矿山建筑施工中深基坑支护施工技术

车金枝，宋 欣

（1.山西应用科技学院，山西 太原 030062；2.国网山西省电力公司超高压输电分公司，山西 太原 030001）

深基坑支护是矿山开采的重要环节，随着经济进一步发展，各行各业对矿产资源的需求增加，受矿产资源的不可再生性影响，矿山开采难度急剧上升。现阶段矿山开发中，难度主要为地下矿产资源的占比增加，当矿山开采逐渐加深时，其自身围岩变得更加的不稳定，因此需要集中进行支护施工操作，导致矿山开采的成本增多。与常规地下工程相比较，矿山巷道由于受到采矿影响，在支护施工中容易产生回采动压，且随着时间和空间的变化，支护需要承担的压力比原岩的压力更多，由此在支护施工中极容易产生变形和破坏等问题。对矿山施工中巷道支护技术的设计，要从矿山开采的整个过程中进行分析，是一个较为复杂和漫长的研究过程[1]。支护可以分为围岩和支架两个构造单元，围岩作为施力体的同时也是受力体，不仅要向巷道支护安装位置提供空间，也要对围岩进行约束。按照受压理论，围岩的压力主要为被动受力，支架为主动受力。矿山巷道分为三个类别，一是受应力控制，二是受围岩岩性控制，三是受位移控制，在不同的受力情况下，为保证矿山的建筑施工安全，需要对其进行深基坑支护的设计。本文以此为基础，研究深基坑支护施工方法，根据多种地质环境，设计矿山建筑支护施工的技术，为矿业的安全发展提供理论依据。

1 设置深基坑桩体施工控制标准

在矿山建筑施工中进行深基坑支护的设计，主要结合工程项目本身，对其支护结构和基坑开挖条件进行设定，从而完成关键过程中的参数和流程设定。按照定位测量和沟槽开挖以及桩机对位等常规流程，对施工过程进行标定。为保证整体施工质量，对深基坑支护施工的操作过程进行分析，设置其质量和检验标准，见表1所示。

表1 深基坑支护施工质量标准

根据表中内容所示，针对上述质量和检测标准，在矿山建筑施工过程中，采用全站仪测量深基坑的成桩范围，并采用石灰材料，按照每一个尺寸位置，对成桩的范围进行标定。

挖掘机设备与桩基的位置平行，当桩基下放到固定位置后，反复测量桩机放置误差，小于45mm。保证沟槽中的桩墙结构具备一定宽度，以桩位机架位置检查垂直度，将其控制在0.2%范围内。在施工过程中，根据桩基的提升和下放深度，实时复测桩基标高，确保施工一直处于标准状态。基于此桩机的下沉和提升过程，见图1所示。

图1 深基坑支护桩基施工控制示意

根据图中内容所示，在施工过程中需要以地层条件为基础，严格确保钻机的下沉和提升速度，在不同的位置进行标定。在下沉注浆阶段，速度控制在0.7m/min左右，提升速度约为1.2m/min[2]。随着不同的巷道深度，安装防爆破所需的材料，通过设置多个爆破点进行支护点位标记，并根据操作过程，实时跟踪质量控制标准。在此基础上，对矿山建筑施工中所承受的压力清理进行分析，对影响支护变形的条件完成分类，并对基坑承受的条件进行平衡处理。

2 平衡矿山建筑基坑施工的承压条件

深基坑支护施工过程中，受到承压水的影响，主要是在地表之下，当两个较为稳定的隔水层之间，出现静水压力，则该区域内形成重力水，对支护施工造成影响。当基坑下存在承压水时，开挖基坑减弱含水层的不透水层厚度，而一旦减弱到一定程度，则会出现冲裂顶板现象。

以深基坑底部最小的不透水层厚度为例，当开挖过程中出现涌出条件时，必然造成厚度减弱问题，而基坑顶部的断裂，一般为网状的开裂。而地下水会从网状裂缝中，不断的涌出并带有大小不一的颗粒。根据上述现象，设置不透水层和承压的平衡条件，如下：

公式中：不透水层的厚度为QW，单位为m。矿山的土质饱和度为EW，水的重度为ER，两个参数单位为kN/m3[3]。承压水头高于含水顶板的高度差为TR，单位为m。因此，当QW＞ER×TR/EW时，基坑不会发生突涌问题，当QW＜ER×TR/EW时，基坑可能会发生突涌问题。

通过《建筑地基基础设计规范》对深基坑的要求进行设计，分别对围护结构的稳定性和抗倾覆等指标，进行分别验算。结合水土分算和合算两组情况，对其位移量进行稳定性标记。则：

公式中：土条I的重量为GI。稳定力值为UY。最下道的支撑深度为SI。竖向应力为FI。作用荷载的平均力度为DI。所在土层的粘聚力为AI[4]。施工的内摩擦角为αI，强度指标为tgβI。土条的总量为P。其中总应力为天然重量，根据有效应力中的渗流力，用来代替平衡后的承压参数，并通过弹塑性力学理论，对围岩和支护参数进行求解。

3 划分围岩与支护应力范围

弹塑性力学可以对围岩和支护的力学参数进行设定，从而完成巷道的支护设计，将强度准则和位移曲线进行交汇，从而设定出巷道周边的最大环向应力。将最大环向应力，作为巷道丧失稳定性的条件，其判断式如下：

公式中：巷道周边的最大环向应力为Hx。岩石的单轴抗压强度为JK。其中：

公式中：最大的原岩应力为L，集中系数为Z。则L×Z≤JK[5]。考虑支护顶板和围岩中点的最大环向应力，以此判断矿山施工巷道中，是否需要构建稳定性支架。

而矿山建设施工过程中，其地下浅层物质的密度呈现分布不均匀的特征，在支护位置测定和计算上，需要引入自身地层重力等因素，而岩石圈厚度内物质的分布特性，在各自的异常图像结构中，也存在完全不相似的特点。

从地球构造角度分析，地球自重中存在布格重力异常现象，表现为：越接近地表时其密度差界面，呈现过度起伏。导入布格重力异常计算公式，如下：

公式中：布格重力异常为∆dc。煤层地表重力测量值为dv。高度改正值为db。煤层中间层数值为dn。地形起伏数值为dm。地面整体重离子理论为d＊[6]。在得到重力情况后，按照岩石的三性综合分级，确定支护形式等级，见表2所示。

表2 岩石综合性支护等级

根据表中内容所示，“-”形式为不支护，“＊＊＊＊”为待定或者是不采用支护形式。“锚”表示锚杆，“网”表示钢筋网，数字代表混凝土的厚度，单位为mm。

以上述综合防护标准，带入到煤矿开采区的地层内，重力异常∆d与存在的自由引力常数存在一定关联性，在多阶重力下存在异常表现，通过计算重力对扰动因素进行确定，两者关系为：

公式中：地表平均半径为a，地心向径为ε，矿区地面的扰动位为sa[7]。通过重力影响对矿山开采中的扰动因素进行确定，并按照岩石等级进行稳定性分类，直接给出较为标准的支护设计。

而在矿山支护结构施工过程中，除了要考虑到承压和围岩的受力影响，还需要考虑围岩与支护的互抵作用，同样根据地层的重力异常因子和引力常数，对可以抵抗的扰动因素进行分析，从而对支护的施工作用点进行跟踪标记。至此，以在对矿山建筑施工整体过程分析中，完成深基坑支护的施工方法设计。

4 实验测试分析

上文完成了矿山深基坑支护施工方法设计，为验证本文方法的有效性，采用实验测试的方法进行论证。以保证支护施工的稳定性为测试标准，对矿山建筑施工中影响支护安全的因素进行分析。此次选择爆破频率为模量，在某实际开采中的矿山为例，在正常施工过程中进行爆破支护位移监测。

在矿山建筑施工阶段，按照深基坑支护的施工过程，划分基本爆破位置，分别按照A1、A2、A3的标定顺序进行依次爆破，每个爆破中共含有10个测点。各测点中实际振动速度，如表3。

表3 深基坑支护施工爆破震速值（cm/s）

根据表中内容所示，在每次爆破点按照顺序进行操作时，在A1时的振动速度最小，并随着爆破次数的增加，土层逐渐松动，而A3爆破时爆破振速较小。且在每一组爆破顺序内，从1号测点到10号测点中，爆破震速也会逐渐减弱。

按照矿采开采中对巷道的爆破操作，以本文方法进行支护施工，以不同的爆破震速条件，获取每个测点支护放置位置的位移量。当位移量小于0.01mm时，即可保证支护在后续矿山开采中的稳定性。将每个爆破顺序的数值，引入传统施工方法进行对比，位移结果见图2所示。

图2 矿山爆破后支护位移量测试结果

根据图中内容所示，传统方法虽然位移量也在标准范围内，但接近于标准极值，一旦爆破过程中出现其他影响因素，则会超过标准范围。而在本文方法的应用下，各测点支护的位移量均保证在规范标准之内，可控制在0.02mm之内，说明本文方法可以在巷道内爆破同时，对支护的施工起到稳定性作用，减少其产生位移的波动范围，具有实际应用效果。

5 结语

矿山建筑施工中的支护设计是一个较为复杂的过程，从原有的安全系数指标设计到工程经验设计，在支护施工中仍然存在少量的问题。本文通过可靠性理论进行研究，参考弹塑性力学理论，直接对矿山本体的重力结构进行分析，对巷道和支护的干扰系数进行计算，完成标准质量控制下的支护施工方法设计。经过实验结果表明，本文方法能够对实际爆破值进行精准地控制，有效对支护点进行标记，保证较小的位移量。但由于本次时间有限，在研究过程中对某些参数的设定，仅能通过标准情况进行分析，且实验过程以模拟形式进行，存在不足之处。后续研究中会更多地到矿山中进行实验，并对支护安装技术进行改进，为矿山企业的发展提供有利依据。