浅埋暗挖法在铁山铁矿地采工程施工中的应用

王子宽

(河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司)

·采矿工程·

浅埋暗挖法在铁山铁矿地采工程施工中的应用

王子宽

(河南安钢集团舞阳矿业有限责任公司)

为确保铁山铁矿露天转地下斜坡道施工安全以及提高工程施工进度，详细分析了浅埋暗挖法在该矿斜坡道施工中的应用成果。通过设计合理的巷道断面，进行科学的支护结构设计，选择优化的支护参数，采用正确的开挖方法施工，设计了受力合理、技术经济且安全可靠的曲墙式巷道断面和喷网、网构、钢拱架、锁脚锚杆等4类复合支撑体系。应用主动式一次性永久支护取代被动式二次模筑衬砌，取得了含水软弱破碎地层巷道施工技术的重大突破，可供类似矿山参考。

浅埋暗挖法 地采工程 露天转地下 斜坡道 软弱破碎地层 巷道施工 复合支撑体系

斜坡道工程是铁山铁矿地采工程的重要前期基础工程[1]。由于巷道需穿越软弱破碎含水的软塑性黏土地层和强烈风化岩层约400 m以上，且穿脉穿越矿区公路，施工初期采用传统的矿山巷道设计及施工方法，遇到掌子面严重塌方，进展极为缓慢，已施工巷道也出现了支护开裂等现象，严重威胁了斜坡道工程的施工安全和工程进度。为此，采用浅埋暗挖技术进行斜坡道工程施工，为有效解决斜坡道工程在地表软弱破碎地段的施工难题提供参考。

1 工程概况及存在的问题

1.1 工程概况

目前，铁山铁矿古坑露天采场开采接近结束，自2008年开始着手进行露天转地下开采工程施工，设计生产规模为年产铁矿石400万t，设计主要工程有主井、西混合井、东副井、斜坡道、西风井和东风井。斜坡道工程担负着矿山井下无轨设备出入及部分人员、材料运输任务，且为新鲜风流进入井下的通道之一；斜坡道形式采用折返式，全长3 815 m，转弯半径20 m，主干线坡度17%，弯道段、缓坡段及分段平巷联结坡度5%，平均坡度约15%。原设计断面采用直墙曲拱形式，按行车速度10～20 km/h进行设计计算，斜坡道净断面尺寸5.0 m×3.8 m(宽×高)。原设计在斜坡道掘进过程中根据岩石状况，分别采用如下支护形式：①不支护；②喷射混凝土支护，支护厚度50 mm；③砌筑混凝土支护，支护厚度200 mm；④洞口段采用钢筋混凝土支护，支护厚度300 mm。

1.2 工程地质及水文地质条件

矿区内地层主要为第四系洪积物及太古界条带混合岩、长英均质混合岩等岩层。根据地质作用及风化程度可分为2类：①强风化绿泥石化角闪斜长片麻岩；②角砾岩化高岭土化角闪斜长片麻岩。区内岩石节理发育，钻探深度内岩层的挤压破碎带较严重，有约63 m厚的第四系土层及强烈风化带，并有强弱不同程度的热液蚀变和绿泥石化、高岭土化现象，是岩体中最不稳定的软弱层带。区内地下水主要受大气降水的渗透补给，经地下径流在临近矿坑中排出。区内第四系覆盖层和浅部岩体受风化作用的影响，节理裂隙较发育，地下水主要赋存于微透水的条带混合岩体中，主要为基岩裂隙水，受大气降雨和季节性补给的影响较大。

1.3 存在问题

斜坡道工程是铁山铁矿露天转地下开采的重要工程，建成后将承担地下大型设备进出和局部出矿的任务。工程施工跨度6 m，错车道部分的跨度达12 m，工期计划2 a零8个月。由于跨度大，岩石结构松软，施工过程中存在的问题及面临的困难有：①工作面出现大量塌方，随掘随塌，严重威胁施工设备及人身安全，尤其随着隧道的加深，地下水的涌出量增加，地层的软弱破碎状况更为恶化，施工安全遇到前所未有的挑战，其中一段巷道施工过程中塌方还波及至地表，使得地表形成一个大沉降坑；②由于施工困难，进度缓慢，无法爆破，无法使用机械设备，基本靠人工掘进，施工1 a，加上地表明挖段，仅掘进了180 m，每月掘进量最多15 m，最少仅8 m，严重影响了施工进度；③施工成本大幅增加，破碎地段施工前期采用钢轨斜插支护，再进行二次模筑，使得材料消耗大，施工成本较高(6～7万元/m)；④已施工的巷道随着时间的推移出现了开裂现象；⑤隧道应在埋深浅的条件下穿越矿区主干公路和河道。

2 浅埋暗挖法施工技术及其应用

2.1 浅埋暗挖法原理

浅埋暗挖法的特点是沿用新奥法的基本原理，建立量测信息反馈设计和施工程序，采用先柔后刚复合式衬砌新型支护结构体系，考虑初次支护承担全部基本荷载，二次模筑衬砌作为安全储备，初次支护和二次衬砌共同承担特殊荷载[2-6]。该方法在施工中充分利用围岩的自承能力，采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使支护体与围岩共同作用形成联合体系。

2.2 施工过程

2.2.1 断面形状设计

岩层风化带属软弱地层，地质条件差，围岩自稳性差。为提高围岩结构强度，将直墙式结构断面改为曲墙式结构断面，曲线尽可能圆顺，减少应力集中点，断面两侧扩展尺寸计算公式为

式中，h为由直墙边变为曲墙边的最大矢高，m；H为开挖断面高度，m；d为由直底边变为曲底边的最大矢高，m；L为开挖断面宽度，m。

2.2.2 巷道支护设计

在强度较低、节理发育的岩层风化带施工，极易发生岩体塌方，围岩往往产生较大的变位量，支护结构被压缩弯曲而对围岩壁面施加径向约束压力，需要支护体系提供支护抗力。为此，将原模筑衬砌结构修改为喷网钢拱架结构，形成了混凝土、钢拱架和钢筋网联合支护体系(图1)。该支护体系的优点：①支护施工及时；②断面封闭快；③有利于充分发挥围岩的自承载能力，确保工作面稳定。

图1 混凝土、钢拱架和钢筋网联合支护体系

2.2.3 支护设计参数

2.2.3.1 网构拱架

为提高支护结构对围岩施加的支承力，采用钢拱架加强支护结构的刚度。钢拱架的设计要求：①钢拱架须有一定的刚度、强度和稳定性，确保喷射混凝土在早期无承载能力时可承担围岩的部分荷载；②限制围岩产生较大变形，但应确保支护结构具有一定的柔性。针对斜井的实际情况，选择了一种新型支护拱架——网构钢拱架(图2)。

2.2.3.2 钢筋网

为提高联合支护体的强度，在钢拱架之间铺设钢筋网。钢筋网用φ22 mm圆钢筋电焊加工成100

图2 新型支护拱架—网构钢拱架结构(单位：mm)

mm×100 mm的片状网格，钢筋网片规格为1 000 mm×2 000 mm，见图3。

图3 钢筋网设计(单位：mm)

2.2.3.3 锁脚导管

为确保初期支护和落地开挖加格栅时钢拱架的稳定性，分别在两侧设计了上部和下部2根锁脚导管，导管φ42 mm，壁厚3.5 mm，长2 m，向下30°安装(图4)，锁脚导管和网构架用电焊焊牢。

2.2.3.4 喷射混凝土工艺

喷射混凝土可分为初喷和复喷2个环节。为充分发挥围岩承载力，应及时进行初喷混凝土，再复喷至设计厚度。初喷和复喷均采用潮喷法，喷射混凝土强度为C20，采用强式搅拌机拌和。喷射水灰比0.4～0.45。

图4 锁脚导管设计

喷射工艺要求粉尘回弹最小，喷射混凝土应密实、饱满、表面平顺，其强度应达到C20设计要求。骨料最大粒径宜小于15 mm，砂率宜为70%～80%，施工要点：①喷射混凝土厚度31 cm；②速凝剂的掺量应通过试验确定，应进行水泥和速凝剂匹配试验，混凝土的初凝时间不超过5 min，终凝时间不超过10 min；③混合料应随拌随用，不掺速凝剂的混合料存放时间不应超过2 h，掺速凝剂的混合料存放时间不应超过20 min；④混合料应采用强制式搅拌机搅拌，搅拌时间不宜少于1 min。

2.2.4 开挖方法

为有效控制围岩松弛及由此引起的洞顶塌落、拱顶下沉，采用留核心土正台阶开挖法，上台阶长度定为洞径的1倍，即6～10 m，视地层优劣决定是否设超前小导管，施工流程见图5。主要施工顺序：①环形开挖留核心土；②初喷混凝土；③施工拱顶支护；④台阶向下开挖；⑤由上至下施工边墙支护；⑥施工仰拱封闭成环。

图5 正台阶开挖法施工流程

2.3 应用效果

(1)工期快，剔除施工准备时间，仅用了3个月便完成工程进度220 m，顺利通过了地表含水软弱破碎带，最快进尺达80 m/月，而传统施工法最大进尺仅15 m/月。

(2)施工安全，实行环形开挖，快速施工，快速封闭，对巷道围岩影响小，基本保持了巷道围岩原始状态，充分利用了围岩自身的支撑能力。分台阶施工、预留中央核心土，使巷道在施工过程中暴露面积小，并对巷道正面起到支撑防护作用，降低了围岩冒顶、片帮的可能，作业环境的安全性大大提高，也为加快施工创造了条件。

(3)材料消耗少，成本低，相比传统施工法，每米巷道降低材料费用约1万元，巷道每米造价由6～7万元降低至3.5万元以下。

(4)浅埋暗挖法施工工艺相对简单，按工序一次成巷，施工速度快，无维护工作量，不反复。

(5)斜坡道施工快速通过了矿区主干公路，地表无沉降，对地表及周围建筑物无影响。

3 结 语

针对铁山铁矿露天转地下斜坡道施工中存在的问题，引入了浅埋暗挖法施工技术，对该技术的关键施工环节以及实际应用效果进行了详细分析，为类似矿山工程施工提供参考。

[1] 李公堂.舞阳铁山矿区阶段矿房嗣后充填采矿法的应用[J].现代矿业，2014(11)：41-42.

[2] 赵玉报，陈寿根，张 恒，等.深圳地铁四号线富水流沙层下穿立交桥隧道CRD法开挖动态分析[J].路基工程，2012(1)：96-100.

[3] 王旭东，周生华，迟建平，等.上软下硬地层浅埋暗挖隧道覆跨比研究[J].地下空间与工程学报，2011(4)：700-705.

[4] 王心毅，张 波，郑继强.浅埋暗挖法的施工适应性及展望 [J].交通标准化，2011(9)：64-67.

[5] 邓稀肥，陈寿根，张 恒，等.深圳地铁四号线隧道围岩变形控制技术研究[J].地下空间与工程学报，2011(2)：340-345.

[6] 邓稀肥，陈寿根，张 恒，等.富水流砂地层中下穿立交桥及燃气管线隧道围岩变形控制技术[J].现代隧道技术，2010(4)：101-107.

Application of the Construction Process of the Shallow Tunnel Excavation Method in the Underground Mining Engineering of Tieshan Iron Mine

Wang Zikuan

(Wuyang Mining Co., Ltd.,Henan Anyang Iron and Steel Group)

In order to ensure the ramp construction safety and enhance the ramp construction speed of Tieshan mine open-pit to underground engineering, the application results of the ramp construction technology of shallow tunnel excavation method of Tieshan mine is analyzed in depth. Based on designing a reasonable roadway section and scientific support structure, selecting the optimal supporting parameters and adopting the right excavation method of construction, the curved wall roadway with the characteristics of reasonable load, technical, economic, safety and reliable is designed, and the four kinds of composite supporting system of spray network, network structure, steel arch and feet-lock bolt are proposed. The passive secondary mold lining is replaced by active one-time permanent support, the breakthrough of the roadway construction technology of the water cut fractured stratum is obtained. Therefore, the application results of this paper can provide reference for the similar mines.

Shallow tunneling excavation method, Underground mining engineering, Open-pit to underground, Ramp, Water cut fractured stratum, Roadway construction, Composite supporting system

2015-09-23)

王子宽(1963—)，男，高级工程师，462500 河南省舞钢市。