依靠单纯生物护坡，难以长久保持，后期维护工作量大。

6.2 常用岩质边坡生态防护技术

目前常用的岩质边坡生态防护技术主要有三维植被网、客土喷播技术、植被混凝土，但均操作繁琐，维护成本高，倾斜面角度过大，用于百米深坑岩壁植被复绿有局限性。

6.3 整块苔藓快速复绿

苔藓植物生长速度快，抗寒能力强，可快速在适宜的环境中分裂生殖。它能吸收蓄积在空气中的粉尘颗粒等物质形成土壤，同时还可以改变环境湿度、pH值等指标，形成适宜其他高等植物生存的土壤。经过优选，采用适应暴晒、耐旱、活性率在99.5%以上的整块苔藓，可以快速营造景观效果。

6.4 应用可降解定植生物胶

可降解定植生物胶可以牢固附着在混凝土以及岩石表面，为苔藓生长提供养分，可自然降解，解决了植被在混凝土结构基底上难以成活的问题，可以加快植物群落的演替，快速营造景观效果。

7 结语

1)复杂破碎岩溶地质地区边坡爆破微扰动控制指标：允许质点振动速度为3.5cm/s，临近设计边坡时岩体损失范围<2m。

2)将地质雷达扫描数据和激光地形扫描数据导入BIM系统生成三维模型，优化调整锚索及格构梁设计，提高施工准确性。

3)复杂岩溶地质陡峭岩壁锚索成孔技术通过综合预注浆处理、自扶正防缩孔装置、逐级跟管成孔、孔斜检测等措施保障成孔质量。

4)深坑建筑重载平台依托岩壁环向多点滑动支撑解决环形重载平台对高边坡岩壁水平拉力的影响，又能为平台提供有效支承。通过支座将建筑物徐变应力进行释放和传递。

5)混凝土结构与岩壁快速复绿技术采用生长速度快、抗寒能力强的苔藓植物和可降解定植生物胶，可以加快植物群落的演替，快速营造景观效果。