矿山提升机房深基坑开挖方案研究

刘文博

（白银矿冶职业技术学院，甘肃 白银 730900）

矿山在采矿期间会对矿山周边环境进行小面积的改动，为了防止提升机房深基坑开挖时候避免矿井下沉和发生山体滑坡，深基坑开挖必须提前制定适合的方案。

选择深基坑开挖工程最优方案的标准是开基坑开挖的过程中基坑的稳定性以及开挖过程中矿山周边的土体是否有变形的情况发生。随着各大矿山开矿越来越多，深基坑开挖超过15m的工程势必也越来越多，近几年不仅基坑开挖的经验越来越丰富还研究出了监测土地变形的机器[1]。给矿山提升机房的建设提供了一定的安全保障。但是随着基坑的深度不断加深，基坑深处的支护结构压力增大，基坑内部的土质结构也会遭受影响。施工期间受矿山周围气候的影响，基坑土壤的含水率在短期内有明显波动，以上列举的原因都会导致基坑底部土壤不稳定，支护结构不规则变形。

基坑开挖各方面的专家经过多年经验总结指出了现代基坑的主要缺陷，集中在设计图纸时对周边环境预测不准、施工时材料使用多为便宜不耐磨的低质材料，因此提出在矿山提升机房基坑施工时仅仅是预测风险是不够的，在方案的选择上也要谨慎。

1 基坑开挖方案设定

在基坑开挖之前首先要考虑矿山所在的地理位置，基坑具体的开挖深度，矿山周边的土质条件，开挖的季节矿山的气候特征。基坑开挖基本采用支撑框架和连续地下保护墙相结合的结构作为支护结构。基坑传统的方案思路较为简单，合坑破除方案中对基坑开挖针对周边环境的考量和传统方案是一样的，只不过相比传统方案步骤复杂一些。除了支护结构外，合坑破除方案要在基坑周边布置围护结构，提升机房主体基坑单独设置两排地下保护墙。基坑周围没有围护结构的部分在有围护结构的部分施工之后再进行施工。利用围护结构对基坑变形的抑制作用。结合基坑对周围环境的影响的现场检测范围，合坑破除方案有两个需要注意的地方：一是在基坑开挖的同时对矿山周边土质保护的问题，二是后期受基坑范围限制，地下基坑顶板最高处需要有保证工人安全的保护机制。

如图1所示：简单来讲就是将矿上提升机房所需要的机房按照顺序逐个破除。但是在破除的过程中，要对矿山周围浅基础的土质先进性保护，基坑坑底的土质蓬松支撑力弱的开挖时候要增加混凝土地下保护墙来辅助受力，保证坑下安全。根据传统基坑和提升机房的尺寸，合坑破除的基坑深度应控制在15m之内，宽度约为150m左右。基坑的辅助设施依旧是混凝土支撑，支撑截面要比传统方案宽0.05m。依旧沿着矿山厂房和环山公路加固矿山边坡，但合坑破除要改用独立柱，不能采用吊车机械臂施工，需要人力操作。独立柱采用人工挖的钢筋砼和基础台，上方局部铺设0.4m厚的防渗漏钢板。柱基础加设5＊5Φ钢筋砼桩，桩长度根据提升机房的总高度按比例设置。

图1 基础土方开挖示意

通过人工架设钢筋砼桩和铺设防渗漏钢板，可以对周边土壤不稳定的岩石起到防范作用，防止基坑发生塌方岩土层挤压基坑导致基坑变形。矿山厂房和公路的边缘采用钢结构柱加固矿山边坡。计算出实际基坑的周长，支护结构采用钢结构IV7和IV9两种长度的钢板。钢柱使用起吊机深入基坑，支护结构使用单层结构就够用，双层结构虽然更加坚固，但是给基坑带来的质量压力也更重。支护结构锁扣形状设计为套锁形式，钢柱和钢板均为钩状型，可以有效的阻挡土质松软部位产生的流沙和雨水侵蚀基坑。

在基坑内侧的土壤上方挖到钢柱1m左右的深度，设置一道屏障，屏障采用H500型号的刚钢材，间隔距离用2m左右，根据基坑周长计算具体用量，设置适合数量的钢板桩支撑，放置钢板桩直到钢板桩最上端达到标高位置，基坑的基台搭建完成。基台施工完成后，对基坑内部进行回填。回填土位置没过钢板桩0.5m，用吊车机械臂拔出多余的部分。

施工方不需要动用铲车和吊车机械臂，减少了周边山体发生崩塌的危险。人工作业不需要额外会操作机器的人，普通工人足够所有的技术需要。工程量减少，工期较短劳务成本降低。

2 方案测试

2.1 测试合坑破除方案基坑稳定性

建立两种方案的数值模型，将提升机房基坑围护结构位移清零，矿山主体基坑开挖首次层土体，支护结构直至坑底，拆除钢板砼柱。基坑开挖施工，结束后拆除分割基坑的地下保护墙。为保证测量方案测试效果最优化，两方案数值模型模拟步骤保持一致。两方案按照以上步骤操作结果如表1所示：

表1 基坑稳定性对比

传统方案提升机房最大位移水平数值和基坑累积变形量比合坑破除方案要高，差值呈现的为正数。传统方案中混凝支撑发挥了很大的作用，代替基坑本身土质承受854KN/M的外界压力，对矿山周围山体的影响最大位移，矿山土层沉降不超过10mm。总体数值较低。而支护结构承受压力和矿山周围土质位移两大数值确实合坑破除方案的数值要比传统方案大，差值呈现为负数。钢筋砼和基础台代替基坑本身土质承受1054KN/M的外界压力，对矿山周围山体影响的最大位移，矿山土层沉降为11.26mm。

两方案数值相比，合坑破除方案下的基坑位移数值更小，相应的变形积累数值也越低。合坑破除方案开挖的土质更紧实，稳固性比传统方案开挖的基坑的好。

2.2 测试合坑破除方案成本和工期

对传统方案和合坑破除进行成本比较，传统方案比合坑破除方案技术成熟，但支护结构基础工作要在整个回填工作结束之后才能正式宣告完成，工期较长，机械租赁费、人工费、回填土壤多次操作费加在一起也是一笔不小的开销。成本费用预估高达80万，基坑工厂方案最后的敲定也不能单单看模拟数值，如表2所示：

表2 基坑工期和成本对比

合坑破除方案人工需求较大，人工开挖费用同租赁机械费相比必然是人工费用较低，钢筋砼柱的支护结构无需回填土壤。正常的工人作业就可以满足劳动需求，工期不长，施工结束后回收利用钢筋砼柱，可以在下次使用，也避免了材料浪费。总成本也远低于传统方案。

2.3 测试结果分析

由以上数值模型的对比可知，合坑破除方案虽前期准备步骤复杂，需要人工操作的环节也多，但是因为钢板砼柱的承受力要比混凝土承受力强，所以其保证基坑内部安全的效果更好。传统方案步骤简单，基坑开挖后多了一个回填步骤，回填土增加了原本的支撑性，但后期需要再次将回填土挖出，重复进行同样的工序，耗费人力和时间，也会增加整个工程预算。效果是对周边自然环境影响较小，降低了矿山发生土质变异的可能性。

基坑开挖对矿山周边环境的影响是通过提升机房的位移数值来体现的，合坑破除方案模拟后的机房位移比传统方案的机房位移小0.25mm，提升机房的位移数值越小，基坑内部自身的变积累变形就越小。积累变形的数值越小，基坑的土质就越紧实。通俗来讲，土质越紧实，基坑稳固性就越强。基坑变形积累数值越大，造成矿山周边山体沉降越大，对周边环境来说破坏性越大，传统方案多了一步回填土的环节，矿山自然而然沉降度很低，因此，传统方案虽然变形积累数值比合坑破除方案数值要大，沉降位移数值却比合坑破除方案要小。传统方案虽然技术更加成熟，但是工期长，工程成本也更高，合坑破除方案虽然实行起来没有经验可以借鉴，但工期短，所需费用也比传统方案少。综合比对之下选择合坑破除方案更试用矿山提升机房深基坑开挖的要求。

3 结语

本文通过对比两大矿山提升机房深基坑开挖方案，通过建立数值模型进行对比测试选出合坑破除方案为最佳基坑开挖方案。本文两方案模型模拟步骤一致，保证了测试结果公平公正，测定结果具有较高参考性。但因为矿山环境各异，该方案不适应特殊情况，希望在日后的深入研究中可以更加完善。