礦山建筑施工中深基坑支護(hù)施工技術(shù)

車金枝，宋 欣

（1.山西應(yīng)用科技學(xué)院，山西 太原 030062；2.國網(wǎng)山西省電力公司超高壓輸電分公司，山西 太原 030001）

深基坑支護(hù)是礦山開采的重要環(huán)節(jié)，隨著經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展，各行各業(yè)對礦產(chǎn)資源的需求增加，受礦產(chǎn)資源的不可再生性影響，礦山開采難度急劇上升?，F(xiàn)階段礦山開發(fā)中，難度主要為地下礦產(chǎn)資源的占比增加，當(dāng)?shù)V山開采逐漸加深時，其自身圍巖變得更加的不穩(wěn)定，因此需要集中進(jìn)行支護(hù)施工操作，導(dǎo)致礦山開采的成本增多。與常規(guī)地下工程相比較，礦山巷道由于受到采礦影響，在支護(hù)施工中容易產(chǎn)生回采動壓，且隨著時間和空間的變化，支護(hù)需要承擔(dān)的壓力比原巖的壓力更多，由此在支護(hù)施工中極容易產(chǎn)生變形和破壞等問題。對礦山施工中巷道支護(hù)技術(shù)的設(shè)計(jì)，要從礦山開采的整個過程中進(jìn)行分析，是一個較為復(fù)雜和漫長的研究過程[1]。支護(hù)可以分為圍巖和支架兩個構(gòu)造單元，圍巖作為施力體的同時也是受力體，不僅要向巷道支護(hù)安裝位置提供空間，也要對圍巖進(jìn)行約束。按照受壓理論，圍巖的壓力主要為被動受力，支架為主動受力。礦山巷道分為三個類別，一是受應(yīng)力控制，二是受圍巖巖性控制，三是受位移控制，在不同的受力情況下，為保證礦山的建筑施工安全，需要對其進(jìn)行深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)。本文以此為基礎(chǔ)，研究深基坑支護(hù)施工方法，根據(jù)多種地質(zhì)環(huán)境，設(shè)計(jì)礦山建筑支護(hù)施工的技術(shù)，為礦業(yè)的安全發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 設(shè)置深基坑樁體施工控制標(biāo)準(zhǔn)

在礦山建筑施工中進(jìn)行深基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)，主要結(jié)合工程項(xiàng)目本身，對其支護(hù)結(jié)構(gòu)和基坑開挖條件進(jìn)行設(shè)定，從而完成關(guān)鍵過程中的參數(shù)和流程設(shè)定。按照定位測量和溝槽開挖以及樁機(jī)對位等常規(guī)流程，對施工過程進(jìn)行標(biāo)定。為保證整體施工質(zhì)量，對深基坑支護(hù)施工的操作過程進(jìn)行分析，設(shè)置其質(zhì)量和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，見表1所示。

表1 深基坑支護(hù)施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表中內(nèi)容所示，針對上述質(zhì)量和檢測標(biāo)準(zhǔn)，在礦山建筑施工過程中，采用全站儀測量深基坑的成樁范圍，并采用石灰材料，按照每一個尺寸位置，對成樁的范圍進(jìn)行標(biāo)定。

挖掘機(jī)設(shè)備與樁基的位置平行，當(dāng)樁基下放到固定位置后，反復(fù)測量樁機(jī)放置誤差，小于45mm。保證溝槽中的樁墻結(jié)構(gòu)具備一定寬度，以樁位機(jī)架位置檢查垂直度，將其控制在0.2%范圍內(nèi)。在施工過程中，根據(jù)樁基的提升和下放深度，實(shí)時復(fù)測樁基標(biāo)高，確保施工一直處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)?；诖藰稒C(jī)的下沉和提升過程，見圖1所示。

圖1 深基坑支護(hù)樁基施工控制示意

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，在施工過程中需要以地層條件為基礎(chǔ)，嚴(yán)格確保鉆機(jī)的下沉和提升速度，在不同的位置進(jìn)行標(biāo)定。在下沉注漿階段，速度控制在0.7m/min左右，提升速度約為1.2m/min[2]。隨著不同的巷道深度，安裝防爆破所需的材料，通過設(shè)置多個爆破點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)點(diǎn)位標(biāo)記，并根據(jù)操作過程，實(shí)時跟蹤質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，對礦山建筑施工中所承受的壓力清理進(jìn)行分析，對影響支護(hù)變形的條件完成分類，并對基坑承受的條件進(jìn)行平衡處理。

2 平衡礦山建筑基坑施工的承壓條件

深基坑支護(hù)施工過程中，受到承壓水的影響，主要是在地表之下，當(dāng)兩個較為穩(wěn)定的隔水層之間，出現(xiàn)靜水壓力，則該區(qū)域內(nèi)形成重力水，對支護(hù)施工造成影響。當(dāng)基坑下存在承壓水時，開挖基坑減弱含水層的不透水層厚度，而一旦減弱到一定程度，則會出現(xiàn)沖裂頂板現(xiàn)象。

以深基坑底部最小的不透水層厚度為例，當(dāng)開挖過程中出現(xiàn)涌出條件時，必然造成厚度減弱問題，而基坑頂部的斷裂，一般為網(wǎng)狀的開裂。而地下水會從網(wǎng)狀裂縫中，不斷的涌出并帶有大小不一的顆粒。根據(jù)上述現(xiàn)象，設(shè)置不透水層和承壓的平衡條件，如下：

公式中：不透水層的厚度為QW，單位為m。礦山的土質(zhì)飽和度為EW，水的重度為ER，兩個參數(shù)單位為kN/m3[3]。承壓水頭高于含水頂板的高度差為TR，單位為m。因此，當(dāng)QW＞ER×TR/EW時，基坑不會發(fā)生突涌問題，當(dāng)QW＜ER×TR/EW時，基坑可能會發(fā)生突涌問題。

通過《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》對深基坑的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗傾覆等指標(biāo)，進(jìn)行分別驗(yàn)算。結(jié)合水土分算和合算兩組情況，對其位移量進(jìn)行穩(wěn)定性標(biāo)記。則：

公式中：土條I的重量為GI。穩(wěn)定力值為UY。最下道的支撐深度為SI。豎向應(yīng)力為FI。作用荷載的平均力度為DI。所在土層的粘聚力為AI[4]。施工的內(nèi)摩擦角為αI，強(qiáng)度指標(biāo)為tgβI。土條的總量為P。其中總應(yīng)力為天然重量，根據(jù)有效應(yīng)力中的滲流力，用來代替平衡后的承壓參數(shù)，并通過彈塑性力學(xué)理論，對圍巖和支護(hù)參數(shù)進(jìn)行求解。

3 劃分圍巖與支護(hù)應(yīng)力范圍

彈塑性力學(xué)可以對圍巖和支護(hù)的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而完成巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)，將強(qiáng)度準(zhǔn)則和位移曲線進(jìn)行交匯，從而設(shè)定出巷道周邊的最大環(huán)向應(yīng)力。將最大環(huán)向應(yīng)力，作為巷道喪失穩(wěn)定性的條件，其判斷式如下：

公式中：巷道周邊的最大環(huán)向應(yīng)力為Hx。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為JK。其中：

公式中：最大的原巖應(yīng)力為L，集中系數(shù)為Z。則L×Z≤JK[5]?？紤]支護(hù)頂板和圍巖中點(diǎn)的最大環(huán)向應(yīng)力，以此判斷礦山施工巷道中，是否需要構(gòu)建穩(wěn)定性支架。

而礦山建設(shè)施工過程中，其地下淺層物質(zhì)的密度呈現(xiàn)分布不均勻的特征，在支護(hù)位置測定和計(jì)算上，需要引入自身地層重力等因素，而巖石圈厚度內(nèi)物質(zhì)的分布特性，在各自的異常圖像結(jié)構(gòu)中，也存在完全不相似的特點(diǎn)。

從地球構(gòu)造角度分析，地球自重中存在布格重力異?，F(xiàn)象，表現(xiàn)為：越接近地表時其密度差界面，呈現(xiàn)過度起伏。導(dǎo)入布格重力異常計(jì)算公式，如下：

公式中：布格重力異常為?dc。煤層地表重力測量值為dv。高度改正值為db。煤層中間層數(shù)值為dn。地形起伏數(shù)值為dm。地面整體重離子理論為d＊[6]。在得到重力情況后，按照巖石的三性綜合分級，確定支護(hù)形式等級，見表2所示。

表2 巖石綜合性支護(hù)等級

根據(jù)表中內(nèi)容所示，“-”形式為不支護(hù)，“＊＊＊＊”為待定或者是不采用支護(hù)形式?！板^”表示錨桿，“網(wǎng)”表示鋼筋網(wǎng)，數(shù)字代表混凝土的厚度，單位為mm。

以上述綜合防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，帶入到煤礦開采區(qū)的地層內(nèi)，重力異常?d與存在的自由引力常數(shù)存在一定關(guān)聯(lián)性，在多階重力下存在異常表現(xiàn)，通過計(jì)算重力對擾動因素進(jìn)行確定，兩者關(guān)系為：

公式中：地表平均半徑為a，地心向徑為ε，礦區(qū)地面的擾動位為sa[7]。通過重力影響對礦山開采中的擾動因素進(jìn)行確定，并按照巖石等級進(jìn)行穩(wěn)定性分類，直接給出較為標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)設(shè)計(jì)。

而在礦山支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中，除了要考慮到承壓和圍巖的受力影響，還需要考慮圍巖與支護(hù)的互抵作用，同樣根據(jù)地層的重力異常因子和引力常數(shù)，對可以抵抗的擾動因素進(jìn)行分析，從而對支護(hù)的施工作用點(diǎn)進(jìn)行跟蹤標(biāo)記。至此，以在對礦山建筑施工整體過程分析中，完成深基坑支護(hù)的施工方法設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

上文完成了礦山深基坑支護(hù)施工方法設(shè)計(jì)，為驗(yàn)證本文方法的有效性，采用實(shí)驗(yàn)測試的方法進(jìn)行論證。以保證支護(hù)施工的穩(wěn)定性為測試標(biāo)準(zhǔn)，對礦山建筑施工中影響支護(hù)安全的因素進(jìn)行分析。此次選擇爆破頻率為模量，在某實(shí)際開采中的礦山為例，在正常施工過程中進(jìn)行爆破支護(hù)位移監(jiān)測。

在礦山建筑施工階段，按照深基坑支護(hù)的施工過程，劃分基本爆破位置，分別按照A1、A2、A3的標(biāo)定順序進(jìn)行依次爆破，每個爆破中共含有10個測點(diǎn)。各測點(diǎn)中實(shí)際振動速度，如表3。

表3 深基坑支護(hù)施工爆破震速值（cm/s）

根據(jù)表中內(nèi)容所示，在每次爆破點(diǎn)按照順序進(jìn)行操作時，在A1時的振動速度最小，并隨著爆破次數(shù)的增加，土層逐漸松動，而A3爆破時爆破振速較小。且在每一組爆破順序內(nèi)，從1號測點(diǎn)到10號測點(diǎn)中，爆破震速也會逐漸減弱。

按照礦采開采中對巷道的爆破操作，以本文方法進(jìn)行支護(hù)施工，以不同的爆破震速條件，獲取每個測點(diǎn)支護(hù)放置位置的位移量。當(dāng)位移量小于0.01mm時，即可保證支護(hù)在后續(xù)礦山開采中的穩(wěn)定性。將每個爆破順序的數(shù)值，引入傳統(tǒng)施工方法進(jìn)行對比，位移結(jié)果見圖2所示。

圖2 礦山爆破后支護(hù)位移量測試結(jié)果

根據(jù)圖中內(nèi)容所示，傳統(tǒng)方法雖然位移量也在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但接近于標(biāo)準(zhǔn)極值，一旦爆破過程中出現(xiàn)其他影響因素，則會超過標(biāo)準(zhǔn)范圍。而在本文方法的應(yīng)用下，各測點(diǎn)支護(hù)的位移量均保證在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，可控制在0.02mm之內(nèi)，說明本文方法可以在巷道內(nèi)爆破同時，對支護(hù)的施工起到穩(wěn)定性作用，減少其產(chǎn)生位移的波動范圍，具有實(shí)際應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

礦山建筑施工中的支護(hù)設(shè)計(jì)是一個較為復(fù)雜的過程，從原有的安全系數(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)到工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在支護(hù)施工中仍然存在少量的問題。本文通過可靠性理論進(jìn)行研究，參考彈塑性力學(xué)理論，直接對礦山本體的重力結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對巷道和支護(hù)的干擾系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，完成標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制下的支護(hù)施工方法設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法能夠?qū)?shí)際爆破值進(jìn)行精準(zhǔn)地控制，有效對支護(hù)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，保證較小的位移量。但由于本次時間有限，在研究過程中對某些參數(shù)的設(shè)定，僅能通過標(biāo)準(zhǔn)情況進(jìn)行分析，且實(shí)驗(yàn)過程以模擬形式進(jìn)行，存在不足之處。后續(xù)研究中會更多地到礦山中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對支護(hù)安裝技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，為礦山企業(yè)的發(fā)展提供有利依據(jù)。