采坑治理与运矿道路建设相结合的设计实践

邢利伟，赵翔，王洋，薛鹏展

1 前言

某水泥集团配套矿山采场内西侧有3处废弃采坑，采坑均为一坡到底的单坡面采坑，边坡高约50～90m，面积均约2～3万平方米，不仅对地貌景观造成了破坏，而且严重浪费土地资源。2017年，该矿山采场被国家环保部挂牌督办整改。

该矿山3处采坑均位于上山道路的必经之处，经对比分析，项目组提出了将3个采坑的治理与上山运矿道路建设相结合的施工方案，道路基建与采坑治理同时进行，确保矿山按时投产。

2 采坑现况分析

3个采坑呈北西向不规则椭圆状，相对高差最大90m，最大坡角70°。采坑内堆积物成分主要为石粉、碎石、少量粘土，坡面完整，未见冲沟及垮塌，坡面及坑内有少量植被覆盖；采坑中上游地段覆盖层厚度较薄，有基岩裸露，下游第四系覆盖层在陡坡地段相对较薄，一般在0.3m左右，在缓坡地段相对较厚，但≯2m，泥石流灾害发生的可能性较小。边坡无防护，处于较不稳定状态，在强降雨或爆破震动下，易发生楔形体掉块，存在崩塌隐患，危险性较大。采坑相对位置见图1。

图1 采坑相对位置图

3 采坑治理措施

矿山采坑岩体裸露时间越长，水土流失越严重，安全隐患就越多，因此我们决定按照矿山的环保要求，在矿山道路基建的同时，进行采坑治理和矿山生态环境恢复建设，治理措施如下：

（1）在采坑外围设置刺丝围栏+警示牌。刺丝围栏设置于采场外围，围栏高2m，警示牌设置于围栏外侧及崩塌隐患处。

（2）清除采坑边坡坡面上的危岩、孤石，进行锚杆支护并挂网。

（3）在采坑上部5m处修筑截水沟，截水沟采用梯形断面，顶宽0.6m，底宽0.3m，深0.5m。

（4）在采坑底部进行覆土、播撒草籽作业，边坡顶、底部种植爬山虎，使其与周边环境相协调，台阶坡顶线部位设置挡土墙，防止水土流失。绿色生态修复技术路线见图2。

图2 绿色生态修复技术路线

（5）实施喷灌工程，喷灌主管路由水源井沿公路修至各采坑，采用旋转喷头进行喷灌。

4 道路施工方案

为满足采矿工艺及周围地形展线要求，卸料平台至采准面道路运输设计采用公路开拓运输方式。运输道路按二级运矿道路、五类车宽（计算车宽4m，载重70t）、双车道进行设计，对矿界外道路进行硬化，矿界内道路不硬化。分别设计了两套道路施工方案用于比较，方案一中的运矿道路建设以挖方为主，方案二中的运矿道路建设以填方为主。具体设计方案如下：

4.1 方案一

运矿道路全长2.7km，路面宽12m，路基宽14m；计算行车速度30km/h；最大合成纵坡坡度≯5.6%，最大纵坡≯7%，最大纵坡限制长度400m，缓和坡段最小长度60～80m；竖曲线最小半径400m，最小长度25m；平曲线最小半径≮25m；停车视距30m，会车视距60m。运矿道路平面图见图3。

图3 方案一运矿道路平面图

道路建设全程以挖方施工为主，穿过2采坑、3采坑、4采坑时亦以挖方施工为主，道路施工不影响采坑边坡治理。此方案边坡治理工程量大，施工难度高，且因边坡坡面较陡，复垦难度较大。

4.2 方案二

4.2.1 基本设计思路

运矿道路全长2.1km，路面宽12m，路基宽14m；计算行车速度30km/h，最大合成纵坡坡度≯6%，最大纵坡≯8%，最大纵坡限制长度150m，缓和坡段最小长度60～80m；竖曲线最小半径400m，最小长度25m；平曲线最小半径≮25m；停车视距30m，会车视距60m。运矿道路平面图见图4。

图4 方案二运矿道路平面图

运矿道路穿过2采坑、3采坑、4采坑时为高填方路段，填方高度最高约30m，高填方施工降低了采坑边坡的高度，增加了采坑边坡的稳定性。道路填方边坡与采坑边坡相交，遇大雨汇水将形成“堰塞湖”式集水坑，道路施工时应与采坑治理工程相结合，将靠近采坑一侧的边坡回填至与路面齐平，并及时绿化。

4.2.2 道路排水方案

（1）运矿道路全路段纵坡方向一致，利于排水。

（2）在道路靠山一侧挖排水沟，防止雨季雨水冲坏公路。排水沟为矩形断面，宽0.5m，深0.5m，断面面积0.25m2，最大排水能力1.8m3/s，可满足道路排水要求。

（3）道路穿过2采坑、3采坑、4采坑时，与采坑治理工程相结合，将靠近采坑一侧的边坡回填至与路面齐平，采坑汇水可从路面排出。

4.2.3 高填方路段施工要点

高填方路段设计主要依据JTGD 30-2015《公路路基设计规范》，施工必须满足JTGF 10-2006《公路路基施工技术规范》，施工说明如下：

（1）填方高度＞3m时，路基必须填筑在岩石地基上。

（2）由于填石路堤的填料比较坚硬，压实难度大且透水性强，水容易从路面边坡等部位进入基底，造成路基湿软，以致发生不均匀沉降，为防止地基沉降失稳，地基必须压实。

（3）填石路堤的填筑方式为逐层填筑压实，分层高度≤3m。边坡部位使用中等强度石料码砌，码砌采用干砌的形式，厚度＞2m。

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

（5）高填方边坡分台阶设置，台阶高度15m，平台宽度4m。高填方路基标准横断面见图5。

图5 高填方路基标准横断面

4.2.4 高填方路堤稳定性分析

根据JTGD 30-2004《公路路基设计规范》，3.6章节“高路堤与陡坡路堤”中，3.6.7“高路堤与陡坡路堤设计时，应进行路基稳定性计算分析”，考虑到本次道路施工为新建路堤、二级道路，路基建在基岩上，在正常工况条件下，路堤的堤身稳定性、路堤和地基的整体稳定性安全系数取值1.45。

高填方路堤采用简化的Bishop法验算，采用Slide软件进行边坡稳定性分析。

简化的Bishop法适用于土质边坡和呈破碎散体结构的岩质边坡的验算。该方法基于圆弧滑动面分析，对下滑力与抗滑力的关系进行比较，以库仑强度理论为基础，其分支包括刚体力的极限平衡和力矩的平衡比较，是我国《公路路基设计规范》推荐采用的验算方法。

Slide软件是一款适用于土质边坡和岩质边坡稳定性分析的软件，建模过程方便，计算结果可靠，在边坡稳定性计算中应用广泛。

高填方路堤的堤身稳定性分析见图6，岩土体计算参数的选取见表1。

表1 岩土体计算参数的选取

图6 高填方路堤的堤身稳定性分析

由上述分析可知，此路段安全系数1.472＞1.45，表明在正常工况下，此高填方路堤是稳定的。

5 采坑治理及道路施工方案投资对比

两种方案的采坑治理及运矿道路建设工程量及投资对比见表2。由表2可知，方案二比方案一节省投资约400万元。主要原因为：

表2 采坑治理及道路施工建设工程量和投资对比

（1）运矿道路坡度增加，长度相对减少，挖方量及路面硬化费用降低。

（2）2采坑、3采坑、4采坑边坡高度降低，采坑治理面积减少，治理费用及环境恢复费用也相应减少。

（3）挖方矿石可综合利用。本矿山为水泥生产线的后备矿山，基建期产生的矿石直接运往破碎系统破碎后，作为原料进入水泥生产线；基建期产生的挖方废石和土方作为道路建设填方材料和采坑治理覆土被加以利用。

6 附属设施设计

6.1 降温池

运矿道路卸料平台标高985m，采准面1 110m，落差125m，重载车长距离行驶下坡势必会使轮胎和刹车处于超负荷的运行状态。因此，在道路进入卸料平台处设计一个降温池，从采面行驶下来的重载车先经过降温池后，再驶入卸料平台。

降温池起点、终点标高与主线路面一致，路基、路面结构与主线路面相同。降温池宽8m，长80m，两端分别是20m渐变段，池深0.5m。池内四壁涂沥青防水层（或防水涂料），外侧设置一个与降温池相连接的清淤、补水井，比降温池深20cm。降温池平面图见图7。

图7 降温池平面图

6.2 避险车道

（1）避险车道类型及位置的选择

由于运矿道路全长2.1km，且全程重载车行驶下坡，本次设计结合实际地形，在连续960m下坡、平均纵坡坡度6.2%的重载车长下坡段尾端缓坡弯道较急处，利用地势布置一条避险车道。

设计采用分离式避险车道，失控车辆偏离主线，从正面进入制动车道，保证失控车辆进入避险车道前的视野开阔。一旦司机离开主线，在直线上行驶能较容易对准避险车道，车辆前轮可以同时进入制动坡床。

（2）驶入速度

根据能量守恒定律，失控车辆从标高1 100m驶入标高1 051.0m避险车道，计算车速43.6km/h，考虑未知因素影响，车辆行驶速度按照70km/h进行计算。

（3）车道长度、宽度

引道长度24m，引道坡度与运矿道路路面坡度相同。

制动坡道长度76m，制动坡道纵坡坡度10.5%。

避险车道宽度16.3m。

其他设计：路肩（1.0m×2）+服务车道（4.5m）+制动坡床（8.0m）+排水沟（0.4m×2）+接落石平台（0.5m×2）。

7 实施效果

经分析对比工程量及技术经济情况，最终选择了更具优势的设计方案二。经过六个月的施工建设，目前矿山通过基建验收，已取得建设项目《安全设施设计》的验收批复，试运行效果良好。项目总结如下：

（1）采用运矿道路建设与采坑治理相结合的方案，为企业节省了400万元投资。

（2）采用优化后的道路建设设计方案二，道路长度缩短0.6km，按吨公里运输成本0.4元计，每年可以为企业节约运输费用264万元。

（3）道路建设设计方案二的优化实施，增加了填方量，减少了因矿山基建产生的岩石临时堆放占地的面积。

（4）运矿道路在采坑中部，起到了降低坡度作用，同时，道路两侧的绿化对边坡治理也起到了明显的美化作用。