铝土矿山隧道黄土层大断面隧道设计技术探讨

胥克俊，王智强，杨 猛，张宏强

（1.国家电投集团铝电投资有限公司，宁夏 银川 750011；2.国家电投集团山西铝业有限公司，山西 原平 034100）

我国北方地区地形地貌复杂，矿山开采区内的隧道选择往往受多种因素的影响和控制，如冲沟、滑坡、采空区和地下水等，展线条件较差。此外，该地区地层以第四系土层为主，围岩不能很好地形成自身的承载体系，铝土矿矿山隧道结构受力往往较大。

因此，在矿山进行隧道方案设计时需要综合考虑上述几个方面的影响，隧道路由穿越地形要相对较简单，避免需要进行特别加固等工程措施处理的地段；隧道支护设计需要确保隧道后期长时运营的稳定可靠，也要考虑土层隧道施工安全，并采取必要的保护措施，并制定切实可行的方案，以达到节约建设成本、综合效益较优的目标。

1 研究现状

在黄土地区隧道研究方面，国外专家研究的较早，S.FReyes 和Deere 运 用 德 鲁 克— 普 拉 格（Druker—Prager）准则对该圆形洞室进行了弹塑性分析[1]。

国内专家在黄土地区隧道研究方面亦做出了重大的贡献，比如长安大学谢永利、赵占厂对黄土地区隧道模型试验与铝土矿矿山工程测试方面进行了研究，谢家杰在对黄土地区浅埋隧道的研究中，把被扰动的岩体发生滑动部分分成三个区域，并对这三个区域进行了力学平衡状态的研究分析，经过一定的推导，得到了铝土矿矿山隧道的围岩压力公式，我国《铁路隧道设计规范》和《公路隧道设计规范》相继都采纳了谢家杰这个公式[2]。

图1 技术路线图

铝土矿矿山黄土层隧道的设计问题至今还有很多争议，矿山隧道的设计方法以及施工管理理念也在逐步的更新，出现的问题也相应增多。因此在铝土矿矿山隧道黄土层大断面隧道设计需要更进一步深入细致的研究。

2 铝土矿矿山隧道支护关键技术

2.1 衬砌荷载计算

（1）采用概率极限状态法设计隧道结构时，结构的作用设计值按下式计算[3]。

Fd=γfFk

式中：γf——作用分项系数。

Fk——作用标准值。

围岩压力按松散压力考虑，其垂直和水平均布压力的作用标准值按下列规定确定。

垂直压力：

q=γh

h=0.41×1.79S

式中：q——围岩垂直均布压力，Kpa。

γ——围岩重度，KN/m3。

H——围岩压力计算高度，m。

S——围岩级别。

水平压力：

水平均布压力可按下表确定。

表1 不同围岩级别的水平均布压力值

（2）采用破损阶段法或容许应力法设计铝土矿矿山隧道结构时，围岩压力按松散压力考虑，垂直均布压力按下列规定确定，水平均布压力同概率极限状态法设计。

q=γh

h=0.45×2S-1w

式中：w——宽度影响系数，w=1+i（B-5）。

B——坑道宽度，m。

i——B 每增减1m 时的围岩压力增减率，当B＜5m 时，取i=0.2；B＞5m 时，可取i=0.1.

2.2 矿山隧道超前支护

为了稳定矿山隧道开挖的稳定性通常采用超前支护方案，支护方式如下：

（1）使用的支护锚杆，长度约为5m 左右，便于稳固前方围岩；

（2）在复杂矿层地段，采用超前管棚，配合使用金属架，可达到锚固前方围岩的效果：①短管棚超前支护，采用长度小于10m 的金属管；②长(大)管棚超前支护：采用长度为10m～45m 且较粗金属管；③金属板超前支护：采用长度小于10m 金属板的称为板棚预支护；

（3）注浆加固围岩和堵截水：①超前小导管注浆，铝土矿隧道开挖外轮廓线周围将带有小孔的导管打入，施加一定压力将浆液注入其中，可起到加固作用。②超前深孔围岩注浆：也可称之为深孔注浆，不但可以对水源进行封堵，还可以起到加固地层的作用，能够在铝土矿山特殊地质区域使用。在浆液压力作用下，黏图层的裂缝及围岩破碎地带使用浆液进行填充，堵水和结固效果明显。

3.3 铝土矿矿山隧道预应力支护

预应力支护核心是采用高强度的预应力筋，在安装的过程中，可立即向被加固的围岩施加压应力，能够向围岩提供第三向应力，改善围岩受力状态，引导开挖面范围高应力向围岩深部转移。预应力支护技术应用在新奥法施工技术中，能够有效限制围岩在施工过程中发生有限变形。

锚固体、锚头、杆体共同构成了预应力锚杆。锚固体的作用是将杆体的拉力传递给支护体的地层，锚固体固定在锚杆的根部；锚头在锚杆出露的上端，将锚头与铝土矿深基坑维护结构进行连接，可高效完成对锚杆实施的预应力，同时结构物可接收到锚固力；锚头和锚固体之间需要用杆体进行连接，在实施预应力支护时可发挥出弹性变形特征，便于锚杆施加预应力。

在铝土矿土层结构形式存在差异的情况下，可分别选用不同形状的预应力锚杆，即连续球体形、圆柱形、端部扩大头型。而依照支护锚杆的传力机制的差异，可分为普通压力型锚杆、分散拉力型锚杆及普通压力型锚杆。

3 典型工程应用实例

3.1 工程主要概况

山西某铝土矿根据总图运输需要在矿区内建设矿石、材料和人员运输道路，受制于地形地质条件，运矿通道需要建设一段隧道。

矿区位于吕梁山系边缘，为低中山地形，地貌切割较剧烈，地形较陡，冲沟发育，基岩裸露甚少，多被第四系，新近系的黄土、红土覆盖，覆盖面积占95.6%，植物不发育。区内气温偏低，干燥少雨，属温带大陆性季风气候，年平均气温为8.3℃，一月平均气温为-4.5℃，七月平均气温为24.6℃。本区地震动峰值加速度值为0.05g，地震基本烈度值为Ⅵ，矿区稳定性较好。

3.2 铝土矿矿山隧道设计方案确定

隧道净空断面的确定不仅要满足隧道功能主体的要求，还要满足隧道的人行、照明、运营检修设施等所占空间及施工误差，充分考虑隧道穿越地层工程地质及水文地质条件因素。矿山规模60 万t/a，选用20t 卡车运矿，最终确定隧道主洞内轮廓选用半圆拱形，隧道净宽度为8m，净高度为7m。

表2 隧道衬砌支护参数

根据运矿道路的总体走向，隧道的入口和出口均位于沟底。按照少明挖、多暗挖和多明挖、少暗挖两种思路布置两个方案。少明挖、多暗挖可减小开挖的土方量，减少边坡防护工程量，但暗挖隧道的长度较长。多明挖、少暗挖则相反。考虑到隧道入口位置地形陡峻，多明挖、少暗挖方案将产生高大边坡，地质灾害风险较大，并且对原有地表环境的破坏较为严重，最终选择少明挖、多暗挖隧道路由方案。

3.3 隧道设计支护

隧道衬砌结构按照新奥法原理进行设计，衬砌设计支护采用复合式衬砌结构。

初期支护：以锚杆、喷射混凝土、金属架组成综合防护体系。并辅以∅180mm,壁厚8mm，长度30m，环向间距300mm 大管棚超前支护[4]。

二次衬砌：混凝土结构；初期支护与二次衬砌组成隧道承载结构，二次衬砌施作的合理时间应根据围岩地质情况和施工监测数据确定。

3.3.1 超前长管棚

管棚入土深度是结合地形、地质情况确定。管棚金属管均采用Φ180mm×8mm 热轧无缝金属管，环向间距30cm，接头用长15cm 的丝扣直接对口连接。

金属管设置于衬砌拱部，平行路面中线布置。要求金属管偏离设计位置的施工误差不大于20cm，沿隧道纵向同一横断面内接头数不大于50%，相邻管接头数至少须错开1.0m。为增强金属管的承载强度，注浆完成后管内应以M30水泥沙浆填充[5]。

考虑钻进中的下垂，钻孔方向应较金属管设计方向上偏1°～3°。钻孔位置，方向均应采用测量仪器测定，在钻进过程中也必须用测斜仪测定金属管偏斜度，发现偏斜有可能超限，应及时纠正，以免影响开挖和支护[6]。

3.3.2 加固注浆

采用全孔压入式向大管棚内压注水泥砂浆，用注浆泵按先下后上，先稀后浓的原则注浆。注浆量由压力控制，注浆压力0.5MPa～1.0MPa。

水泥浆液水灰比1：1。达到结束标注后，停止注浆。注浆完成后及时清除管内浆液，并用M30 水泥沙浆紧密充填，增强管棚的刚度和强度[7]。注浆作业中应认真作好记录，随时分析和改进作业，并注意观察初期支护和工作面状态，保证安全。

注浆宜采用单液注浆，不仅可简化工艺，降低造价，而且固结强度高，因此注浆前均应进行单液注浆实验，单液注浆以水泥为主，如单液注浆效果好，能达到固结围岩的目的，全隧道均可用单液注浆方案，如可灌性差，再进行水泥-水玻璃双液注浆实验。双液注浆参数应在本设计的基础上通过现场实验按实际情况调整。

4 结论

铝土矿矿山隧道方案要综合考虑自然状况，工程地质、水文地质条件，地震基本烈度等级，气象条件及施工条件等因素，现场踏勘规划出几个可行的方案后进行技术经济比较确定。

在条件允许时，可以针对性地开展钻探、物探等手段进一步了解隧道穿越地层情况，以增加隧道方案选择的可靠性。

铝土矿矿山隧道黄土层大断面隧道需要按照新奥法原理采用复合式衬砌结构进行支护设计，一是根据围岩条件分类采用超前锚杆、超前金属管或超前大管棚进行超前支护，并进行围岩注浆加固；二是根据实测施工监测数据确定二次衬砌合理安装时间，确保隧道结构安全稳定。