新建北山连接线公路涉中铝奥家湾矿体安全评价分析

孙 鹏

(山西省交通规划勘察设计有限公司，山西 太原 030032)

1 项目概况

新建北山连接线公路以挖方路基形式通过奥家湾Ⅱ号矿体的主平窿上方。道路与主平窿交叉的中心桩号为K1+985，交叉角度为47°10′50″，矿洞顶高程为1 061.47 m，矿洞地面高程为1 058.11 m，道路设计高程为1 093.229 m，交叉段路基平均挖方高度为4.5 m。

兴县北山连接线公路，位于吕梁市兴县境内。项目起点位于兴县县城以东，终点止于兴县蔡家崖乡西侧，接省道S218蔡家崖段，路线总长16.76 km。兴县新建北山连接线公路采用的主要设计标准为：公路等级：II级公路；设计速度：60 km/h；路基宽度：新建双向两车道，路基宽12 m；设计荷载：公路-Ⅰ级；设计洪水频率：大中桥1/50，小桥涵1/25；地震动峰值加速度系数：0.05 g。

中铝兴县氧化铝奥家湾矿区位于山西省兴县县城正东方向直距5 km处的奥家湾村一带，北起桃树峁，南至孙家沟，南北长约7.3 km，东西宽约2.2 km，行面积16.15 km2。开拓方案为主平窿+无轨斜坡道+井下卡车运输方案。本项目跨越的为矿体的主平窿。交叉段路面对应主平窿段落为K0+154～K0+175.2。该主平窿段落主要支护形式为钢拱架支护。

2 经验法对既有矿洞进行安全评估

2.1 近接施工的分类和影响范围的划分

近接施工的工况很多，不同类型的通过方式会对既有矿体造成不同的影响；不同的近接程度影响矿体的程度也不同。在近接施工中，究竟采用什么样的措施，与既有构筑物和新设构筑物的位置关系、影响程度、既有构筑物的种类和重要度等有密切关系。

本项目是以在矿体上方明挖的形式通过矿体主平窿。由于矿洞上部开挖，对垂直荷载来说上部土压力减小，由于侧压作用，拱顶会产生向上变形趋势。当埋深小时会损伤拱作用，使衬砌的垂直荷载增加，开挖时对矿洞来说如是非对称的情况，衬砌可能会受到偏压作用。

根据近接工程的分类，目前通常的做法主要是依据既有矿洞与新建构筑物之间的间隔来进行其近接度划分的。这里所谓“间隔”，是指既有矿洞衬砌外缘到近接工程的最小距离。近接度判断采用的是D(矿洞外径)值，即既有矿洞衬砌外围的垂直高度、水平宽度中的最大值。

本项目矿洞最大外径为5.4 m，洞顶填高为31.76 m。与矿洞的距离为6.352D，大于5D，接近度划分属于无影响范围。

表1 近接度的划分

2.2 既有矿洞衬砌健全度划分

既有矿洞衬砌健全度(见表2)不同，对于影响范围的划分也不同。既有结构健全度越高，允许接近的距离就越小，反之则越大。

表2 矿洞衬砌健全度划分

既有矿洞衬砌健全度是衬砌结构裂损、衬砌结构渗漏水、衬砌冻害以及衬砌材料劣化等的综合评定。本项目所涉及矿体衬砌结构完整无裂损、衬砌结构无渗漏水、无冻害并且衬砌材料无劣化情况，故综合评定健全度等级为S(轻微)。对结构功能和行车安全的影响为无影响。

3 影响性评估数值模拟分析

根据本案例中的公路与矿洞交叉的实际情况，对该段工程进行适当简化。取矿洞实际埋深，洞身段围岩简化为均质各向同性，根据圣维南原理将模型边界取6倍路基开挖宽度120 m。为了简化模拟复杂程度，将路基设置为与隧道平行，且位于隧道正上方处，高度为原有埋深高度。图1为数值模型图，模型共有48 240个实体单元。

图1 数值模拟模型示意图

矿洞开挖过程的模拟，考量到施工实际及计算简化优化的因素，采用全断面开挖法，一次开挖1 m，每次开挖后，进行喷射混凝土支护，其中喷射混凝土采用shell结构单元，围岩假定其本构关系符合默尔库伦准则，围岩初始应力考虑自重应力。待矿洞开挖完成，沉降稳定后，开始进行路堑开挖，而后将车辆荷载等效为3 m土后加载与路堑之上。

表3 材料参数选取表

3.1 位移分析

矿洞开挖完成后，待沉降稳定，清除所有位移。图2为路堑开挖后的竖向位移云图，图3为加等效荷载后的竖向位移云图。

图2 路堑开挖后的竖向位移云图

图3 施加等效荷载后的竖向位移云图

从竖向位移云图可以看出，路堑开挖后，矿洞有局部进行了卸载，导致矿洞上部覆土减少，矿洞围岩位移量较少(拱顶0.3 mm)，且方向向上，等效荷载施加后，开挖的路堑隆起位移有所下降，但矿洞附近围岩并没有发生显著位移。

3.2 应力分析

从竖向应力图中可以看出矿洞开挖后，矿洞直墙两侧围岩应力增加，矿洞顶部与仰拱处由于协调变形后应力释放，所以此处应力较小。路堑开挖施工后，矿洞围岩应力分布与原先保持一致，从应力图上看出，只是数值上有所减小，这是由于洞顶开挖路堑相当于卸载而导致的。施加等效荷载后，矿洞周围的应力分布没有变化，只是在数值上略有增加，但仍小于矿洞开挖时的应力值。

图4 隧道开挖稳定后的竖向应力云图

综合分析，开挖路堑不会对矿洞造成结构上的危险。

图5 路基开挖后的竖向应力云图

图6 施加等效荷载后的竖向应力云图

图7 施加等效荷载后的竖向应力云图

4 评估结论及建议

4.1 评估结论

通过经验法和数值模拟分析，兴县新建北山连接线公路的施工和运营不会对既有奥家湾Ⅱ号矿体的主平窿衬砌造成超过要求的变形，奥家湾Ⅱ号矿体的主平窿衬砌结构能满足安全需要。

4.2 评估建议

(1)采用合理的工法施工，把将施工时围岩扰动对既有矿洞衬砌的扰动减到最低。

(2)施工中弃土不得在矿洞上方两侧堆载或堆放杂物。

(3)兴县新建北山连接线公路与奥家湾Ⅱ号矿体的主平窿距离最近时，要提前布好监测点，及时整理分析监测数据，随时应付突发事件的发生。

(4)需对奥家湾Ⅱ号矿体的主平窿受影响段衬砌健康状态进行劣化等级评定，施工中需对影响段进行必要的监测，进行动态设计，及时利用监控量测结果指导设计和施工。

(5)在施工中派专职安全员24 h巡查防护，随时做好应急措施。

(6)建议核查该交叉影响范围内，路侧安全防护设施及排水防护设置情况。