采坑治理與運礦道路建設相結合的設計實踐

邢利偉，趙翔，王洋，薛鵬展

1 前言

某水泥集團配套礦山采場內西側有3處廢棄采坑，采坑均為一坡到底的單坡面采坑，邊坡高約50～90m，面積均約2～3萬平方米，不僅對地貌景觀造成了破壞，而且嚴重浪費土地資源。2017年，該礦山采場被國家環保部掛牌督辦整改。

該礦山3處采坑均位于上山道路的必經之處，經對比分析，項目組提出了將3個采坑的治理與上山運礦道路建設相結合的施工方案，道路基建與采坑治理同時進行，確保礦山按時投產。

2 采坑現況分析

3個采坑呈北西向不規則橢圓狀，相對高差最大90m，最大坡角70°。采坑內堆積物成分主要為石粉、碎石、少量粘土，坡面完整，未見沖溝及垮塌，坡面及坑內有少量植被覆蓋；采坑中上游地段覆蓋層厚度較薄，有基巖裸露，下游第四系覆蓋層在陡坡地段相對較薄，一般在0.3m左右，在緩坡地段相對較厚，但≯2m，泥石流災害發生的可能性較小。邊坡無防護，處于較不穩定狀態，在強降雨或爆破震動下，易發生楔形體掉塊，存在崩塌隱患，危險性較大。采坑相對位置見圖1。

圖1 采坑相對位置圖

3 采坑治理措施

礦山采坑巖體裸露時間越長，水土流失越嚴重，安全隱患就越多，因此我們決定按照礦山的環保要求，在礦山道路基建的同時，進行采坑治理和礦山生態環境恢復建設，治理措施如下：

（1）在采坑外圍設置刺絲圍欄+警示牌。刺絲圍欄設置于采場外圍，圍欄高2m，警示牌設置于圍欄外側及崩塌隱患處。

（2）清除采坑邊坡坡面上的危巖、孤石，進行錨桿支護并掛網。

（3）在采坑上部5m處修筑截水溝，截水溝采用梯形斷面，頂寬0.6m，底寬0.3m，深0.5m。

（4）在采坑底部進行覆土、播撒草籽作業，邊坡頂、底部種植爬山虎，使其與周邊環境相協調，臺階坡頂線部位設置擋土墻，防止水土流失。綠色生態修復技術路線見圖2。

圖2 綠色生態修復技術路線

（5）實施噴灌工程，噴灌主管路由水源井沿公路修至各采坑，采用旋轉噴頭進行噴灌。

4 道路施工方案

為滿足采礦工藝及周圍地形展線要求，卸料平臺至采準面道路運輸設計采用公路開拓運輸方式。運輸道路按二級運礦道路、五類車寬（計算車寬4m，載重70t）、雙車道進行設計，對礦界外道路進行硬化，礦界內道路不硬化。分別設計了兩套道路施工方案用于比較，方案一中的運礦道路建設以挖方為主，方案二中的運礦道路建設以填方為主。具體設計方案如下：

4.1 方案一

運礦道路全長2.7km，路面寬12m，路基寬14m；計算行車速度30km/h；最大合成縱坡坡度≯5.6%，最大縱坡≯7%，最大縱坡限制長度400m，緩和坡段最小長度60～80m；豎曲線最小半徑400m，最小長度25m；平曲線最小半徑≮25m；停車視距30m，會車視距60m。運礦道路平面圖見圖3。

圖3 方案一運礦道路平面圖

道路建設全程以挖方施工為主，穿過2采坑、3采坑、4采坑時亦以挖方施工為主，道路施工不影響采坑邊坡治理。此方案邊坡治理工程量大，施工難度高，且因邊坡坡面較陡，復墾難度較大。

4.2 方案二

4.2.1 基本設計思路

運礦道路全長2.1km，路面寬12m，路基寬14m；計算行車速度30km/h，最大合成縱坡坡度≯6%，最大縱坡≯8%，最大縱坡限制長度150m，緩和坡段最小長度60～80m；豎曲線最小半徑400m，最小長度25m；平曲線最小半徑≮25m；停車視距30m，會車視距60m。運礦道路平面圖見圖4。

圖4 方案二運礦道路平面圖

運礦道路穿過2采坑、3采坑、4采坑時為高填方路段，填方高度最高約30m，高填方施工降低了采坑邊坡的高度，增加了采坑邊坡的穩定性。道路填方邊坡與采坑邊坡相交，遇大雨匯水將形成“堰塞湖”式集水坑，道路施工時應與采坑治理工程相結合，將靠近采坑一側的邊坡回填至與路面齊平，并及時綠化。

4.2.2 道路排水方案

（1）運礦道路全路段縱坡方向一致，利于排水。

（2）在道路靠山一側挖排水溝，防止雨季雨水沖壞公路。排水溝為矩形斷面，寬0.5m，深0.5m，斷面面積0.25m2，最大排水能力1.8m3/s，可滿足道路排水要求。

（3）道路穿過2采坑、3采坑、4采坑時，與采坑治理工程相結合，將靠近采坑一側的邊坡回填至與路面齊平，采坑匯水可從路面排出。

4.2.3 高填方路段施工要點

高填方路段設計主要依據JTGD 30-2015《公路路基設計規范》，施工必須滿足JTGF 10-2006《公路路基施工技術規范》，施工說明如下：

（1）填方高度＞3m時，路基必須填筑在巖石地基上。

（2）由于填石路堤的填料比較堅硬，壓實難度大且透水性強，水容易從路面邊坡等部位進入基底，造成路基濕軟，以致發生不均勻沉降，為防止地基沉降失穩，地基必須壓實。

（3）填石路堤的填筑方式為逐層填筑壓實，分層高度≤3m。邊坡部位使用中等強度石料碼砌，碼砌采用干砌的形式，厚度＞2m。

（4）路基壓實度要求：路槽底面以下0～80cm，壓實度95%；路槽底面以下80～150cm，壓實度93%；路槽底面以下150cm，壓實度≥90%。

（5）高填方邊坡分臺階設置，臺階高度15m，平臺寬度4m。高填方路基標準橫斷面見圖5。

圖5 高填方路基標準橫斷面

4.2.4 高填方路堤穩定性分析

根據JTGD 30-2004《公路路基設計規范》，3.6章節“高路堤與陡坡路堤”中，3.6.7“高路堤與陡坡路堤設計時，應進行路基穩定性計算分析”，考慮到本次道路施工為新建路堤、二級道路，路基建在基巖上，在正常工況條件下，路堤的堤身穩定性、路堤和地基的整體穩定性安全系數取值1.45。

高填方路堤采用簡化的Bishop法驗算，采用Slide軟件進行邊坡穩定性分析。

簡化的Bishop法適用于土質邊坡和呈破碎散體結構的巖質邊坡的驗算。該方法基于圓弧滑動面分析，對下滑力與抗滑力的關系進行比較，以庫侖強度理論為基礎，其分支包括剛體力的極限平衡和力矩的平衡比較，是我國《公路路基設計規范》推薦采用的驗算方法。

Slide軟件是一款適用于土質邊坡和巖質邊坡穩定性分析的軟件，建模過程方便，計算結果可靠，在邊坡穩定性計算中應用廣泛。

高填方路堤的堤身穩定性分析見圖6，巖土體計算參數的選取見表1。

表1 巖土體計算參數的選取

圖6 高填方路堤的堤身穩定性分析

由上述分析可知，此路段安全系數1.472＞1.45，表明在正常工況下，此高填方路堤是穩定的。

5 采坑治理及道路施工方案投資對比

兩種方案的采坑治理及運礦道路建設工程量及投資對比見表2。由表2可知，方案二比方案一節省投資約400萬元。主要原因為：

表2 采坑治理及道路施工建設工程量和投資對比

（1）運礦道路坡度增加，長度相對減少，挖方量及路面硬化費用降低。

（2）2采坑、3采坑、4采坑邊坡高度降低，采坑治理面積減少，治理費用及環境恢復費用也相應減少。

（3）挖方礦石可綜合利用。本礦山為水泥生產線的后備礦山，基建期產生的礦石直接運往破碎系統破碎后，作為原料進入水泥生產線；基建期產生的挖方廢石和土方作為道路建設填方材料和采坑治理覆土被加以利用。

6 附屬設施設計

6.1 降溫池

運礦道路卸料平臺標高985m，采準面1 110m，落差125m，重載車長距離行駛下坡勢必會使輪胎和剎車處于超負荷的運行狀態。因此，在道路進入卸料平臺處設計一個降溫池，從采面行駛下來的重載車先經過降溫池后，再駛入卸料平臺。

降溫池起點、終點標高與主線路面一致，路基、路面結構與主線路面相同。降溫池寬8m，長80m，兩端分別是20m漸變段，池深0.5m。池內四壁涂瀝青防水層（或防水涂料），外側設置一個與降溫池相連接的清淤、補水井，比降溫池深20cm。降溫池平面圖見圖7。

圖7 降溫池平面圖

6.2 避險車道

（1）避險車道類型及位置的選擇

由于運礦道路全長2.1km，且全程重載車行駛下坡，本次設計結合實際地形，在連續960m下坡、平均縱坡坡度6.2%的重載車長下坡段尾端緩坡彎道較急處，利用地勢布置一條避險車道。

設計采用分離式避險車道，失控車輛偏離主線，從正面進入制動車道，保證失控車輛進入避險車道前的視野開闊。一旦司機離開主線，在直線上行駛能較容易對準避險車道，車輛前輪可以同時進入制動坡床。

（2）駛入速度

根據能量守恒定律，失控車輛從標高1 100m駛入標高1 051.0m避險車道，計算車速43.6km/h，考慮未知因素影響，車輛行駛速度按照70km/h進行計算。

（3）車道長度、寬度

引道長度24m，引道坡度與運礦道路路面坡度相同。

制動坡道長度76m，制動坡道縱坡坡度10.5%。

避險車道寬度16.3m。

其他設計：路肩（1.0m×2）+服務車道（4.5m）+制動坡床（8.0m）+排水溝（0.4m×2）+接落石平臺（0.5m×2）。

7 實施效果

經分析對比工程量及技術經濟情況，最終選擇了更具優勢的設計方案二。經過六個月的施工建設，目前礦山通過基建驗收，已取得建設項目《安全設施設計》的驗收批復，試運行效果良好。項目總結如下：

（1）采用運礦道路建設與采坑治理相結合的方案，為企業節省了400萬元投資。

（2）采用優化后的道路建設設計方案二，道路長度縮短0.6km，按噸公里運輸成本0.4元計，每年可以為企業節約運輸費用264萬元。

（3）道路建設設計方案二的優化實施，增加了填方量，減少了因礦山基建產生的巖石臨時堆放占地的面積。

（4）運礦道路在采坑中部，起到了降低坡度作用，同時，道路兩側的綠化對邊坡治理也起到了明顯的美化作用。