桦树沟矿区V矿体单独输出项目粗破碎车间北侧边坡稳定性分析及支护方案优化

张建明

(甘肃镜铁山矿业有限公司，甘肃 嘉峪关 735100)

0 引言

边坡支护是指为保证边坡及其环境的安全，对边坡采取的支挡、加固与防护措施。常用的支护结构型式有:重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式支护、板肋式或格构式锚杆挡墙支护、排桩式锚杆挡墙支护、锚喷支护、坡率法。目前,边坡自身岩土体的力学性能的稳定性计算分析的主要方法为极限平衡法。极限平衡法是由Bishop提出的并经多位研究学者运用验证了可靠性。

镜铁山矿业公司桦树沟矿区V矿体单独输出改造项目是酒钢集团公司列入集团高质量发展的重点工程项目，根据工程布置，将在现有桦树沟矿区2 640 m水平曲轨矿仓西侧边坡、粗破车间北侧边坡大面积削坡，新建矿仓、铁路走车平台和粗破碎车间、检修道路，需对原有铁路路堑边坡北侧进行开挖，坡脚向北开挖3～9 m，下挖6.5 m左右，并提出了边坡开挖及支护方案。笔者针对将要形成的新边坡利用极限平衡法中的Bishop条分法进行稳定性分析,通过稳定计算分析了该高边坡的稳定性，并结合场地施工条件，优化了边坡防护设计方案。

1 工程概况

新建粗破碎车间布置于北部边坡坡脚，场地±0.00高程2 619.63 m，地下设一层检修间，高程2 613.13 m，并从检修间由西向东沿坡脚布置检修道路，道路坡率为9.1%，坡脚高程为2 613.13～2 609.00 m。检修间基础为独立基础，基础埋深1.8 m，放大角宽度3.3 m。

该边坡位于曲轨铁路路堑北侧，坡脚高程为2 619.13～2 609.54 m，坡顶高程为2 638.72～2 640.39 m，坡高19.51～31.15 m，边坡坡度为51°左右(坡比1：0.81)，坡顶为曲轨铁路北侧平台，坡脚为本次Ⅴ矿体单独输出改造项目新建粗破碎车间及检修道路，根据工程布置，坡脚需下挖2.5～6.5 m左右，并向北开挖3.1～9.2 m。边坡原设计方案采用扶壁式挡土墙支护(见图1)，墙高10.0 m左右，墙顶设宽3.2 m左右平台，并在坡体上部形成坡比为1：0.75的土质边坡，坡体总高23.87 m左右。因扶壁式挡土墙需采用人工开挖形成临时边坡后再进行基础开挖，施工开挖量较大，同时开挖部位距原曲轨铁路线仅1.0 m左右，施工过程给人员及车辆运输造成较大安全风险。为了加快施工效率，保证边坡防护施工期间安全生产，需要对边坡防护方案进行优化设计。

图1 扶壁式挡土墙方案设计简图

2 原方案稳定性及施工条件分析

2.1 原方案稳定性分析

采用毕肖普(Bishop)条分法公式进行稳定计算：

正常条件下：

地震条件下：

式中：Fs—斜坡稳定性系数;Wi—第i条块边坡土条重量，kN;αi—第i条边坡土条倾角;li—第i条边坡土条潜在滑面长度，m;Ci—第i条边坡土条的内聚力，kN/m2;φi—第i条边坡土条的内摩擦角;a/g—地震水平系数;Cz—地震影响系数，为0.25。

计算结果表明，在满足挡土墙稳定的情况下，上部坡体正常工况下稳定系数为1.130，地震工况下稳定系数为1.048，不满足规范要求。因此，需要对上部边坡进行支护或增大坡率，以满足边坡稳定要求。

图2 正常工况下扶壁式挡土墙边坡稳定计算简图

图3 地震工况下扶壁式挡土墙边坡稳定计算简图

2.2 原方案施工条件分析

原方案扶壁式挡土墙高10.87 m，基础埋深 2.0 m，底宽8.6 m，踵板伸入坡脚4.0 m，趾板宽4.0 m，与粗破碎车间基础埋深基本一致，造成坡脚向北开挖面积增大。施工时需分段跳槽开挖，按临时边坡比1：0.75计，坡顶相应向北开挖15.1 m左右，一方面坡顶开挖较多，影响铁路路基稳定，另一方面，墙后回填量较大，填土强度降低(原边坡土体胶结较好，回填时只有能松散夯实)，上部边坡地层条件及坡比已不能满足设计要求，需要对坡体上部回填部分进行支护。同时由于边坡高度较大，墙后回填需要人工作业，施工过程安全风险较高。更重要的是，因开挖造成铁路路基下方失稳，还要对铁路路基进行钢管桩或夯填加固。

由于原方案边坡稳定不满足要求，需要对上部坡体进行支护或增大坡率，以及对铁路路基进行加固，影响桦树沟矿区现有铁矿石正常生产，不管是建设期还是运营期均存在较大的安全隐患，施工过程安全风险较高，对边坡支护方案进行优化是十分必要的。

3 边坡支护设计优化

新建粗破碎车间北侧边坡受曲轨铁路维持正常生产限制，无法进行较大规模的开挖作业，粗破碎车间设负一层检修间及检修道路，场地条件较为复杂，结合现场实际施工条件及边坡地质构成特点，本次优化方案采用锚索桩板墙的方案进行边坡支护。

预应力锚索是无放坡条件时主动支护方式之一,对临近铁路路基,可采用选择“放坡+排桩”的形式进行支护。本次粗破碎车间北侧边坡采用预应力锚索桩板墙进行支护(见图4)。支护桩采用圆形灌注桩,桩直径1.0 m,桩间距3.0 m,桩顶设冠梁(梁截面尺寸0.8 m×1.0 m),桩顶高程2 624.13 m,悬臂长度11.0 m,桩底嵌入深度5.5 m,相应桩长16.5 m,采用机械成孔,支护桩混凝土强度等级均为C30。桩顶(包括冠梁)以下1.5 m坡,每2.5 m位置共设3道预应力锚索,锚索倾角为20°,锚索孔径150 mm,锚固段长度10.0 m,锚索轴向拉力采用360 kN,两桩之间设挡土板,桩顶平台宽5.2 m,平台以上以削坡为主,坡比1∶1.0。

图4 锚索桩板墙方案设计简图

稳定计算表明，锚索桩板墙支护效果较好，上部坡体正常工况下稳定系数为1.350，地震工况下稳定系数为1.239，满足设计规范要求。

施工时先进行上部边坡开挖至桩顶高程，开挖碴土堆放于坡脚，与开挖平台一齐形成施工平台后，采取机械施工支护桩，浇筑顶梁后，对坡原土及碴土进行开挖，一边开挖，一边安装挡土板及锚索，直至设计坡脚高程2 613.13 m。由于采取支护桩形式，坡脚位置与原始坡脚基本一致，向北少开挖4.0 m左右，同时不存在桩后临时边坡开挖，减少超挖8.0 m，在上部坡体坡比1∶1.0，桩顶平台宽5.2 m的情况下，坡顶开挖宽度仅为7.2 m，减少10.0 m左右。大幅减少了坡顶开挖，且无回填工程量，无需对铁路路基及上部坡体进行加固，施工机械化程度高，安全风险小。

图5 正常工况锚索桩板墙边坡稳定计算简图

图6 地震工况锚索桩板墙边坡稳定计算简图

4 结语

1)矿山技术改造过程中，新增建构筑物受已有建筑物的影响，工程布置及边坡开挖受制约因素较大，应综合考虑场地条件及施工条件，提出切实可行的边坡支护方案。

2)对原方案稳定计算及施工条件分析表明，边坡稳定不满足要求，需要对上部坡体进行支护或增大坡率，对铁路路基进行加固，施工安全风险较高，作为建设方项目负责人一定要根据现场实际情况及施工难易程度，在确保设计及施工质量和安全稳定系数前提下，必须把施工安全风险降到最低。

3)优化方案采用对粗破碎车间北侧边坡采用预应力锚索桩板墙进行支护，边坡防护稳定性更好，工程机械化程度高，开挖、回填量少，环境影响小，施工效率快，施工安全风险小，在本次工程实际应用过程起到了很好的效果，优化施工图设计也是建筑施工实例中经常采用的成功方法。

4)优化方案采用对粗破碎车间北侧边坡采用预应力锚索桩板墙进行支护,边坡防护稳定性更好,工程机械化程度高,开挖、回填量少,环境影响小,施工效率快,施工安全风险小,在本次工程实际应用过程起到了很好的效果。