百米礦坑半地下空間生態修復與利用技術研究*

李建新，何昌杰，曾 波，寧志強，符致華

(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.湘江集團湖南夢想置業開發有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著社會的發展與進步、城市的發展和擴張，原有礦產資源開發利用遺留下來的廢棄礦坑的環境保護和生態修復已被列入國家戰略發展目標。在巖溶地區遺留下來的礦坑受開采過程的擾動影響，巖壁巖體巖溶、裂隙發育，地質條件復雜，植被凋零，再次開發利用難度大。如何進行礦坑半地下空間的生態修復與利用是當前需要解決和研究的課題，以推動礦坑半地下空間生態修復與利用技術的發展。

1 工程概況

湘江歡樂城冰雪世界項目位于長沙、株洲、湘潭的幾何中心，湖南長沙坪塘鎮老工業區的采石礦坑上(見圖1)，占地1.6km2，總建筑面積為50萬m2。采石礦坑坑口呈類橢圓形，長440m，寬350m，深100m。坑壁陡峭，最大坡度>80°。

圖1 工程地理位置

場地內巖石層主要為土、礫-卵石、灰巖及溶蝕物，邊坡巖體主要為灰巖。根據鉆孔資料，地層可分為：人工填土、淤泥質粉質黏土、耕土、粉質黏土、含礫粉質黏土、圓礫、卵石、殘積粉質黏土、微風化灰巖。

2 微擾動綜合爆破技術

冰雪世界位處礦坑內，依附山體建造，充分利用礦坑特有地形，主體通過樁、柱、剪力墻及環形基礎承受豎向荷載。其中，邊坡樁基礎及平臺環形梁將主體部分荷載傳遞至礦坑巖壁巖體。要求在邊坡處理過程中，保證巖體的完整性，使其適用于承載。

在邊坡成型過程中，通過現場爆破試驗及實踐、振動監測，提出微擾動綜合爆破技術。

復雜破碎溶巖地質地區邊坡爆破微擾動控制指標如下。

1)允許質點振動速度為3.5cm/s。依據爆破安全規程，振動頻率≤10Hz條件下，永久石質邊坡允許質點振動速度取5～9cm/s。考慮本工程巖體破碎，爆破控制速度為允許振動速度的30%～70%可認定為微擾動爆破。

2)臨近設計邊坡時巖體損失范圍<2m。根據預留靜態爆破過渡段長度，爆破巖石損失范圍<2m為微擾動。

3 基于三維模型的巖壁加固技術

通過地質雷達掃描成像技術和超前鉆孔勘察技術，查明巖體裂隙發育充分，填充及半填充型溶洞分布密集，整體見溶率達90%(見圖2)。

圖2 地質雷達掃描成像

采集地質雷達掃描數據(見圖3)和激光三維地形掃描數據，共同導入BIM系統生成三維模型，用于錨索及格構梁設計，調整錨索及格構梁的布設位置，避開溶洞及裂隙發育的地段。同時，對溶洞及裂隙發育地區給出合理的加固方案。在實施過程中可依據模型給出設計坐標放樣，施工精度更高。

圖3 地質雷達掃描成像

4 復雜巖溶地質陡峭巖壁錨索成孔技術

礦坑巖壁錨索施工穿越多層溶洞和裂隙，成孔困難。鉆進過程中常出現塌孔、卡鉆、偏孔、突泥涌水現象。

經多次現場試驗，摸索出一套復雜巖溶地質陡峭巖壁錨索成孔技術。

1)采用綜合預注漿處理技術，根據不同地質采用單、雙液水泥漿進行水平、豎向綜合預注漿處理，提前對溶洞、溶槽進行注漿填充。

2)研發自扶正防縮孔錨索成孔裝置，鉆進過程中保證鉆頭受力平衡，防止偏孔與縮孔(見圖4)。

圖4 自扶正防縮孔錨索成孔裝置

3)采用逐級跟管成孔施工技術，成功解決了復雜巖溶地質陡峭巖壁錨索成孔施工難題，保障了成孔質量和速度。

4)鉆進過程中，研發了一種滑動式測斜儀，對錨索成孔線形及角度進行檢測，保證成孔線形及角度符合設計要求。

5 深坑建筑重載平臺依托巖壁環向多點滑動支撐技術

5.1 多點滑動支撐設計理念

冰雪世界主體結構通過數值模擬分析，低溫作用下，樓面收縮60mm，并產生400kN/m水平拉力。大變形造成建筑物與周圍巖體連接處破壞，對巖體和建筑物產生不利影響。

為充分利用巖壁作為結構受力體，采用多點滑動支撐的設計理念，通過支座傳遞方式解決建筑物豎向荷載、因溫度產生的水平徐變和約束應力(見圖5)。

圖5 多點滑動支撐受力分析

5.2 柔性支撐設計方法

樓面梁通過巖壁環梁基礎與巖體連接，為減少平臺對巖體的連接破壞，根據變形及受力情況繞平臺周邊設計不同轉向的滑動支座；考慮不同的豎向荷載及水平荷載，設置多組30 000～60 000kN大型滑動支座，使基礎與巖體之間可滑動(見圖6)。該柔性支撐設計解決環形重載平臺對高邊坡巖壁水平拉力的影響，又能為平臺提供有效支承。通過支座將建筑物徐變應力進行釋放和傳遞。

圖6 多點滑動支撐布置剖面

6 混凝土結構與巖壁快速復綠技術

6.1 快速復綠難點

1)巖質邊坡缺乏植被生長的土壤和養分條件，難以快速恢復生態水平。

2)邊坡高聳陡峭，巖面起伏不定，材料設備運輸均需人工進行多次轉運，降效嚴重。

3)在混凝土結構上進行景觀營造，依靠單純生物護坡，難以長久保持，后期維護工作量大。

6.2 常用巖質邊坡生態防護技術

目前常用的巖質邊坡生態防護技術主要有三維植被網、客土噴播技術、植被混凝土，但均操作繁瑣，維護成本高，傾斜面角度過大，用于百米深坑巖壁植被復綠有局限性。

6.3 整塊苔蘚快速復綠

苔蘚植物生長速度快，抗寒能力強，可快速在適宜的環境中分裂生殖。它能吸收蓄積在空氣中的粉塵顆粒等物質形成土壤，同時還可以改變環境濕度、pH值等指標，形成適宜其他高等植物生存的土壤。經過優選，采用適應暴曬、耐旱、活性率在99.5%以上的整塊苔蘚，可以快速營造景觀效果。

6.4 應用可降解定植生物膠

可降解定植生物膠可以牢固附著在混凝土以及巖石表面，為苔蘚生長提供養分，可自然降解，解決了植被在混凝土結構基底上難以成活的問題，可以加快植物群落的演替，快速營造景觀效果。

7 結語

1)復雜破碎巖溶地質地區邊坡爆破微擾動控制指標：允許質點振動速度為3.5cm/s，臨近設計邊坡時巖體損失范圍<2m。

2)將地質雷達掃描數據和激光地形掃描數據導入BIM系統生成三維模型，優化調整錨索及格構梁設計，提高施工準確性。

3)復雜巖溶地質陡峭巖壁錨索成孔技術通過綜合預注漿處理、自扶正防縮孔裝置、逐級跟管成孔、孔斜檢測等措施保障成孔質量。

4)深坑建筑重載平臺依托巖壁環向多點滑動支撐解決環形重載平臺對高邊坡巖壁水平拉力的影響，又能為平臺提供有效支承。通過支座將建筑物徐變應力進行釋放和傳遞。

5)混凝土結構與巖壁快速復綠技術采用生長速度快、抗寒能力強的苔蘚植物和可降解定植生物膠，可以加快植物群落的演替，快速營造景觀效果。