鋁土礦山隧道黃土層大斷面隧道設計技術探討

胥克俊，王智強，楊 猛，張宏強

（1.國家電投集團鋁電投資有限公司，寧夏 銀川 750011；2.國家電投集團山西鋁業有限公司，山西 原平 034100）

我國北方地區地形地貌復雜，礦山開采區內的隧道選擇往往受多種因素的影響和控制，如沖溝、滑坡、采空區和地下水等，展線條件較差。此外，該地區地層以第四系土層為主，圍巖不能很好地形成自身的承載體系，鋁土礦礦山隧道結構受力往往較大。

因此，在礦山進行隧道方案設計時需要綜合考慮上述幾個方面的影響，隧道路由穿越地形要相對較簡單，避免需要進行特別加固等工程措施處理的地段；隧道支護設計需要確保隧道后期長時運營的穩定可靠，也要考慮土層隧道施工安全，并采取必要的保護措施，并制定切實可行的方案，以達到節約建設成本、綜合效益較優的目標。

1 研究現狀

在黃土地區隧道研究方面，國外專家研究的較早，S.FReyes 和Deere 運 用 德 魯 克— 普 拉 格（Druker—Prager）準則對該圓形洞室進行了彈塑性分析[1]。

國內專家在黃土地區隧道研究方面亦做出了重大的貢獻，比如長安大學謝永利、趙占廠對黃土地區隧道模型試驗與鋁土礦礦山工程測試方面進行了研究，謝家杰在對黃土地區淺埋隧道的研究中，把被擾動的巖體發生滑動部分分成三個區域，并對這三個區域進行了力學平衡狀態的研究分析，經過一定的推導，得到了鋁土礦礦山隧道的圍巖壓力公式，我國《鐵路隧道設計規范》和《公路隧道設計規范》相繼都采納了謝家杰這個公式[2]。

圖1 技術路線圖

鋁土礦礦山黃土層隧道的設計問題至今還有很多爭議，礦山隧道的設計方法以及施工管理理念也在逐步的更新，出現的問題也相應增多。因此在鋁土礦礦山隧道黃土層大斷面隧道設計需要更進一步深入細致的研究。

2 鋁土礦礦山隧道支護關鍵技術

2.1 襯砌荷載計算

（1）采用概率極限狀態法設計隧道結構時，結構的作用設計值按下式計算[3]。

Fd=γfFk

式中：γf——作用分項系數。

Fk——作用標準值。

圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直和水平均布壓力的作用標準值按下列規定確定。

垂直壓力：

q=γh

h=0.41×1.79S

式中：q——圍巖垂直均布壓力，Kpa。

γ——圍巖重度，KN/m3。

H——圍巖壓力計算高度，m。

S——圍巖級別。

水平壓力：

水平均布壓力可按下表確定。

表1 不同圍巖級別的水平均布壓力值

（2）采用破損階段法或容許應力法設計鋁土礦礦山隧道結構時，圍巖壓力按松散壓力考慮，垂直均布壓力按下列規定確定，水平均布壓力同概率極限狀態法設計。

q=γh

h=0.45×2S-1w

式中：w——寬度影響系數，w=1+i（B-5）。

B——坑道寬度，m。

i——B 每增減1m 時的圍巖壓力增減率，當B＜5m 時，取i=0.2；B＞5m 時，可取i=0.1.

2.2 礦山隧道超前支護

為了穩定礦山隧道開挖的穩定性通常采用超前支護方案，支護方式如下：

（1）使用的支護錨桿，長度約為5m 左右，便于穩固前方圍巖；

（2）在復雜礦層地段，采用超前管棚，配合使用金屬架，可達到錨固前方圍巖的效果：①短管棚超前支護，采用長度小于10m 的金屬管；②長(大)管棚超前支護：采用長度為10m～45m 且較粗金屬管；③金屬板超前支護：采用長度小于10m 金屬板的稱為板棚預支護；

（3）注漿加固圍巖和堵截水：①超前小導管注漿，鋁土礦隧道開挖外輪廓線周圍將帶有小孔的導管打入，施加一定壓力將漿液注入其中，可起到加固作用。②超前深孔圍巖注漿：也可稱之為深孔注漿，不但可以對水源進行封堵，還可以起到加固地層的作用，能夠在鋁土礦山特殊地質區域使用。在漿液壓力作用下，黏圖層的裂縫及圍巖破碎地帶使用漿液進行填充，堵水和結固效果明顯。

3.3 鋁土礦礦山隧道預應力支護

預應力支護核心是采用高強度的預應力筋，在安裝的過程中，可立即向被加固的圍巖施加壓應力，能夠向圍巖提供第三向應力，改善圍巖受力狀態，引導開挖面范圍高應力向圍巖深部轉移。預應力支護技術應用在新奧法施工技術中，能夠有效限制圍巖在施工過程中發生有限變形。

錨固體、錨頭、桿體共同構成了預應力錨桿。錨固體的作用是將桿體的拉力傳遞給支護體的地層，錨固體固定在錨桿的根部；錨頭在錨桿出露的上端，將錨頭與鋁土礦深基坑維護結構進行連接，可高效完成對錨桿實施的預應力，同時結構物可接收到錨固力；錨頭和錨固體之間需要用桿體進行連接，在實施預應力支護時可發揮出彈性變形特征，便于錨桿施加預應力。

在鋁土礦土層結構形式存在差異的情況下，可分別選用不同形狀的預應力錨桿，即連續球體形、圓柱形、端部擴大頭型。而依照支護錨桿的傳力機制的差異，可分為普通壓力型錨桿、分散拉力型錨桿及普通壓力型錨桿。

3 典型工程應用實例

3.1 工程主要概況

山西某鋁土礦根據總圖運輸需要在礦區內建設礦石、材料和人員運輸道路，受制于地形地質條件，運礦通道需要建設一段隧道。

礦區位于呂梁山系邊緣，為低中山地形，地貌切割較劇烈，地形較陡，沖溝發育，基巖裸露甚少，多被第四系，新近系的黃土、紅土覆蓋，覆蓋面積占95.6%，植物不發育。區內氣溫偏低，干燥少雨，屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為8.3℃，一月平均氣溫為-4.5℃，七月平均氣溫為24.6℃。本區地震動峰值加速度值為0.05g，地震基本烈度值為Ⅵ，礦區穩定性較好。

3.2 鋁土礦礦山隧道設計方案確定

隧道凈空斷面的確定不僅要滿足隧道功能主體的要求，還要滿足隧道的人行、照明、運營檢修設施等所占空間及施工誤差，充分考慮隧道穿越地層工程地質及水文地質條件因素。礦山規模60 萬t/a，選用20t 卡車運礦，最終確定隧道主洞內輪廓選用半圓拱形，隧道凈寬度為8m，凈高度為7m。

表2 隧道襯砌支護參數

根據運礦道路的總體走向，隧道的入口和出口均位于溝底。按照少明挖、多暗挖和多明挖、少暗挖兩種思路布置兩個方案。少明挖、多暗挖可減小開挖的土方量，減少邊坡防護工程量，但暗挖隧道的長度較長。多明挖、少暗挖則相反。考慮到隧道入口位置地形陡峻，多明挖、少暗挖方案將產生高大邊坡，地質災害風險較大，并且對原有地表環境的破壞較為嚴重，最終選擇少明挖、多暗挖隧道路由方案。

3.3 隧道設計支護

隧道襯砌結構按照新奧法原理進行設計，襯砌設計支護采用復合式襯砌結構。

初期支護：以錨桿、噴射混凝土、金屬架組成綜合防護體系。并輔以?180mm,壁厚8mm，長度30m，環向間距300mm 大管棚超前支護[4]。

二次襯砌：混凝土結構；初期支護與二次襯砌組成隧道承載結構，二次襯砌施作的合理時間應根據圍巖地質情況和施工監測數據確定。

3.3.1 超前長管棚

管棚入土深度是結合地形、地質情況確定。管棚金屬管均采用Φ180mm×8mm 熱軋無縫金屬管，環向間距30cm，接頭用長15cm 的絲扣直接對口連接。

金屬管設置于襯砌拱部，平行路面中線布置。要求金屬管偏離設計位置的施工誤差不大于20cm，沿隧道縱向同一橫斷面內接頭數不大于50%，相鄰管接頭數至少須錯開1.0m。為增強金屬管的承載強度，注漿完成后管內應以M30水泥沙漿填充[5]。

考慮鉆進中的下垂，鉆孔方向應較金屬管設計方向上偏1°～3°。鉆孔位置，方向均應采用測量儀器測定，在鉆進過程中也必須用測斜儀測定金屬管偏斜度，發現偏斜有可能超限，應及時糾正，以免影響開挖和支護[6]。

3.3.2 加固注漿

采用全孔壓入式向大管棚內壓注水泥砂漿，用注漿泵按先下后上，先稀后濃的原則注漿。注漿量由壓力控制，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。

水泥漿液水灰比1：1。達到結束標注后，停止注漿。注漿完成后及時清除管內漿液，并用M30 水泥沙漿緊密充填，增強管棚的剛度和強度[7]。注漿作業中應認真作好記錄，隨時分析和改進作業，并注意觀察初期支護和工作面狀態，保證安全。

注漿宜采用單液注漿，不僅可簡化工藝，降低造價，而且固結強度高，因此注漿前均應進行單液注漿實驗，單液注漿以水泥為主，如單液注漿效果好，能達到固結圍巖的目的，全隧道均可用單液注漿方案，如可灌性差，再進行水泥-水玻璃雙液注漿實驗。雙液注漿參數應在本設計的基礎上通過現場實驗按實際情況調整。

4 結論

鋁土礦礦山隧道方案要綜合考慮自然狀況，工程地質、水文地質條件，地震基本烈度等級，氣象條件及施工條件等因素，現場踏勘規劃出幾個可行的方案后進行技術經濟比較確定。

在條件允許時，可以針對性地開展鉆探、物探等手段進一步了解隧道穿越地層情況，以增加隧道方案選擇的可靠性。

鋁土礦礦山隧道黃土層大斷面隧道需要按照新奧法原理采用復合式襯砌結構進行支護設計，一是根據圍巖條件分類采用超前錨桿、超前金屬管或超前大管棚進行超前支護，并進行圍巖注漿加固；二是根據實測施工監測數據確定二次襯砌合理安裝時間，確保隧道結構安全穩定。