露天礦山道路設計及施工

邱錦標

（江西銅業集團公司德興銅礦， 江西德興市 334224）

露天礦山道路設計及施工

邱錦標

（江西銅業集團公司德興銅礦， 江西德興市 334224）

總結了露天礦山運輸道路設計施工的路基、路面結構，曲線段、縱斷面設計及道路定線與養護等技術要點。根據德興銅礦生產實踐，合理優化設計其主干運輸道路，提出其具體施工方案。該設計道路線路銜接平穩，變坡均勻自然、路面平整耐磨、合乎規范，保障了車輛工作效率。

露天礦山；運輸道路；道路設計；道路養護

德興銅礦為特大型露天礦山，年采剝總量達到1.24億t。采區運輸道路的修筑和養護影響運輸車輛的各項經濟指標和使用壽命。為了使運輸道路的設計符合規范、指導道路養護、保障車輛工作效率、降低運行成本，根據德興銅礦采區運輸道路現狀和道路質量對汽車運輸的影響及存在的問題進行分析，提出露天礦山道路設計與施工方案。

1 道路分類與技術等級

露天礦山的道路與一般道路比較，具有斷面形狀復雜、線路坡度大、轉彎多、運量大、曲率半徑小、車輛載重大等特點。因此，要求道路結構復雜，在一定服務期間內應保持相當的堅固性和耐磨性。露天礦山道路按用途可分為生產型和運營型兩類，前者主要運送礦石、巖土，后者屬于一般輔助公路（聯絡公路）。

生產型道路按其服務期限可分為固定道路、半固定道路和臨時道路。固定道路是指采區出入溝及地表永久性公路，服務期限均為3a以上；半固定道路是指通往采礦工作面和廢石場排放點的道路，服務期限為1～3a；臨時公路是指采掘工作面到主運輸線的連接道路，這種道路由于線路不斷移動，一般不修筑路面，只需適當整平、壓實即可。

露天礦山道路按行車密度、行車速度和年運量可分為3個等級，見表1。

2 道路路基與路面結構

2.1 道路路基

露天礦山道路質量在很大程度上取決于路基的穩定性。影響路基穩定性的因素除地質條件、施工方法外，地面積水和地表水攔截和引導也十分重要。路基的施工根據地形而異，按其斷面形式可分為填方路基、挖方路基和半填半挖方路基3種。路基橫斷面主要參數有路基寬、路面、路肩橫坡、路基邊坡和排水縱坡等。

表1 露天礦山道路等級

路基寬度由路面寬度和路肩寬度組成。路面寬度（行車路面寬度）與自卸汽車外形尺寸和行車速度有關，車輛高速行駛時不能保證汽車行駛在路面中線，而是沿著路面中心線的一邊擺幅前進，會車時兩車間就要有一定安全間距。

路面的橫斷面形狀一般有鐮刀形、槽形和半槽形，通常形成路拱，即路面中心線部分最高，逐漸向兩側低斜，路面橫坡便于流出路面雨水，坡度以保證運輸車輛的穩定性為原則。根據路面類型不同而設置相應路面橫坡值，如水泥路面為1%～1.5%，碎石路面為1.5%～4%等。降雨量大的地區采用上限值，路肩橫坡一般比路面橫坡大1%～2%，在少雨地區可減至0.5%，甚至與路面橫坡相平。

路基邊坡應根據當地地質、水文條件、筑路材料和施工方法來確定。路基邊坡一般為1∶1.5或1∶1.25；路塹邊坡一般為1∶0.5或1∶1.5。

路基排水縱坡可根據地形、地質及線路設計、排水涵管布置等條件綜合考慮。排水設施一般采用路邊溝、截排水溝、排水盲溝，埋設涵管等。上述各種溝道的縱坡傾斜不應小于0.2%。

2.2 路面結構

根據運輸載荷車輛的工作狀況不同，路面可分為柔性路面和剛性路面兩類。柔性路面包括瀝青碎石路面、碎石與土結合的粒料路面、塊料鋪砌路面和各種加工土路面。柔性路面容易產生剩余變形，車輛運行次數越多，變形問題越大，未破壞前發生剩余變形小，且路面強度不夠，容易變形、破壞。剛性路面一般是水泥路面和瀝青澆筑路面，修筑工期長、成本高。

露天礦山道路路面可分為4級：高級路面，如水泥混凝土路面、整齊的塊石和條石路面；次高級路面，如黑色碎石路面、瀝青灌入碎石路面和瀝青表面處理路面；中級路面，如砌石路面；低級路面，如粒料加固土路面。

路面結構分為單層和多層2種形式。單層路面是在路基上鋪墊單一面層，而多層結構則鋪有面基層、墊層和面層3層。各層材料的變形量值，自上而下逐層減少，而其厚度則應自上而下逐層加厚。

路面類型及結構對于自卸汽車運營具有重要影響，見表2。秉著經濟的原則，路面類型應根據投資償還期限及運營費用的經濟性選擇，同時考慮運輸線路服務年限、汽車車輛類型、就地取材等條件，經過分析進行確定。

表2 汽車經濟運營與路面類型關系系數

3 道路的平面要素

道路由直線和曲線段組成。線路平面要素包括：道路曲線半徑、切線長度、曲線長度、外矢距、曲線段超高、曲線段路面加寬、線路連接、視距、回頭曲線等。

（1）道路曲線半徑。線路的曲線半徑是根據汽車結構特征而定的，道路最小曲線半徑應大于汽車的最小轉彎半徑，根據汽車軸距、路面橫坡和汽車正常運行速度來確定。按照曲線段汽車運行產生的傾覆離心力和曲線段超高引起的下滑力平衡的原理導出。

（2）曲線段超高。汽車行駛在曲線段上受離心力的作用，使汽車向曲線外側滑或傾斜，為此通常將外側路面加高，這稱為曲線外側超高。平直線段路面的橫斷面常常是雙向傾斜，當其與曲線段相接時，橫斷面由雙傾斜逐漸過渡到單向傾斜，這一過渡路段稱為緩和曲線段，其外側逐漸超高。向轉彎內側傾斜的單向坡面與路面的水平產生的夾角稱為超高橫坡。超高橫坡一般為2%～6%，最大不超過10%。具體值根據道路車速、平曲線半徑、路面類型和氣候條件等因素來確定。不同車速與平曲線半徑的超高橫坡值不同，見表3。

表3 不同車速與平曲線半徑的超高橫坡值

（3）路面曲線段加寬。汽車在曲線段上行駛時，各車輪所處的位置不同，輪胎運行的曲線半徑也不同，后軸內側車輪的轉彎半徑最小，前軸外側車輪的轉彎半徑最大。因此，行車路面的寬度需加大（一般在內側加寬），增寬部分稱為曲線段加寬。加寬應從直線段末或緩和曲線段開始，逐漸加寬至圓曲線部分。若公路兩側路肩各為2m，且路面加寬不到1 m時，路基可不加寬；若路面加寬大于1m時，路基加寬應按內側路肩寬度不小于1m計算。

（4）線路連接。包括直線段與曲線段相連接和相鄰兩平曲線相連接2種。直線路段與曲線路段的連接，為使運輸汽車平衡通過曲線路段，在直線路段與曲線之間應設置緩和曲線路段。相鄰兩平曲線路段連接，相鄰兩同向平面曲線路段不設超高橫坡或所設超高橫坡相同時，可以直接連通；當路段超高橫坡不同時，中間需要按兩相鄰超高橫坡之差設置超高緩和線段。相鄰兩反向平曲線路段不設超高時，中間設不小于自卸汽車長的直線段，條件困難情況下可不設置直線段，但必須減速運行；兩相鄰反向平曲線段均設超高時，中間應有不小于兩超高緩和段長度的直線段。

（5）視距。即司機在行車時能看到前方路面、車輛或道路上障礙物的最短距離，視距可分為停車視距和會車視距。其在各級公路上的最小視距見表4。彎道內側的建筑物、樹木、路基邊坡或其他障礙物盡可能清除，保證車輛行車安全。

表4 露天礦山汽車在各級公路上的最小視距

（6）回頭曲線。有時受地形和采場長度限制，需迂回修筑公路，用銳角轉折，即彎道布置在夾角之外，這種彎道稱為回頭曲線?；仡^曲線又有對稱與非對稱回頭曲線之分。

4 線路縱斷面要素

線路的縱斷面是計算線路的填挖方量及線路在垂直向上的合理銜接，線路縱斷面由水平線、傾斜線、凹豎曲線、凸豎曲線及不同坡度的連接線組成。兩相鄰不同坡度線的相交點稱為變坡點，變坡點應分別設置凸形或凹形豎曲線以緩和坡度。

（1）最大允許縱坡。如縱坡過大，汽車上坡時長久使用低速檔，水箱里的水溫升高甚至沸騰，油管易于“氣阻”而產生發動機熄火，卡車機械損耗加劇；下坡時，重車制動困難，制動器急劇升溫，剎車次數多使輪鼓發熱制動失效而產生安全事故?？v坡過小時則會使線路增長、土方工程量增加、基建費用增多，各級公路的最大允許縱坡為：Ⅰ級6%，Ⅱ級8%，Ⅲ級10%。

（2）限制坡長。為防止汽車在長陡坡段上運行時發動機和制動器過熱而發生故障，根據生產現場對道路設計坡段長度做出限制。當縱坡坡度i為5%﹤i≤6%時，限制坡長L不大于800m。

（3）縱坡折減。當平曲線半徑≤50m時，該平曲線的最大縱坡應根據表5予以折減速。高原地區各級公路的縱坡折減值視海拔高度而異，海拔在5000m以上減3%；海拔為4000～5000m時減2%；海拔為3000～4000m時減1%，最大縱坡折減后，其值小于4%時，仍取用4%。

表5 平曲線縱坡折減

（4）豎曲線。車輛在兩相鄰曲線段由下坡轉為上坡時，需在變坡點設置凹形豎曲線；由上坡轉向下坡時，需在變坡點設置凸形豎曲線。其豎曲線半徑按表6選用。

表6 豎曲線最小半徑

5 道路定線與施工

在道路設計中，首先要根據作業現場進行定線，按設計的線路參數施工，施工技術應保證曲線段外側超高，內側加寬，合理確定線路連接與視距等。

露天礦山采區內擬定線路要考慮開采境界、邊坡穩定。露天礦采場出入溝口的位置與標高是一個重要控制點，其標高應與礦巖卸載點標高和地形相適應。優化線路系統可有多個方案，經比較后選擇最佳方案，然后具體確定線路，主要控制道路縱坡。在深凹露天礦中，確定線位自上而下進行，根據開采設計提供的臺階高度、運輸平臺寬度、臺階開采終了坡面角和道路縱坡等數據逐段進行計算與設計。線路密集區段必須綜合考慮道路群的平、縱關系及排水、護坡。

道路定線方法一般采用“零點法”，即按照擬定的線路和走向，采用一定的縱坡，沿地形等高線或采區內臺階等高線找出道路中心線的填挖高度等于零的點，再將各零點連成一線，調整此線的平縱斷面，確定出線位。由于露天礦山道路路基大部分處于挖方地段，“零點法”往往就在路基邊緣線，而不是道路中心線，要把邊坡的穩定情況考慮進去，因此該法只能作為確定線位的參考。

6 道路通過能力與運輸能力

道路通過能力取決于單位時間內通過線路特定地點的最大汽車數量，其與行車線數量、路面質量與狀態、汽車運行速度以及安全行車間距有關。汽車行車速度直接影響道路通過能力。自卸汽車運輸能力取決于汽車的載重量、運輸周期和每班的作業計時等。利用安裝在汽車上的自動計量監測系統可以掌握汽車的裝載量，提高汽車的運輸效率。

7 道路養護與防塵

道路養護在于保持路基、路面和構筑物的完好狀態，以保證卡車運行安全，避免汽車輪胎和道路的過度磨損。做好路基排水、清掃排水溝、平整路肩、清除路面撒落物等使之平整；在礫石道路上撒細粒碎石或粗粒砂防滑；在冬季要防止路面結冰，防止冰凍的化學方法是使用氯化納及氯化鈣水溶液，冰凍溫度可分別下降為－221.2℃和－55℃。

公路維修包括小修、中修和大修。小修包括緊急修補路基、路面及線路環境；中修包括恢復磨損路面、排水溝、加固路肩、整理線路壞境等；大修包括恢復路基及道路所有磨損的部分及構筑物。

露天礦山粉塵污染在空氣中的含塵量可達600～900mg／m3，大大超過環保標準，降低了汽車運行的安全性及運行速度，特別是加速了發動機的磨損。粉塵防治的方法是向道路灑水，鋪設灰塵少的路面，對碎石、礫石及土質路面則用吸水鹽類和有機膠結材料進行處理。

8 德興銅礦露天運輸道路設計應用

8.1 道路最佳坡度

經研究在不同的滾動阻力值條件下，一輛滿載汽車在爬上一定高度時運輸道路坡度的變化對運輸時間的影響，及對卡車運輸費用的影響，得出道路的最佳坡度大約為7.5°，這個數值一般與滾動阻力或爬坡高度無關。根據運行時間值比相應的最小值大5%，則得出坡度范圍為6.5°～9.5°；如果大于10%時，則坡度范圍擴大為4.9°～10.2°。

出于安全考慮，運輸道路坡度不應超過5.7°，采用這種坡度時，運輸時間絕對不能高于正常值的7%。

8.2 運輸道路合理優化

運輸道路受礦山設計的影響，礦山設計決定道路參數，如坡度、運輸布置、曲線與折返線。運輸道路路面平整度與滾動阻力是2個關鍵問題。運輸汽車行駛在坑洼和顛簸路段時輪胎、懸掛裝置、固體結構和動力裝置受到沖擊。該沖擊力與車輛總重量呈線性關系，并隨汽車速度呈冪次增加的趨勢。這些沖擊力導致輪胎費用上升，縮短了汽車使用壽命。

滾動阻力也影響汽車的輪胎磨損和開裂，降低車輛的生產力、增加成本。滾動阻力一般用“等值坡度”來表示，滾動阻力增大時汽車減慢，同時效率降低、燃油消耗上升。道路的修補和保養可降低輪胎滾動阻力。

8.3 汽車運輸道路護堤參數

隨著德興銅礦自卸汽車的載重量不斷增大與車輛總數的增多，自卸汽車運行密度大大提高，同時，在大氣降水和重力作用下，護堤高度逐漸沉降，其斷面由三角形變成半橢圓形，從而實踐得出道路護堤參數為：運輸公路護堤坡面角37°、運行速度小于50 km／h的空車和小于20km／h的重車，考慮到汽車側向穩定性而不計護堤消極高度，汽車運行軌跡和護堤基底線形成的角度為36°。護堤基底寬度9.7～10m，護堤高度3.4m。

8.4 道路的養護工作

露天開采中運輸成本占很大比重，主要是汽車的燃料費、輪胎費和維修費，降低這些費用的辦法即做好道路養護。平整光潔的道路，汽車循環時間縮短30%左右，載重量也增加2%，一個運輸循環的燃油耗量下降20%，噸運量的燃油消耗量下降35%。大型振動壓路機與機動平路機配合修成的路面良好，修整出的排水坡度及路面形狀規范，利用大型振動壓路機壓實的排土也比推土壓實取得更好的效果?？傊ㄟ^使用大型壓路機、平路機、推土機等設備進行道路、排土場、工作面的養護和壓實工作，可使汽車運輸費用降低21%，道路維護費降低37%，礦山成本降低23%。

路面積水對路面損壞極大，雨季是道路養護最難的季節，排除路面水更重要的是要將道路下層結構中的水排掉。南非CON－AID公司生產的非粘結性防水劑可將容易打滑的礫石路面改變為適合各種天氣的堅固路面，使道路養護平整工作減少，減少道路揚塵，節省汽車運輸和料石消耗的費用，降低輪胎的磨損與消耗。使用標準的灑水車將CONAID防水劑以水溶液的形式噴灑在翻松的路面上，該溶液與路基材料混合，平均浸入厚度150mm。溶液與土壤發生化學反應，使土壤處于疏水狀態，不再吸水，路面全年都不會楊塵，且路基不怕水泡。

9 結 論

根據以上露天礦山采區道路設計與養護技術要求，得出德興銅礦主干運輸公路設計具體方案為：電動輪使用柔性路面，路寬30m、縱坡8%、橫坡2%～4%、綜合坡度小于12%；凹型豎曲線半徑為200～250m，凸形豎曲半徑為500～750m；彎道超高2%～6%，曲線加寬4m，最小曲線半徑為40m；擋墻高3.2～3.7m，底寬大于6.5m，挖空區、彎道擋墻防撞放置廢舊電動輪輪胎；水溝為“V”型，自然成形，寬1～2m；分車騎墻為梯形，高1.3m、底寬2.5 m；松方墊層厚2.2～2.5m、實方墊層厚1～1.2m。

經生產實踐，德興銅礦露天開采主干道路線路銜接平緩、順暢，路面中心起拱，變坡均勻自然；路基料石中線混配、大塊剔出、一次成型；路面細料多壓多翻、磨耗層厚且膠結；內側視距遠直、清凈，外側超高按設計值；路側水溝順勢，跨路水管宜深埋；能做到旱季防塵、雨雪防滑、春季防霧，仲夏防塌；且路標清晰、明確，安全道“順”。該運輸道路的設計符合規范，保障了車輛工作效率，降低了運行成本。隨著露天礦山規模增大，車輛噸位加大，對運輸道路的要求更高，道路的參數也在變化，在今后的工作中仍需不斷研究和探索。

［1］陸鼎中，程家駒.路基、路面工程［M］.上海：同濟大學出版社，1999.

［2］董國賢.水山公路隧道［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［3］李寶祥，等.金屬礦床露天開采［M］.北京：冶金工業出版社，1986.

［4］曾國熙，等.地基處理手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，1988.

［5］中國礦業學院.露天采礦手冊（第六冊）［M］.北京：煤炭工業出版社，1987.

2012－02－08）

邱錦標（1968－），男，江西信豐人，采礦工程師，從事礦山工程設計與施工。