新建北山連接線公路涉中鋁奧家灣礦體安全評價分析

孫 鵬

(山西省交通規劃勘察設計有限公司，山西 太原 030032)

1 項目概況

新建北山連接線公路以挖方路基形式通過奧家灣Ⅱ號礦體的主平窿上方。道路與主平窿交叉的中心樁號為K1+985，交叉角度為47°10′50″，礦洞頂高程為1 061.47 m，礦洞地面高程為1 058.11 m，道路設計高程為1 093.229 m，交叉段路基平均挖方高度為4.5 m。

興縣北山連接線公路，位于呂梁市興縣境內。項目起點位于興縣縣城以東，終點止于興縣蔡家崖鄉西側，接省道S218蔡家崖段，路線總長16.76 km。興縣新建北山連接線公路采用的主要設計標準為：公路等級：II級公路；設計速度：60 km/h；路基寬度：新建雙向兩車道，路基寬12 m；設計荷載：公路-Ⅰ級；設計洪水頻率：大中橋1/50，小橋涵1/25；地震動峰值加速度系數：0.05 g。

中鋁興縣氧化鋁奧家灣礦區位于山西省興縣縣城正東方向直距5 km處的奧家灣村一帶，北起桃樹峁，南至孫家溝，南北長約7.3 km，東西寬約2.2 km，行面積16.15 km2。開拓方案為主平窿+無軌斜坡道+井下卡車運輸方案。本項目跨越的為礦體的主平窿。交叉段路面對應主平窿段落為K0+154～K0+175.2。該主平窿段落主要支護形式為鋼拱架支護。

2 經驗法對既有礦洞進行安全評估

2.1 近接施工的分類和影響范圍的劃分

近接施工的工況很多，不同類型的通過方式會對既有礦體造成不同的影響；不同的近接程度影響礦體的程度也不同。在近接施工中，究竟采用什么樣的措施，與既有構筑物和新設構筑物的位置關系、影響程度、既有構筑物的種類和重要度等有密切關系。

本項目是以在礦體上方明挖的形式通過礦體主平窿。由于礦洞上部開挖，對垂直荷載來說上部土壓力減小，由于側壓作用，拱頂會產生向上變形趨勢。當埋深小時會損傷拱作用，使襯砌的垂直荷載增加，開挖時對礦洞來說如是非對稱的情況，襯砌可能會受到偏壓作用。

根據近接工程的分類，目前通常的做法主要是依據既有礦洞與新建構筑物之間的間隔來進行其近接度劃分的。這里所謂“間隔”，是指既有礦洞襯砌外緣到近接工程的最小距離。近接度判斷采用的是D(礦洞外徑)值，即既有礦洞襯砌外圍的垂直高度、水平寬度中的最大值。

本項目礦洞最大外徑為5.4 m，洞頂填高為31.76 m。與礦洞的距離為6.352D，大于5D，接近度劃分屬于無影響范圍。

表1 近接度的劃分

2.2 既有礦洞襯砌健全度劃分

既有礦洞襯砌健全度(見表2)不同，對于影響范圍的劃分也不同。既有結構健全度越高，允許接近的距離就越小，反之則越大。

表2 礦洞襯砌健全度劃分

既有礦洞襯砌健全度是襯砌結構裂損、襯砌結構滲漏水、襯砌凍害以及襯砌材料劣化等的綜合評定。本項目所涉及礦體襯砌結構完整無裂損、襯砌結構無滲漏水、無凍害并且襯砌材料無劣化情況，故綜合評定健全度等級為S(輕微)。對結構功能和行車安全的影響為無影響。

3 影響性評估數值模擬分析

根據本案例中的公路與礦洞交叉的實際情況，對該段工程進行適當簡化。取礦洞實際埋深，洞身段圍巖簡化為均質各向同性，根據圣維南原理將模型邊界取6倍路基開挖寬度120 m。為了簡化模擬復雜程度，將路基設置為與隧道平行，且位于隧道正上方處，高度為原有埋深高度。圖1為數值模型圖，模型共有48 240個實體單元。

圖1 數值模擬模型示意圖

礦洞開挖過程的模擬，考量到施工實際及計算簡化優化的因素，采用全斷面開挖法，一次開挖1 m，每次開挖后，進行噴射混凝土支護，其中噴射混凝土采用shell結構單元，圍巖假定其本構關系符合默爾庫倫準則，圍巖初始應力考慮自重應力。待礦洞開挖完成，沉降穩定后，開始進行路塹開挖，而后將車輛荷載等效為3 m土后加載與路塹之上。

表3 材料參數選取表

3.1 位移分析

礦洞開挖完成后，待沉降穩定，清除所有位移。圖2為路塹開挖后的豎向位移云圖，圖3為加等效荷載后的豎向位移云圖。

圖2 路塹開挖后的豎向位移云圖

圖3 施加等效荷載后的豎向位移云圖

從豎向位移云圖可以看出，路塹開挖后，礦洞有局部進行了卸載，導致礦洞上部覆土減少，礦洞圍巖位移量較少(拱頂0.3 mm)，且方向向上，等效荷載施加后，開挖的路塹隆起位移有所下降，但礦洞附近圍巖并沒有發生顯著位移。

3.2 應力分析

從豎向應力圖中可以看出礦洞開挖后，礦洞直墻兩側圍巖應力增加，礦洞頂部與仰拱處由于協調變形后應力釋放，所以此處應力較小。路塹開挖施工后，礦洞圍巖應力分布與原先保持一致，從應力圖上看出，只是數值上有所減小，這是由于洞頂開挖路塹相當于卸載而導致的。施加等效荷載后，礦洞周圍的應力分布沒有變化，只是在數值上略有增加，但仍小于礦洞開挖時的應力值。

圖4 隧道開挖穩定后的豎向應力云圖

綜合分析，開挖路塹不會對礦洞造成結構上的危險。

圖5 路基開挖后的豎向應力云圖

圖6 施加等效荷載后的豎向應力云圖

圖7 施加等效荷載后的豎向應力云圖

4 評估結論及建議

4.1 評估結論

通過經驗法和數值模擬分析，興縣新建北山連接線公路的施工和運營不會對既有奧家灣Ⅱ號礦體的主平窿襯砌造成超過要求的變形，奧家灣Ⅱ號礦體的主平窿襯砌結構能滿足安全需要。

4.2 評估建議

(1)采用合理的工法施工，把將施工時圍巖擾動對既有礦洞襯砌的擾動減到最低。

(2)施工中棄土不得在礦洞上方兩側堆載或堆放雜物。

(3)興縣新建北山連接線公路與奧家灣Ⅱ號礦體的主平窿距離最近時，要提前布好監測點，及時整理分析監測數據，隨時應付突發事件的發生。

(4)需對奧家灣Ⅱ號礦體的主平窿受影響段襯砌健康狀態進行劣化等級評定，施工中需對影響段進行必要的監測，進行動態設計，及時利用監控量測結果指導設計和施工。

(5)在施工中派專職安全員24 h巡查防護，隨時做好應急措施。

(6)建議核查該交叉影響范圍內，路側安全防護設施及排水防護設置情況。