矿山工程深基坑支护设计及施工探讨

王 茜

近年来，我国矿山基础工程施工项目逐步增多，而在工业化进程不断推进的大环境下，对矿山工程施工的质量要求越来越高，基坑的深度逐年增大，对深基坑支护提出了更高的要求。基坑支护主要是为保护地下主体结构施工和基坑周边环境的安全，对基坑采用的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施。基坑支护能够保证基坑四周的土体的稳定性，同时满足地下室施工有足够空间的要求，这是土方开挖和地下室施工的必要条件；坑壁土体的变形，包括地面和地下土体的垂直和水平位移要控制在允许范围内。通过截水、降水、排水等措施，保证矿山基坑工程施工作业面在地下水位以上。我国不同区域工程地质、水文地质条件差异明显，适用的深基坑支护技术也不相同，在具体施工中需要结合工程地质、水文地质条件，以及矿山工程的特点和使用用途，采取有针对性的支护技术和方案，才能提升支护效果，保证深基坑的稳定性，并降低对周围既有基础设施造成的不良影响。基于此，开展矿山工程深基坑支护设计及施工的探讨分析就显得尤为必要。

1 工程概述

某矿山工程，总面积为2.64 万m2，整体结构为框架混凝土结构，基坑面积为1.85 万m2，基坑深度最深处为18.6m，最浅处也有15.4m。自然地面高程在4.6m ～4.8m 之间，地质条件比较复杂，通过钻探勘查结果表明，本工程在土方开挖的范围内，地质结构从上到下依次为：杂填土、淤泥质土、淤泥、砂砾、粉质粘土、粘土等。施工区域内地下水位的高低季节性明显，潜水每年的11月份，到第二年的3月份地下水位比较高，其余月份比较低，年变化幅度为2m 左右。

2 矿山工程深基坑支护的特点分析

深基坑和常规基坑相比，具有很强的综合性，设计和施工也比较复杂，具有的特点主要体现在以下几个方面：

第一，深度在不断增加。在工业化进程不断推进的背景下，城市现有土地资源越来越少，为提升有限资源的最大利用率，矿山工程的高度越来越高，高度的增加必然会引起基坑深度的增加，这是客观存在的。

第二，区域性比较强。我国不同地区工程地质、水文地质条件差异明显，在矿山工程深基坑支护中即便是相同的区域，不同的土层的岩土工程性质也不相同。在进行深基坑支护和开挖的过程中，必须结合当地的实际条件采取有针对性的技术，才能保证各项工作有序开展。

第三，周边环境影响大，有一少部分矿山基础工程施工项目位于城市内，人流车流密集的区域，因此，影响深基坑支护设计和施工的因素比较多，在选择设计方案和施工技术的时候，需要综合考虑对周围既有基础设施和地下管线造成的不良影响。

第四，风险性和随机性。深基坑支护多为临时性工程，一些施工单位降低成本，对深基坑支护不够重视，大大增加了深基坑施工发生安全风险的概率。而且深基坑施工时间比较长，存在很多不确定因素，增强了深基坑支护施工的随机性。

3 矿山工程深基坑支护设计要点

3.1 设计原则

就案例工程而言，深基坑规模比较大，为保证深基坑支护质量和效果，在具体设计中必须严格遵循“技术先进、经济合理、安全可靠”的原则，以保证深基坑支护在地下结构施工中的稳定性，避免发生安全问题。而且在设计中还要综合考虑工程特点和水文地质条件，进行因地制宜和科学合理的设计。矿山工程深基坑深度最深处达到18.6m，属于大规模深基坑工程，而且周围有很多既有基础设施，管线布设复杂，深基坑支护设计的安全性至关重要，因此，在本工程深基坑支护设计安全等级必须达到一级，重要性系数取值为1.1。

3.2 深基坑支护方案设计

选择深基坑支护方案，是深基坑支护设计在科学技术不断发展的背景下，深基坑支护施工技术愈发多样化，在每种支护技术都有其独特的特点和应用范围的情况下，综合考虑多方面因素才能选择出最佳的支护方案，主要包括以下几个方面：

第一，造价。在深基坑支护设计中需要考虑经济效益，在保证支护效果和质量的基础上，最大限度降低人力、材料、机械设备的投入成本，合理安排深基坑开挖、土方运输、堆放、回填等，以便最大限度降低深基坑支护的成本。

第二，环境因素。在深基坑支护设计中，需要切实做好安全生产、文明施工，在后期施工中要能够最大限度的降低对周围环境造成的影响。

第三，工期。深基坑支护形式不同，施工工期也不相同。案例工程规模大、时间紧、任务重，要求深基坑支护工期越短越好。

第四，不可预见性因素。在深基坑支护方案设计中还要综合考虑降雨、降雪等因素对施工造成的不良影响。

综合上述因素，结合本工程的场地条件，考虑到施工工期比较紧，为缩短工期，降低造价，减少回填量，且基坑挖深15m ～18m，地质条件较差综合分析，决定采用支护桩+预应力锚杆的支护方案，本方案具有的优势包括：对周围临近基础设施的影响比较小，结构轻轻，柔性大，同时具有良好的抗震性和延性，而且施工方便，安全，操作灵活，可结合现场实际需求，及时调整设计方案。在整个施工中无需独立的使用场地，稳定可靠，支护之后边坡的位移比较小，水平位移通常为深基坑深度的0.1%～0.2%，最大不超过0.3%，工期短，效率高，成本低，很好地契合矿山工程施工对深基坑支护的要求。

4 矿山工程深基坑支护施工要点

4.1 做好施工前的准备工作

矿山工程的深基坑支护采用支护桩+预应力锚杆的支护方式，首先需要做好施工前的准备工作，充分了解和掌握地下障碍物和管线分布情况。做好测量放线工作，布设好变形监测点，组织施工单位进行技术交底、安全交底。同时按照设计方案的要求，做好材料、设备、人员、工艺的准备工作，以保证后期的施工能够高效、有序的开展。

4.2 支护桩施工

（1）设备安装。首先是挖护筒，护筒的中心轴线对准装维的中心，并在护筒做好标记，控制桩位。之后钻机要按照指定的位置布置好，将桅杆和钻杆的角度根据施工计划进行调整，将钻机安装好并调平处理，不要明显严重的倾斜及移位。

（2）成孔。打入第一个支护桩时，要缓速匀速进行，结合地层的地质情况，避免对周围基础设施造成影响，控制钻进的参数，不能钻速过快。成孔过程中采用泥浆护壁，钻进时要确保泥浆面不能比导墙顶部低，需超过40cm。打入到足够深度后提钻，提钻过程中也要向孔中注入泥浆，确保泥浆高度不会有明显的变化。在钻进期间还要定期检查相关尺寸，如果和施工设计不符，需要及时调整。

（3）清孔。当钻到设计的深度后，提出钻头，对钻孔进行清理，采用磨盘捞渣钻头清理，确保孔底厚度的沉渣不超过15cm。

（4）钢筋笼制作及安装。结合施工设计，根据预先设计的钢筋笼进行制作，制作完成后经过验收合格到现场进行焊接。钢筋笼堆放于不会影响到基坑支护的地方，焊接是需要把加劲箍以及螺旋箍和钢筋牢牢焊接，分段制作并完成焊接。在钢筋笼的安装施工中，利用吊车捆扎牢固，平稳吊起，防止钢筋笼在吊装过程中变形，对于体型大的这类钢筋笼。可同时运用调车主副钩将钢筋笼一并吊起。将钢筋笼吊到设计位置，下放至标高，并设置垫块加以保护。

（5）混凝土灌注。完成以上操作后就可以开展混凝土的灌注施工，本工程利用自由塞隔水，也就是充气球胆，其直径的大小选择没有固定，只要能够保证导管的自由进出就好。导管的下入深度和孔深等参数必须要严格测量，导管的地步和孔底的距离要控制在大约0.3m ～0.5m 的范围，且导管要居中位置。

进行混凝土灌注施工时，首灌的埋管深度要至少为1m，首灌完成之后，混凝土可以开始持续灌注，经由漏洞向导管注入，但是注意不能一次性注满，防止有气囊生成。注入完成之后将导管拔出，需要先确定灌注深度以及导管埋深，再将导管拔出。为了能够保证桩顶的质量达标，需要在桩顶的设计标高的基础上额外增加0.8m ～1m 的高度，因为在灌注结束后，将导管拔出，同时灌注压力也减少，这可能会使灌注桩造成一定程度下沉，所以本工程在灌注时在设计高度基础上额外增加了一部分的灌注高度。此外，在拔出导管时，拔出的速度不能过快，避免孔上部的泥浆渗入到灌注桩中。灌注完成后，形成混凝土灌注支护桩，进行质量检测工作。质量检测需要在每个工序完成后都要进行，在全部工序完成后也要进行一次整体的质检工作。质量检测包括成孔、清孔的质量、钢筋笼的质量、混凝土灌注桩的质量等方面，严格按照施工设计，以及业内技术规范作为参照标准。桩身的质量要通过低应变动测技术来检测完整性，确保灌注支护桩内部没有离析、夹层或是缩颈等问题。抽检工程总桩数中的10%，本工程的支护桩施工经过质量检测均满足设计要求和相关规范。

4.3 预应力锚杆施工

4.3.1 造孔

通过锚杆机钻按照设计的位置进行钻孔，钻孔工艺为湿法成孔。在钻施工之前，要根据工程设计确定好钻孔的所在位置，并进行标记，孔的位置不能有过大偏差，锚杆倾角为15°，角度误差不能超过±3°。锚孔的成孔深度要比设计深度预留出一定长度，大约是0.5m，如果造孔过程中发现存在较大的水量，那么就需要先暂停施工，避免渗水塌孔，需要设置倒水孔，并做好清理，才能将锚杆插入。

4.3.2 锚杆的制作和组装

按照工程设计选择对应的钢绞线尺寸规格，在锚杆和钢绞线到现场后先要进行去污除锈处理，再进行组装。不同钢绞线如果有接头，那么接头部分需要错开，并通过挤压式套管处理接头使其连接稳定。锚杆和锚固体的连接部位通过铅丝进行捆扎，钢绞线结合应用的千斤顶重量确定需要预留的张拉长度。在锚杆前段还要设置一个导向装置。

4.3.3 锚杆的安插

将锚杆小心谨慎地插入到锚孔之中，这期间要避免不要出现锚杆弯曲、扭曲的情况。在插入锚杆的同时，通过底部注浆的办法，使锚杆固定，注浆管要和锚杆以同插入到锚孔之中，注浆管的头部要和孔底有大约5cm ～10cm 的距离，当锚杆安插固定好之后，再通过锁紧装置固定锚杆头。

4.3.4 锚杆注浆

锚杆注浆采用纯水泥浆，结合试验设计水灰配比，本工程的水灰比为0.4 ～0.5，并添加一些早强剂，从而使锚杆和浆液的固结体能够尽快提升强度，保证在20d 的强度可达20MPa以上。此外，注浆的方法是二次注浆法，在首次注浆时按照0.5MPa ～0.7MPa 的注浆压力进行注浆，把导管插入到孔底，之后将浆液注入，边注浆边匀速、缓速地将导管拔出，在这一过程中导管出浆口要始终位于锚孔的浆体以下。第二次注浆采用高压注浆，当首次注浆的24 后，进行二次注浆，利用φ20 的注浆管随着锚杆异同进入到锚孔底部，二次注浆的压力控制为2.5MPa ～5MPa 的范围。注浆结束，或是需要中途暂停较长的时间，那么务必要对注浆泵及注浆管进行清洗，避免堵塞。

4.3.5 锚杆的预应力张拉和锁定

这是预应力锚杆的关键施工环节，等到锚杆和注浆所形成的锚固体充分融合，锚固体强度达到设计强度的七层时，就可以进行预应力张拉。大约每15 米的距离设置一个锚杆，按照隔二拉一的原则张拉预应力钢绞线并进行锁定。在张拉前，先要将钢绞线完全伸直，之后按照0.7 倍/s 的当前应力逐渐增加，直到达到设计值，但是要预留一部分富余量，因为松开钢绞线时可能会有一部分回缩，因此建议拉倒设计值的1.1 倍～1.2 倍左右，保持5min ～10min，之后将其锁定，并检查预应力是否达标，如果没有达到设计值需要再进行张拉。

4.4 排水系统

为提升支护效果，整个支护过程需要在排除地下水的情况下进行，否则会增大支护的难度，而且不利于保证施工质量。案例工程在深基坑支护施工中，为营造一个无水环境，采取了地表排水、支护内部排水、基坑排水相互结合的方法。施工面复核工程坐标、水准基点、场地标高，并报验。基坑开挖的原则应侧壁土方四周先开挖再退中间的土方，基坑侧壁土方必须分层分段均衡开挖，严格做到开挖一层支护一层，上层末支护完，不得开挖下一层。每层开挖深度为土钉以下0.5m，支护系统强度达到设计强度的80%后方可开挖下一层，开挖坡度必须符合设计要求，同时不得在大雨天开挖，施工每层开挖深度不超过1.5m，每段开挖长度不大于15m，素填土层开挖长度不大于15m，淤泥每层开挖深度不超过1.3m，每段开挖长度不大于6m，且应间隔开挖，开挖后应及时对壁面进行修整。土方开挖过程中应做好坑内滞水及大气降水的疏导工作，确保坑内不积水；土方开挖顺序与速度应根据监测结果及时调整。防止土地处于饱和状态并减轻作用于面层上的静水压力。在深基坑顶部四周需要采取明沟排水的方法，以免雨水渗流到深基坑内部，影响支护效果。在深基坑内部需要布设排水沟和集水井，并和深基坑边壁之间需要预留出一定的距离，集水井中的积水需要潜水泵及时排出，从为深基坑土钉支护营造一个无水的环境，更好的保证支护效果。

5 矿山工程深基坑支护施工中特殊情况的处理

矿山工程深基坑支护施工难度比较大，影响施工质量的因素比较多，为保证施工质量，控制安全问题，在矿山工程深基坑支护施工中难免会遇到一些特殊情况，控制不当会引起严重的质量问题和安全性问题，需要进行有针对性的处理。常见的特殊性情况有滑坡、局部坍塌、地标裂缝，相应的处理措施如下。

5.1 滑坡的处理措施

在矿山工程深基坑支护施工中一旦遇到滑坡问题，需要立即停止施工，如果情况严重，要及时组织施工人员撤离到安全地带。现场管理人员要采取有效的处理措施，来降低滑坡造成的危害和损害，比如：可用挖掘机在坡脚位置快速回填。并按照滑动迹象，设置合适的观测点，按照滑坡体平面位移和沉降变化情况，作好记录，为滑坡处理提供有效的数据参考。

5.2 局部坍塌

局部坍塌也是矿山工程深基坑支护施工常见的安全问题，在深基坑支护中如果遇到砂土层，没有及时支护，致使砂土长时间暴露在空气中，砂土中水份散失后，在自重或者是外力的作用下就会发生坍塌问题。为解决这一问题，需要尽量缩短清坡和支护的时间，将开挖分段长度控制在3m ～5m 之内，并调整施工工序，清坡后立交进行土钉支护，挂设钢筋网片和喷射混凝土。

5.3 地标裂缝

在正常情况下，地标发生轻微裂缝，以及靠近基坑的基础设施出现微小开裂可看做是正常现象无需处理。但如果裂缝过大，或者微小裂缝有继续发展的趋势，就需要停止施工，修改支护参数，及时加固处理，以保证矿山工程深基坑支护结构的稳定性。

6 结语

综上所述，结合工程实例，探讨了矿山工程深基坑支护设计及施工，探讨结果表明，深基坑设计和施工是矿山工程施工的关键内容，对整个矿山工程的总体质量及稳定性有很大影响。为保证矿山工程深基坑支护质量。需要结合工程特点，掌握深基坑水文地质条件，综合考虑经济性、使用速度、环境保护等都多方面内容，设计出最适宜的深基坑支护方案，并对施工过程进行严格控制，才能提升深基坑的质量，更好的保证矿山工程的施工质量。