長沙冰雪世界礦坑生態修復邊坡加固技術研究*

李建新，何海濤，何昌杰，田湖南，廖 飛

(1.中建五局第三建設有限公司，湖南 長沙 410004； 2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 3.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430000)

對廢棄礦坑進行生態修復，進行開發再利用是國家綠色發展的戰略目標。在廢棄礦坑生態修復工程中，首先要解決礦坑邊坡加固問題，才能保障后續工作正常進行，避免后期生態再破壞、影響開發再利用的目標。為了保證礦坑生態修復邊坡穩定性，保障邊坡施工過程中的安全以及后期運營的安全，需要從邊坡體加固、主動防護以及排水等方面綜合考慮，對礦坑的巖質、土質以及特殊巖土、不良地質段的邊坡加固技術進行研究，以選擇最合理的加固方案，確保邊坡穩定，保障安全。

1 工程概況

冰雪世界項目位于長沙市岳麓區坪塘鎮山塘村～獅峰山村地段，原采石場桐溪湖礦坑。礦坑頂部有土層覆蓋，邊坡巖石裸露。冰雪世界主體主要通過坑底柱支撐，部分荷載依托16.000m標高坑壁邊坡臺階支撐。坡頂冰雪世界地下室荷載通過樁基礎傳遞到坑壁邊坡下部穩定巖土層中(見圖1)。

邊坡安全等級為一級，臨時邊坡穩定安全系數為1.25，使用年限為2年；永久邊坡穩定安全系數為1.35，使用年限同建筑設計使用年限，為50年。邊坡形態三維如圖2所示。

圖2 邊坡形態三維示意

2 工程地質及水文地質概況

場地原始地貌單元為湘江河流沖積堆積階地。邊坡巖體表面見裂隙性溶蝕風化現象，沿斷層、裂隙及層面等結構面溶蝕風化現象較普遍，風化裂隙較發育，結構面膠結物蝕變明顯或溶蝕充泥現象普遍。

場地深度范圍內地下水主要為上層滯水及孔隙潛水、基巖裂隙水。

場地巖溶為淺埋型，規模較大，有充填物，發育深度在地表下30m以內，隨深度而減弱。溶洞、溶溝、溶槽等在標高-5.000～35.000m發育，連通性較好。

場地C區分布厚度約30m的人工填土，系采石場采石開挖堆填而成，密實度不均。場地西部為近期堆填，呈軟塑狀，力學性質差。

場地巖石節理裂隙發育，節理面均有充填物，為方解石和石英充填，節理面見褐紅色鐵錳質氧化物，礦坑坡頂局部由于水作用沿裂隙巖溶發育形成溶蝕溝和溶蝕槽。

3 主要巖土參數及荷載

3.1 巖土參數

冰雪世界項目主要巖土參數如表1所示。

表1 巖土參數

3.2 荷載

項目巖壁與建筑物關系復雜，不同區段和標高的荷載情況各異。

1)A，B區地下室樁基荷載 地下室底板標高41.000m或43.000m，單根樁荷載均值約7 000kN，最大達到10 206kN，樁荷載作用于微風化巖體。

2)坡面馬道的地下室柱荷載 基底應力為1 000kPa，作用標高范圍為16.000～43.000m。

3)C區上層村落樁基荷載 上層村落底板標高33.000m，單根樁荷載約8 000kN，樁荷載作用于微風化巖體。

4)16.000m標高平臺的柱荷載和環梁荷載 16.000m標高平臺柱及環梁采用獨立基礎，基底反力719～2 437.5kPa。

4 邊坡加固

根據勘察報告以及現場踏勘實際情況，未發現項目邊坡明顯外傾結構面。考慮項目場地坡面荷載大、巖溶發育，邊坡開挖前先施作上部結構樁基，邊坡加固在上部結構基礎實施后開展。

4.1 A，B，C區永久邊坡加固

4.1.1A，B區土質永久邊坡加固

A，B區土質永久邊坡采用預應力錨桿及全長粘結錨桿格構，格構中施作面板支護。設計截排水溝及排水孔進行排水。

邊坡采用分級放坡，每級邊坡頂部有2m寬度的馬道，馬道豎向距離10m，坡率為1∶1。

預應力錨桿分2種：①長16m，錨固段10m，自由段6m；②長12m，錨固段、自由段各6m。第1排錨桿自坡頂向下1.5m開始設置。錨桿鉆孔直徑130mm，向下傾斜15°，錨桿水平間距3m，豎向間距4.25m(見圖3)。

圖3 A，B區土質邊坡支護剖面示意

圓礫及卵石地層預應力錨桿桿體為1根φ32 PSB785級預應力螺紋鋼筋，采用M35水泥砂漿灌注。其他地層采用1根φ25 PSB785級預應力螺紋鋼筋，采用M35水泥砂漿灌注。

格構截面尺寸400mm×400mm，C35混凝土澆筑。采用200mm厚鋼筋混凝土面板。

錨固段位于含礫粉質黏土的預應力錨桿軸向拉力標準值為80kN(錨固段10m)和48kN(錨固段6m)。錨固段位于圓礫或卵石地層中的預應力錨桿軸向拉力標準值為200kN(錨固段10m)和120kN(錨固段6m)。預應力錨桿設計張拉鎖定值暫定為標準值的0.6倍。

坡體內部設置內徑100mm的PVC排水管，梅花狀布置，間距4.5m，圓礫、卵石地層孔長度9m，其他地層孔長度5m，向上傾斜6°。

支護結構每隔15～20m及邊坡的轉角處設置一條伸縮縫，縫寬30mm，從頂到底貫通，填縫料為熱瀝青麻絮。

4.1.2C區土質永久邊坡加固

C區邊坡上部采用放坡+錨桿支護，下部采用樁錨直立支護。邊坡下部標高32.000～42.000m采用支護樁+預應力錨索支護，支護樁樁頂標高以上42.000～52.000m采用放坡+錨桿進行支護。支護樁被動土壓力區段采用水泥土攪拌樁進行加固。

1)放坡+錨桿支護

在標高42.000～52.000m設置兩級邊坡，采用放坡+錨桿+格構，格構中間施作面板進行加固(見圖4)。標高42.000m及52.000m平臺設置截排水溝，同時在坡體內設置排水孔進行排水。

圖4 C區土質邊坡支護剖面

錨桿采用注漿錨管，間距為3m，長9m，材料采用Q235級φ48×3.5鋼管，錨管孔內壓注M35水泥漿，注漿壓力0.8～1MPa，要求擴散半徑R=1m，注漿量控制在每孔1m3。注漿漿液采用純水泥漿，由水泥、水、膨脹劑、速凝劑組成。采用42.5級普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比為0.4～0.5，膨脹劑應使漿液結石體體積膨脹3%～4%，漿液配合比及注漿時間、壓力等參數通過試驗確定。

施工前應做工藝試驗，確定注漿工藝并檢測加固效果。格構截面尺寸400mm×400mm，C35混凝土澆筑，采用200mm厚鋼筋混凝土面板。每級邊坡設置內徑100mm的排水管，梅花狀布置，間距4m，長度5m，向上傾斜6°。

支護結構每隔15～20m及邊坡的轉角處設置一條伸縮縫，縫寬30mm，從頂到底貫通，填縫料為熱瀝青麻絮。

2)樁錨支護

在標高42.000～32.000m設置樁錨支護結構，采用雙排支護樁+預應力錨索進行邊坡加固。支護樁之間設置排水孔及32.000m標高平臺設置排水溝進行排水。

支護樁的懸臂高度分為10m和12m，對應支護樁直徑分別為1.2m和1.5m，前后排樁的排距為3m，排間支護樁中心距為2m，支護樁須嵌入完整微風化灰巖，并確保樁底以下5m范圍內無空洞。

每排支護樁之間用冠梁連接，排間用連梁連接，冠梁、連梁尺寸為1 500mm×1 000mm和1 200mm×1 000mm。

前排支護樁上設置預應力錨索2～4排，錨索長度為15～50m，其中錨固段(錨入完整微風化巖體)長度為6m。第1排錨索由支護樁頂部向下2.0m開始設置，水平間距為2m，豎直間距為2.5m。鉆孔直徑為165mm，向下傾斜30°。

預應力錨索分別采用9股和12股φ15.2、1860級無粘結型環氧涂層預應力鋼絞線，漿液為水泥凈漿，注漿的水泥漿體強度≥35MPa。采用一次注漿工藝，水泥漿水灰比為0.30～0.42，注漿壓力為0.5～1MPa，漿液配合比及注漿時間、壓力等參數通過試驗確定。預應力錨索設計張拉鎖定值為標準值的0.6倍，具體通過現場試張拉確定。

預應力錨索以鋼筋混凝土腰梁為工作平臺，腰梁截面尺寸為500mm×500mm，采用C35混凝土澆筑。支護樁內部設置內徑100mm的PVC排水管，梅花狀布置，間距4m，排距3m，長度5m，向上傾斜6°。支護結構每隔15～20m及邊坡的轉角處設置一條伸縮縫，縫寬30mm，從頂到底貫通，填縫料為熱瀝青麻絮。

3)被動區加固

被動區采用水泥土攪拌樁的加固形式，施工前應做工藝試驗，確定水泥土攪拌樁的工藝并檢測加固效果。水泥土攪拌樁直徑600mm，搭接長度100mm。

水泥土攪拌樁采用濕法工藝施工，P·O32.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.55，并加入適量的外加劑以增強漿體的流動性能，水泥摻合量為17%。漿液配合比、壓力等參數通過試驗確定。

4)樁后回填

支護樁混凝土強度大于80%設計強度后，進行樁后回填。每層填土厚度≤30cm，用小型機械分層夯實。分層回填的填料選擇透水性強、摩擦力大的土，分層夯實，壓實度>90%?；靥钔瓿珊髮靥顓^域進行沉降監測，若沉降值超過填土高度的3%，必須采取注漿加固措施對填土區進行加固。

4.1.3A，B，C區巖質永久邊坡加固

巖坡采用預應力錨索、全長粘結錨桿+格構的加固形式，錨索長度≥20m，其中，錨固段須錨入完整微風化巖體，長度為6m。錨固段巖體應逐孔取芯或鉆孔攝像確認為微風化完整巖體(見圖5)。

圖5 巖質邊坡支護剖面

1)第1排錨索由平臺向下1.5m開始設置，水平間距為3m，豎向間距3m和5m。鉆孔直徑為165mm，向下傾斜15°。預應力錨索采用12股φ15.2、1860級無粘結型環氧涂層預應力鋼絞線，漿液為水泥凈漿，注漿的水泥漿體強度≥35MPa。采用一次注漿工藝，水泥漿水灰比為0.30～0.42，注漿壓力為0.5～1MPa，漿液配合比及注漿時間、壓力等參數通過試驗確定。

2)預應力錨索的軸向拉力標準值為1 000kN，預應力錨索設計張拉鎖定值暫定為標準值的0.8倍，具體通過現場試張拉確定。

3)巖質邊坡全長粘結錨桿間距為3m和5m，鉆孔直徑為130mm，向下傾斜15°設置。桿體材料為φ32 HRB400 鋼筋，長度為9m，注漿漿液為水泥凈漿，注漿的水泥漿體強度≥35MPa。

4)預應力錨索和全長粘結錨桿在A，B區12.000m平臺下方交錯均勻布置。

5)在A，B區12.000m標高平臺設置豎向全長粘結錨桿，錨桿間距為3m，排距為2.5m，鉆孔直徑為130mm。桿體材料為φ32 HRB400鋼筋，長度為9m，注漿漿液為水泥凈漿，水泥漿強度≥35MPa。

對12.000m標高平臺的全長粘結錨桿采用網噴混凝土進行防護，設置φ6@200雙向筋，錨桿間采用φ16 HRB400鋼筋連接，噴射混凝土為C20，厚100mm，分兩次施作。格構斷面尺寸為500mm×500mm，采用C35混凝土澆筑。巖質邊坡格構內噴射100mm厚混凝土支護。

4.2 特殊巖土及不良地質處理

4.2.1巖溶

對邊坡開挖已經揭露的溶洞、溶溝、溶槽等部位，清理填充物、清洗巖面后，采用C30混凝土或片石混凝土回填；對超挖形成的內凹，清洗巖面后，采用C30混凝土或片石混凝土回填。對直立溶蝕洞、凹面，應在內壁植φ25鋼筋，植筋間距≤2.5m，錨入巖體和回填體均≥1m。

對錨索鉆孔、支護樁、樁基等成孔發現的溶蝕空洞等，應沖洗填充物后，回填混凝土或分次注漿。注漿可以少量多次、反復注漿填充以控制注漿量。

4.2.2人工填土及卵礫石層

針對揭露的人工填土及砂卵石層采用雙管高壓旋噴注漿進行加固。設計成樁直徑為600mm，樁底標高為實際巖面，樁中心間距為500mm，呈等邊三角形布置。采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥漿液，注漿樁體的單軸抗壓強度達到3MPa。注漿位置在結構樁基時，可環繞布置(見圖6)。注漿壓力、漿液配合比等應通過現場測試確定。

圖6 旋噴樁布置

5 地下水控制

邊坡范圍以外的地表水，以攔截和旁引為原則；邊坡范圍以內的地表水，以防滲、盡快匯集和引出為原則。邊坡施工前對場地進行平整硬化，完成系統的排水設施，嚴禁坡頂積水。礦坑邊坡范圍外，沿開口線周界設置一條截水溝，攔截并旁引地表徑流。同時在各級馬道及平臺上設置排水溝。

礦坑邊坡表面及坡內的地下水通過排水溝和排水管導出后，引入坑底進行抽排。

截水溝采用倒梯形斷面，排水溝采用矩形斷面，在陡坎或落差較大的地段采取多級跌水坎。排水溝的過流斷面選取邊長為0.40m的矩形斷面。截排水溝的溝頂地表進行硬化，溝內設不小于1%的縱向找坡，每隔15～20m設置伸縮縫。

在排水溝低洼處用急流槽結合消力池的形式將各級排水溝連接起來，形成邊坡豎向排水系統，匯流入坑底統一抽排。

6 結語

通過對長沙冰雪世界工程礦坑生態修復邊坡加固技術進行研究，得出如下結論。

1)巖溶地區礦坑地質環境復雜多變，項目巖壁與建筑物關系復雜，不同區段和標高的荷載情況各異，邊坡加固需分區分段進行設計。

2)工程場地內土質邊坡加固分A，B，C 3個區進行設計。A，B區采用預應力錨桿+全長粘結錨桿格構+面板支護。C區邊坡上部采用放坡+錨桿支護，下部標高32.000～42.000m采用支護樁+預應力錨索支護，支護樁被動土壓力區段采用水泥土攪拌樁進行加固。

3)巖質邊坡采用預應力錨索、全長粘結錨桿+格構的加固形式，錨索長度≥20m，錨固段須錨入完整微風化巖體，長度為6m。

4)邊坡開挖揭露的溶洞、溶溝、溶槽等，清理填充物、清洗巖面后，采用C30或片石混凝土回填；人工填土及砂卵石層采用雙管高壓旋噴注漿加固。

5)邊坡范圍以內的地表水進行盡快匯集和引出；邊坡范圍以外的地表水進行攔截和旁引。