礦山提升機房深基坑開挖方案研究

劉文博

（白銀礦冶職業技術學院，甘肅 白銀 730900）

礦山在采礦期間會對礦山周邊環境進行小面積的改動，為了防止提升機房深基坑開挖時候避免礦井下沉和發生山體滑坡，深基坑開挖必須提前制定適合的方案。

選擇深基坑開挖工程最優方案的標準是開基坑開挖的過程中基坑的穩定性以及開挖過程中礦山周邊的土體是否有變形的情況發生。隨著各大礦山開礦越來越多，深基坑開挖超過15m的工程勢必也越來越多，近幾年不僅基坑開挖的經驗越來越豐富還研究出了監測土地變形的機器[1]。給礦山提升機房的建設提供了一定的安全保障。但是隨著基坑的深度不斷加深，基坑深處的支護結構壓力增大，基坑內部的土質結構也會遭受影響。施工期間受礦山周圍氣候的影響，基坑土壤的含水率在短期內有明顯波動，以上列舉的原因都會導致基坑底部土壤不穩定，支護結構不規則變形。

基坑開挖各方面的專家經過多年經驗總結指出了現代基坑的主要缺陷，集中在設計圖紙時對周邊環境預測不準、施工時材料使用多為便宜不耐磨的低質材料，因此提出在礦山提升機房基坑施工時僅僅是預測風險是不夠的，在方案的選擇上也要謹慎。

1 基坑開挖方案設定

在基坑開挖之前首先要考慮礦山所在的地理位置，基坑具體的開挖深度，礦山周邊的土質條件，開挖的季節礦山的氣候特征。基坑開挖基本采用支撐框架和連續地下保護墻相結合的結構作為支護結構。基坑傳統的方案思路較為簡單，合坑破除方案中對基坑開挖針對周邊環境的考量和傳統方案是一樣的，只不過相比傳統方案步驟復雜一些。除了支護結構外，合坑破除方案要在基坑周邊布置圍護結構，提升機房主體基坑單獨設置兩排地下保護墻。基坑周圍沒有圍護結構的部分在有圍護結構的部分施工之后再進行施工。利用圍護結構對基坑變形的抑制作用。結合基坑對周圍環境的影響的現場檢測范圍，合坑破除方案有兩個需要注意的地方：一是在基坑開挖的同時對礦山周邊土質保護的問題，二是后期受基坑范圍限制，地下基坑頂板最高處需要有保證工人安全的保護機制。

如圖1所示：簡單來講就是將礦上提升機房所需要的機房按照順序逐個破除。但是在破除的過程中，要對礦山周圍淺基礎的土質先進性保護，基坑坑底的土質蓬松支撐力弱的開挖時候要增加混凝土地下保護墻來輔助受力，保證坑下安全。根據傳統基坑和提升機房的尺寸，合坑破除的基坑深度應控制在15m之內，寬度約為150m左右。基坑的輔助設施依舊是混凝土支撐，支撐截面要比傳統方案寬0.05m。依舊沿著礦山廠房和環山公路加固礦山邊坡，但合坑破除要改用獨立柱，不能采用吊車機械臂施工，需要人力操作。獨立柱采用人工挖的鋼筋砼和基礎臺，上方局部鋪設0.4m厚的防滲漏鋼板。柱基礎加設5＊5Φ鋼筋砼樁，樁長度根據提升機房的總高度按比例設置。

圖1 基礎土方開挖示意

通過人工架設鋼筋砼樁和鋪設防滲漏鋼板，可以對周邊土壤不穩定的巖石起到防范作用，防止基坑發生塌方巖土層擠壓基坑導致基坑變形。礦山廠房和公路的邊緣采用鋼結構柱加固礦山邊坡。計算出實際基坑的周長，支護結構采用鋼結構IV7和IV9兩種長度的鋼板。鋼柱使用起吊機深入基坑，支護結構使用單層結構就夠用，雙層結構雖然更加堅固，但是給基坑帶來的質量壓力也更重。支護結構鎖扣形狀設計為套鎖形式，鋼柱和鋼板均為鉤狀型，可以有效的阻擋土質松軟部位產生的流沙和雨水侵蝕基坑。

在基坑內側的土壤上方挖到鋼柱1m左右的深度，設置一道屏障，屏障采用H500型號的剛鋼材，間隔距離用2m左右，根據基坑周長計算具體用量，設置適合數量的鋼板樁支撐，放置鋼板樁直到鋼板樁最上端達到標高位置，基坑的基臺搭建完成。基臺施工完成后，對基坑內部進行回填。回填土位置沒過鋼板樁0.5m，用吊車機械臂拔出多余的部分。

施工方不需要動用鏟車和吊車機械臂，減少了周邊山體發生崩塌的危險。人工作業不需要額外會操作機器的人，普通工人足夠所有的技術需要。工程量減少，工期較短勞務成本降低。

2 方案測試

2.1 測試合坑破除方案基坑穩定性

建立兩種方案的數值模型，將提升機房基坑圍護結構位移清零，礦山主體基坑開挖首次層土體，支護結構直至坑底，拆除鋼板砼柱。基坑開挖施工，結束后拆除分割基坑的地下保護墻。為保證測量方案測試效果最優化，兩方案數值模型模擬步驟保持一致。兩方案按照以上步驟操作結果如表1所示：

表1 基坑穩定性對比

傳統方案提升機房最大位移水平數值和基坑累積變形量比合坑破除方案要高，差值呈現的為正數。傳統方案中混凝支撐發揮了很大的作用，代替基坑本身土質承受854KN/M的外界壓力，對礦山周圍山體的影響最大位移，礦山土層沉降不超過10mm。總體數值較低。而支護結構承受壓力和礦山周圍土質位移兩大數值確實合坑破除方案的數值要比傳統方案大，差值呈現為負數。鋼筋砼和基礎臺代替基坑本身土質承受1054KN/M的外界壓力，對礦山周圍山體影響的最大位移，礦山土層沉降為11.26mm。

兩方案數值相比，合坑破除方案下的基坑位移數值更小，相應的變形積累數值也越低。合坑破除方案開挖的土質更緊實，穩固性比傳統方案開挖的基坑的好。

2.2 測試合坑破除方案成本和工期

對傳統方案和合坑破除進行成本比較，傳統方案比合坑破除方案技術成熟，但支護結構基礎工作要在整個回填工作結束之后才能正式宣告完成，工期較長，機械租賃費、人工費、回填土壤多次操作費加在一起也是一筆不小的開銷。成本費用預估高達80萬，基坑工廠方案最后的敲定也不能單單看模擬數值，如表2所示：

表2 基坑工期和成本對比

合坑破除方案人工需求較大，人工開挖費用同租賃機械費相比必然是人工費用較低，鋼筋砼柱的支護結構無需回填土壤。正常的工人作業就可以滿足勞動需求，工期不長，施工結束后回收利用鋼筋砼柱，可以在下次使用，也避免了材料浪費。總成本也遠低于傳統方案。

2.3 測試結果分析

由以上數值模型的對比可知，合坑破除方案雖前期準備步驟復雜，需要人工操作的環節也多，但是因為鋼板砼柱的承受力要比混凝土承受力強，所以其保證基坑內部安全的效果更好。傳統方案步驟簡單，基坑開挖后多了一個回填步驟，回填土增加了原本的支撐性，但后期需要再次將回填土挖出，重復進行同樣的工序，耗費人力和時間，也會增加整個工程預算。效果是對周邊自然環境影響較小，降低了礦山發生土質變異的可能性。

基坑開挖對礦山周邊環境的影響是通過提升機房的位移數值來體現的，合坑破除方案模擬后的機房位移比傳統方案的機房位移小0.25mm，提升機房的位移數值越小，基坑內部自身的變積累變形就越小。積累變形的數值越小，基坑的土質就越緊實。通俗來講，土質越緊實，基坑穩固性就越強。基坑變形積累數值越大，造成礦山周邊山體沉降越大，對周邊環境來說破壞性越大，傳統方案多了一步回填土的環節，礦山自然而然沉降度很低，因此，傳統方案雖然變形積累數值比合坑破除方案數值要大，沉降位移數值卻比合坑破除方案要小。傳統方案雖然技術更加成熟，但是工期長，工程成本也更高，合坑破除方案雖然實行起來沒有經驗可以借鑒，但工期短，所需費用也比傳統方案少。綜合比對之下選擇合坑破除方案更試用礦山提升機房深基坑開挖的要求。

3 結語

本文通過對比兩大礦山提升機房深基坑開挖方案，通過建立數值模型進行對比測試選出合坑破除方案為最佳基坑開挖方案。本文兩方案模型模擬步驟一致，保證了測試結果公平公正，測定結果具有較高參考性。但因為礦山環境各異，該方案不適應特殊情況，希望在日后的深入研究中可以更加完善。