礦山提升機(jī)房深基坑開(kāi)挖方案研究

劉文博

（白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 白銀 730900）

礦山在采礦期間會(huì)對(duì)礦山周邊環(huán)境進(jìn)行小面積的改動(dòng)，為了防止提升機(jī)房深基坑開(kāi)挖時(shí)候避免礦井下沉和發(fā)生山體滑坡，深基坑開(kāi)挖必須提前制定適合的方案。

選擇深基坑開(kāi)挖工程最優(yōu)方案的標(biāo)準(zhǔn)是開(kāi)基坑開(kāi)挖的過(guò)程中基坑的穩(wěn)定性以及開(kāi)挖過(guò)程中礦山周邊的土體是否有變形的情況發(fā)生。隨著各大礦山開(kāi)礦越來(lái)越多，深基坑開(kāi)挖超過(guò)15m的工程勢(shì)必也越來(lái)越多，近幾年不僅基坑開(kāi)挖的經(jīng)驗(yàn)越來(lái)越豐富還研究出了監(jiān)測(cè)土地變形的機(jī)器[1]。給礦山提升機(jī)房的建設(shè)提供了一定的安全保障。但是隨著基坑的深度不斷加深，基坑深處的支護(hù)結(jié)構(gòu)壓力增大，基坑內(nèi)部的土質(zhì)結(jié)構(gòu)也會(huì)遭受影響。施工期間受礦山周?chē)鷼夂虻挠绊懀油寥赖暮试诙唐趦?nèi)有明顯波動(dòng)，以上列舉的原因都會(huì)導(dǎo)致基坑底部土壤不穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)不規(guī)則變形。

基坑開(kāi)挖各方面的專(zhuān)家經(jīng)過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)指出了現(xiàn)代基坑的主要缺陷，集中在設(shè)計(jì)圖紙時(shí)對(duì)周邊環(huán)境預(yù)測(cè)不準(zhǔn)、施工時(shí)材料使用多為便宜不耐磨的低質(zhì)材料，因此提出在礦山提升機(jī)房基坑施工時(shí)僅僅是預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)是不夠的，在方案的選擇上也要謹(jǐn)慎。

1 基坑開(kāi)挖方案設(shè)定

在基坑開(kāi)挖之前首先要考慮礦山所在的地理位置，基坑具體的開(kāi)挖深度，礦山周邊的土質(zhì)條件，開(kāi)挖的季節(jié)礦山的氣候特征。基坑開(kāi)挖基本采用支撐框架和連續(xù)地下保護(hù)墻相結(jié)合的結(jié)構(gòu)作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。基坑傳統(tǒng)的方案思路較為簡(jiǎn)單，合坑破除方案中對(duì)基坑開(kāi)挖針對(duì)周邊環(huán)境的考量和傳統(tǒng)方案是一樣的，只不過(guò)相比傳統(tǒng)方案步驟復(fù)雜一些。除了支護(hù)結(jié)構(gòu)外，合坑破除方案要在基坑周邊布置圍護(hù)結(jié)構(gòu)，提升機(jī)房主體基坑單獨(dú)設(shè)置兩排地下保護(hù)墻。基坑周?chē)鷽](méi)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的部分在有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的部分施工之后再進(jìn)行施工。利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑變形的抑制作用。結(jié)合基坑對(duì)周?chē)h(huán)境的影響的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)范圍，合坑破除方案有兩個(gè)需要注意的地方：一是在基坑開(kāi)挖的同時(shí)對(duì)礦山周邊土質(zhì)保護(hù)的問(wèn)題，二是后期受基坑范圍限制，地下基坑頂板最高處需要有保證工人安全的保護(hù)機(jī)制。

如圖1所示：簡(jiǎn)單來(lái)講就是將礦上提升機(jī)房所需要的機(jī)房按照順序逐個(gè)破除。但是在破除的過(guò)程中，要對(duì)礦山周?chē)鷾\基礎(chǔ)的土質(zhì)先進(jìn)性保護(hù)，基坑坑底的土質(zhì)蓬松支撐力弱的開(kāi)挖時(shí)候要增加混凝土地下保護(hù)墻來(lái)輔助受力，保證坑下安全。根據(jù)傳統(tǒng)基坑和提升機(jī)房的尺寸，合坑破除的基坑深度應(yīng)控制在15m之內(nèi)，寬度約為150m左右。基坑的輔助設(shè)施依舊是混凝土支撐，支撐截面要比傳統(tǒng)方案寬0.05m。依舊沿著礦山廠房和環(huán)山公路加固礦山邊坡，但合坑破除要改用獨(dú)立柱，不能采用吊車(chē)機(jī)械臂施工，需要人力操作。獨(dú)立柱采用人工挖的鋼筋砼和基礎(chǔ)臺(tái)，上方局部鋪設(shè)0.4m厚的防滲漏鋼板。柱基礎(chǔ)加設(shè)5＊5Φ鋼筋砼樁，樁長(zhǎng)度根據(jù)提升機(jī)房的總高度按比例設(shè)置。

圖1 基礎(chǔ)土方開(kāi)挖示意

通過(guò)人工架設(shè)鋼筋砼樁和鋪設(shè)防滲漏鋼板，可以對(duì)周邊土壤不穩(wěn)定的巖石起到防范作用，防止基坑發(fā)生塌方巖土層擠壓基坑導(dǎo)致基坑變形。礦山廠房和公路的邊緣采用鋼結(jié)構(gòu)柱加固礦山邊坡。計(jì)算出實(shí)際基坑的周長(zhǎng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)IV7和IV9兩種長(zhǎng)度的鋼板。鋼柱使用起吊機(jī)深入基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)使用單層結(jié)構(gòu)就夠用，雙層結(jié)構(gòu)雖然更加堅(jiān)固，但是給基坑帶來(lái)的質(zhì)量壓力也更重。支護(hù)結(jié)構(gòu)鎖扣形狀設(shè)計(jì)為套鎖形式，鋼柱和鋼板均為鉤狀型，可以有效的阻擋土質(zhì)松軟部位產(chǎn)生的流沙和雨水侵蝕基坑。

在基坑內(nèi)側(cè)的土壤上方挖到鋼柱1m左右的深度，設(shè)置一道屏障，屏障采用H500型號(hào)的剛鋼材，間隔距離用2m左右，根據(jù)基坑周長(zhǎng)計(jì)算具體用量，設(shè)置適合數(shù)量的鋼板樁支撐，放置鋼板樁直到鋼板樁最上端達(dá)到標(biāo)高位置，基坑的基臺(tái)搭建完成。基臺(tái)施工完成后，對(duì)基坑內(nèi)部進(jìn)行回填。回填土位置沒(méi)過(guò)鋼板樁0.5m，用吊車(chē)機(jī)械臂拔出多余的部分。

施工方不需要?jiǎng)佑苗P車(chē)和吊車(chē)機(jī)械臂，減少了周邊山體發(fā)生崩塌的危險(xiǎn)。人工作業(yè)不需要額外會(huì)操作機(jī)器的人，普通工人足夠所有的技術(shù)需要。工程量減少，工期較短勞務(wù)成本降低。

2 方案測(cè)試

2.1 測(cè)試合坑破除方案基坑穩(wěn)定性

建立兩種方案的數(shù)值模型，將提升機(jī)房基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移清零，礦山主體基坑開(kāi)挖首次層土體，支護(hù)結(jié)構(gòu)直至坑底，拆除鋼板砼柱。基坑開(kāi)挖施工，結(jié)束后拆除分割基坑的地下保護(hù)墻。為保證測(cè)量方案測(cè)試效果最優(yōu)化，兩方案數(shù)值模型模擬步驟保持一致。兩方案按照以上步驟操作結(jié)果如表1所示：

表1 基坑穩(wěn)定性對(duì)比

傳統(tǒng)方案提升機(jī)房最大位移水平數(shù)值和基坑累積變形量比合坑破除方案要高，差值呈現(xiàn)的為正數(shù)。傳統(tǒng)方案中混凝支撐發(fā)揮了很大的作用，代替基坑本身土質(zhì)承受854KN/M的外界壓力，對(duì)礦山周?chē)襟w的影響最大位移，礦山土層沉降不超過(guò)10mm。總體數(shù)值較低。而支護(hù)結(jié)構(gòu)承受壓力和礦山周?chē)临|(zhì)位移兩大數(shù)值確實(shí)合坑破除方案的數(shù)值要比傳統(tǒng)方案大，差值呈現(xiàn)為負(fù)數(shù)。鋼筋砼和基礎(chǔ)臺(tái)代替基坑本身土質(zhì)承受1054KN/M的外界壓力，對(duì)礦山周?chē)襟w影響的最大位移，礦山土層沉降為11.26mm。

兩方案數(shù)值相比，合坑破除方案下的基坑位移數(shù)值更小，相應(yīng)的變形積累數(shù)值也越低。合坑破除方案開(kāi)挖的土質(zhì)更緊實(shí)，穩(wěn)固性比傳統(tǒng)方案開(kāi)挖的基坑的好。

2.2 測(cè)試合坑破除方案成本和工期

對(duì)傳統(tǒng)方案和合坑破除進(jìn)行成本比較，傳統(tǒng)方案比合坑破除方案技術(shù)成熟，但支護(hù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工作要在整個(gè)回填工作結(jié)束之后才能正式宣告完成，工期較長(zhǎng)，機(jī)械租賃費(fèi)、人工費(fèi)、回填土壤多次操作費(fèi)加在一起也是一筆不小的開(kāi)銷(xiāo)。成本費(fèi)用預(yù)估高達(dá)80萬(wàn)，基坑工廠方案最后的敲定也不能單單看模擬數(shù)值，如表2所示：

表2 基坑工期和成本對(duì)比

合坑破除方案人工需求較大，人工開(kāi)挖費(fèi)用同租賃機(jī)械費(fèi)相比必然是人工費(fèi)用較低，鋼筋砼柱的支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)需回填土壤。正常的工人作業(yè)就可以滿足勞動(dòng)需求，工期不長(zhǎng)，施工結(jié)束后回收利用鋼筋砼柱，可以在下次使用，也避免了材料浪費(fèi)。總成本也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方案。

2.3 測(cè)試結(jié)果分析

由以上數(shù)值模型的對(duì)比可知，合坑破除方案雖前期準(zhǔn)備步驟復(fù)雜，需要人工操作的環(huán)節(jié)也多，但是因?yàn)殇摪屙胖某惺芰σ然炷脸惺芰?qiáng)，所以其保證基坑內(nèi)部安全的效果更好。傳統(tǒng)方案步驟簡(jiǎn)單，基坑開(kāi)挖后多了一個(gè)回填步驟，回填土增加了原本的支撐性，但后期需要再次將回填土挖出，重復(fù)進(jìn)行同樣的工序，耗費(fèi)人力和時(shí)間，也會(huì)增加整個(gè)工程預(yù)算。效果是對(duì)周邊自然環(huán)境影響較小，降低了礦山發(fā)生土質(zhì)變異的可能性。

基坑開(kāi)挖對(duì)礦山周邊環(huán)境的影響是通過(guò)提升機(jī)房的位移數(shù)值來(lái)體現(xiàn)的，合坑破除方案模擬后的機(jī)房位移比傳統(tǒng)方案的機(jī)房位移小0.25mm，提升機(jī)房的位移數(shù)值越小，基坑內(nèi)部自身的變積累變形就越小。積累變形的數(shù)值越小，基坑的土質(zhì)就越緊實(shí)。通俗來(lái)講，土質(zhì)越緊實(shí)，基坑穩(wěn)固性就越強(qiáng)。基坑變形積累數(shù)值越大，造成礦山周邊山體沉降越大，對(duì)周邊環(huán)境來(lái)說(shuō)破壞性越大，傳統(tǒng)方案多了一步回填土的環(huán)節(jié)，礦山自然而然沉降度很低，因此，傳統(tǒng)方案雖然變形積累數(shù)值比合坑破除方案數(shù)值要大，沉降位移數(shù)值卻比合坑破除方案要小。傳統(tǒng)方案雖然技術(shù)更加成熟，但是工期長(zhǎng)，工程成本也更高，合坑破除方案雖然實(shí)行起來(lái)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但工期短，所需費(fèi)用也比傳統(tǒng)方案少。綜合比對(duì)之下選擇合坑破除方案更試用礦山提升機(jī)房深基坑開(kāi)挖的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)比兩大礦山提升機(jī)房深基坑開(kāi)挖方案，通過(guò)建立數(shù)值模型進(jìn)行對(duì)比測(cè)試選出合坑破除方案為最佳基坑開(kāi)挖方案。本文兩方案模型模擬步驟一致，保證了測(cè)試結(jié)果公平公正，測(cè)定結(jié)果具有較高參考性。但因?yàn)榈V山環(huán)境各異，該方案不適應(yīng)特殊情況，希望在日后的深入研究中可以更加完善。