文章目录

1 露天矿卡车及道路概况
- 1.1 简介
- 1.2 矿用卡车、筑路/养护设备
- 1.3 运输道路长度
- 1.4 道路几何形态
- 1.5 运输道路建筑材料
- 1.6 运输道路老化的症状及原因
- 1.7 运输道路养护
- 1.8 辛克鲁德露天矿公路设计的演变过程
- - 1.8.1 层厚度
  - 1.8.2 道路的几何形态
  - 1.8.3 建筑施工方法
- 1.9 总结

1 露天矿卡车及道路概况

1.1 简介

为了评估加拿大目前使用的运输道路设计和建造程序，向加拿大西部37个露天矿场发出了一份调查表，收到其中13个答复。问卷要求提供以下信息:

使用的设备 – 矿用运输自卸卡车，运输道路建设和养护设备；
运输道路构筑和维护方法 – 运输道路几何形状、建筑材料、运输道路老化的症状和维修程序；
运输道路设计程序。

问卷于1998年12月发出，直至1999年7月才收到回应。在13个作出反应的煤矿中，8个是煤矿，3个是金属矿，1个是油砂矿，1个是石墨矿。有些矿山的年产量非常大(如加拿大辛克鲁得有限公司每年开采2.6亿吨油砂和排弃物料)，而有些矿山的作业规模相对较小(如Mount Polley每年处理1400万吨矿石和排弃物料)。大多数煤矿每年处理约2500万吨煤炭。平均剥采比从0.8:1 (Syncrude Canada Ltd.)到18.9:1 (Bullmoose mine)不等，但大多数煤矿的剥采比低于10:1。

Monenco(1989)也进行了类似的调查，调查了13个矿。事实上，这两项调查共有六项操作，但它们的规模在过去十年中显著增长。在本节中，将对问卷回答进行总结，并与Monenco(1989)收集的问卷回答进行比较。

还从运货卡车制造商和供应商收集关于目前和将来的矿用重载卡车规格的资料。这些信息包括车辆总重量(GVW)、转弯半径、卡车尺寸等，这些信息被认为会影响运输道路的设计和施工程序。

影响运输道路设计的另一个因素是运输卡车使用的轮胎类型。轮胎的充气压力和尺寸决定了运输道路各层(特别是上层)应力的大小、形状和量级。轮胎规格，如尺寸，占地面积，占地形状和设计的充气压力，是从米其林和其他轮胎制造商收集来的。

运输道路的设计和施工在很大程度上受到矿区气候条件的影响。大多数加拿大矿山在一年中大部分时间都经历着路基的冻结和解冻。因此，使用能够承受冻结和解冻的材料变得至关重要。

1.2 矿用卡车、筑路/养护设备

不同的矿山使用各种运输卡车来运输矿石和排弃物料。不出所料，油砂作业，这行业有最大的物料处理需求，使用自卸卡车也最大。他们的车队包括CAT 797和Haulpak(小松)930E(1999年9月)，是1999年当年可用的两种最大的运输卡车(有效载荷能力- 300吨)。大多数煤矿使用的是有效载荷在200吨左右的卡车，而一些较小的煤矿使用的是有效载荷在100吨以下的卡车。表1-1列出了1999年在这些矿场作业的卡车模型。

几乎所有的矿山都使用平地机、推土机和自卸卡车来处理运输道路的构筑。平地机、推土机和洒水车被用于运输道路的维修和养护工作。用于运输、道路养护和材料装载的设备汇总情况见表1-2。自卸车在道路建设中起着双重作用，除运输建筑材料外，还可用于运输道路施工过程中对各层进行压实。一个矿用羊脚碾压路机压实粘土质材料，用光滑的振动滚筒压路机压实颗粒状材料，同时使用洒水车来进行除尘。除了压路机外，Monenco(1989)报告使用了类似的运输道路构筑和维修设备。

用于露天库的自卸卡车在体积和容量方面有了显著的增长(详细参数可见表8-3)。1989年，现有的最大卡车的有效载荷能力不足200吨，但到1999年，有效载荷能力已经上升到300多吨。考虑到这十年的前五年，矿用自卸卡车的载荷能力的增长一直是停滞不前的，这主要是受到大型自卸卡车轮胎技术水平的限制，所以现阶段所达到车辆载重能力的提升意义是十分重大的。大型矿用载重卡车从设计、生产，到被业界接受有一个重要的原因:经济比例。几乎所有目前使用的大型运输卡车都有两个车轴(后轴上有四个轮胎)。两轴的使用提供更好的机动性和更小的转向半径，欲构造更大车型的设计方式，其限制因素在于如何匹配到自卸卡车的轮胎设计。

现阶段，一些总重量超过500吨(有效载荷>300吨）的大型矿用自卸卡车已经被应用到一些矿山。与之相对应，每个轮胎上的载重能力也增加到85吨以上。

除了运输道路的建筑材料，运输道路的几何形状也需要修改，以适应新的、更大的卡车。运输道路的宽度取决于所使用的最大卡车的宽度。卡车的最大宽度从1989年的7米增加到1999年的9米。此外，卡车的平均转弯半径比上一代增加了10%。例如，一辆卡特的793C转弯半径为15米，而一辆卡特797的转弯半径为16米。随着卡车长度从12m (CAT 793C)增加到14.5m (CAT 797)，转弯半径的增加变得显著。需要更大的转弯半径和道路宽度来适应这些卡车。更重要的是，这些卡车的最高速度在普遍提高了8至10公里/小时。例如，Liebherr的TI 252和T 262卡车的最高速度为51公里/小时，而同一公司的下一代卡车，即TI 272和T 282的最高速度已经分别可以达到68公里/小时和64公里/小时。在停车距离方面也同样影响着运输道路的几何形态设计，同时运输道路的其他方面也需要不断提高以适应更大、车速更高的矿用卡车。

1.3 运输道路长度

被调查的13个矿山的坑内道路总长为50公里，平均预期寿命为1.4年，坑外道路总长为100公里，平均预期寿命为8年(表1-3)。每个矿的运输道路长度也各有差异。临时运输道路的长度由0.5公里至10公里不等，而永久运输道路的长度则由1.3公里至14公里不等。Monenco(1989)报告说，调查的13个矿山共有50公里的坑内道路和180公里的坑外道路。由于两次调查所涉及的矿山不同，所以不能认为这些矿山的坑外运输道路总体长度有所减少。

1.4 道路几何形态

运输道路的几何形态设计包括多种因素，如最大坡度、道路的横坡、道路宽度等。运输道路的最大倾斜度限制在10%，但一般来说，需要避免超过8%的倾斜度。最大弯道超高通常需要限制在4%以内，在较窄的弯道上需要施加速度限制，以减少所需的超高。根据降水和土壤性质的不同，不同矿山之间的最大道路交叉路口坡度差异很大(1.5%到4%)，但大多数矿山认为2%的交叉坡度是最优的。表1-4总结了从矿山收集的数据。

排水沟的大小随降水的变化而变化很大。平均沟宽3m，沟深1m。安全挡墙的高度一般计算为使用中最大轮胎直径的1/2到3/4，因此从1.2米到3.5米不等。

有些矿山没有考虑到断裂距离限制，但在其他一些矿山，它是受法律限制的(例如，不列颠哥伦比亚省的矿山Section 4.36 Art. 4921 H, S, R code)。缓坡段的几何形态设计是由最终速度、路面坡度、重力加速度和滚动阻力等因素决定的，因此各矿山的情况各不相同。平均而言，跑道长度为100米，坡度为25%。

Monenco(1989)报告了类似运营路面的边坡或坡度。在过去十年中，一个显著的变化是，运行宽度从1989年的平均25米增加到1999年的30米，安全挡墙的高度从1989年的平均1.50米增加到1999年的2.50米,这种改变主要归因于所使用卡车平均尺寸的增加。

1.5 运输道路建筑材料

大多数矿山没有使用进口材料进行运输道路的建设，以最大限度地降低了运输道路的建设成本，但其中一个矿山使用了土工布，而另一个矿山则用硫磺、尾砂和稀油砂建造了一个实验。并对某运输道路表层进行碾压混凝土试验(表1-5、表1-6)。
与Monenco(1989)的报告对比表明，随着大型运输卡车的使用，虽然道路的不同层的厚度略有增加，但运输道路建筑材料在过去十年中并没有发生变化。

1.6 运输道路老化的症状及原因

坑洼、车辙、沉陷是几乎所有矿区的主要现象(表1-7)。还伴有冻胀和皱缩等情况发生。路面主要受降雨/径流、交通量大、春季崩裂、车辆溢油等因素影响。其中这些春季崩解、降雨/径流、交通量大、压实差等现象也是造成路基底层退化的主要原因(表1-8)。压实性差、地下水位高、降水多是造成其他层变质的主要原因。Monenco(1989)报告了类似的症状和原因导致的露天矿山道路恶化问题。

排水沟和管道是最受欢迎的跨水设施，而其中一个矿井使用直径为0.61米的管道

1.7 运输道路养护

为了提高矿山运输道路的通行能力，大多数矿山都采用了分级、重铺路面和犁削垫砂的方法(表1-9)。由于运输道路易造成作业设备发生重大故障，一些矿山采用开挖、回填等方法，而另一些矿山认为提高运输道路等级是一个很好的解决办法。在抑尘方面，大部分矿山采用了洒水的方式，也有部分矿山采用了在运行表面喷洒氯化钙或油剂的方式(表1-10)。Monenco(1989)证实使用了类似的运输道路养护方法，但在抑尘方面也使用了含盐地下水、钾盐和化学添加剂，如木质素硫酸钙、Bio-Cat 300-1。

根据需要和过去的经验，不同的矿山有不同的养护计划。运输道路清洗/改道和维修的频率主要是针对矿山的。当一些矿山存在路面破坏时，往往需要每天都进行清理和改道处理。在理想状态下，在夏季采取除尘措施的频率有所增加，在某些情况下甚至高达每班一次。Monenco(1989)调查的矿山在冬季清还要处理清理运输道路上的积雪，以提高牵引力。Monenco调查的三个矿山(1989年)和本研究调查的一个矿山报告使用了运输道路的预防性维修。

1.8 辛克鲁德露天矿公路设计的演变过程

Syncrude加拿大有限公司在加拿大阿尔伯塔省麦克默里堡附近经营许多油砂矿。辛克鲁德公司对运输道路进行了大量的设计修改，以满足运输卡车载重量从1988年的170吨增加到1999年的360吨的需求(Cameron et al. 1999)。在20世纪80年代，道路设计是基于加利福尼亚承重比(CBR)方法(威尔斯1989)。这种方法取得了令人满意的设计直到1995年引入较大的240吨卡车(an Wieren & Anderson 1990, Cameron & Lewko 1996, Cameron et al. 1996a, b)。更大的运输卡车导致为170吨卡车设计的道路的主要原因是运输道路上出现十分严重的扯着和结构行破坏（Cameron et al. 1996a)。1995-1996年，一种基于各层挠度(应变)的全新设计方法被提出(Cameron et al. 1996a, b)。预测了各种卡车尺寸(170t - 340t)的地表及路基挠度。从而对现有的运输道路设计方法进行了修改，并使240t卡车的路面垂直挠度小于8.3mm，路基垂直挠度小于4.3mm (Cameron & Lewko 1996)。随着大型卡车的引入(1997年为320吨，1999年为360吨)，道路设计又进行了进一步修改，以满足相同的挠度标准(Cameron & Lewko 1997a, 1997b, 1998, 1999a, 1999b)。

1.8.1 层厚度

运输道路通常由三种不同的材料建造。次基层采用砂石，基层采用坑道碎石，地表采用碎石(Wills 1989)。每层的厚度是根据8mm挠度标准确定的，但后来根据过去的经验和材料的可用性进行了修改。图1-1显示了从1988年到2000年各种卡车尺寸的层厚度(Cameron et al. 1999)。较大的卡车需要一个较厚的砾石层，以结合运行(表面)和基层，但砂层的厚度为次基层与较小的卡车保持相同。这是因为对于大型卡车，高应力在运输道路的横截面上传播得更深，需要更厚、更硬的材料(砾石)来保持路面的挠度(应变)在设计限度(8mm)之内。

1.8.2 道路的几何形态

运输道路的宽度，很容易理解，随着卡车尺寸的增加而增加。表1-11显示了不同尺寸卡车的运输道路宽度(Cameron et al. 1999)。运输道路的设计是使用道路的最大卡车宽度的3.5到4倍。这个经验法则是为了在卡车之间提供足够的通行间隙。最近，人们开始讨论如何确定安全通过距离的标准。有人建议，卡车之间需要一个固定的最小清障距离，因为这个距离不应该仅仅是卡车宽度的函数。这方面还需要进一步的研究。尽管如此，值得注意的是，尽管固定距离的逻辑认为它应该减少，但对于辛克鲁德矿其推荐道路与卡车宽度的比值是随时间推移而增加的。

由于卡车轮胎尺寸增加，安全挡墙的高度从2.0m(240吨)增加到2.9m(360吨)。安全挡墙的高度通常与轮胎直径有关，较大的卡车使用较大的轮胎。推荐的挡墙高度/轮胎直径约为3/4，不论轮胎大小，所有挡墙高度均大于1米。
运输道路几何形状的其他元素，如侧边坡、排水沟深度和垫层厚度多年来或多或少保持不变(Cameron et al. 1999)。图1-2和图1-3分别展示了240t和360t货车运输道路的几何要素。对于大多数材料，道路的两边保持3H:1V的坡度。每个垫层均有2%朝向路中央，以提供足够的地面排水。沟的深度保持在地基下0.5米

1.8.3 建筑施工方法

运输道路筑路施工采用自卸卡车运送(和碾压)材料，平地机和推土机将材料提升至适当的高度上铺开，以及光滑的滚筒的压路机对路面进行压平。运输道路不应建在冰冻的路基上或温度低于0°C的地方。建筑材料的含水率保持在最佳含水率的-2%到-4% (Cameron & Lewko 1999a)。
1997年，随着320t卡车的引进，路基的准备工作更加严格，从150mm的防滑路面到50mm的防滑路面，允许使用240t卡车进行道路施工。请注意，50mm rut-and-roll是指当某一特定尺寸的载重汽车在准备好的路面上行驶时，轮胎产生的车辙与轮胎周围的表面隆起或凹陷合起来的深度小于50mm。
一些分等级需要进行挖填作业。粘土或夹层的堆置和用200t或更大的卡车碾压，以这样的方式来满足最后的车辙和轧辊标准的亚级(卡梅伦和莱维科1999a)。这是通过在道路建设之前，在1米到2米厚的升降机中，将这些脆弱的材料压实到低于最佳含水量的程度来实现的。道路的其余部分必须在这些材料被压实后不久就在其上建造，因为湿度条件会随着时间的变化而变化，路基会很快退化。此外，如果卡车继续在无保护的路基上行驶，就会产生严重的车辙。
这些道路通常使用大型采矿卡车运送和压缩建筑材料。即使使用新的卡特彼勒24-H平地机，也很难从240吨的拖车上卸下成堆的沙子和砾石。因此，这些材料被分散给一个最小的D10推土机。
用光滑的滚筒振动压路机将次基压实至95%标准的Proctor密度。在压实之前，砂被放置在0.35米厚的升降机中(Cameron & Lewko 1999a)。基础层采用砾石，用D10、D11或同等推土机以0.5米厚的垫层进行铺装。通过使用4-6道路的光滑滚筒振动碾压，加上4到6道路应用装载200t卡车卡车碾压(Cameron & Lewko 1999a)，以材料被压实到98%的标准密度。
表层通常由破碎的砾石构成，配合铺垫0.25米高的垫层，由平路机铺开，用光滑的滚筒振动压路机压实至98%的标准密度(Cameron & Lewko 1999a)。压实度在2000年被建议增加到100%标准密度(Cameron et al. 1999)。

1.9 总结

在过去的十年里，矿用自卸卡车的体积有了显著的增长。有些矿山使用载重达360吨或更大的卡车。因此，运输道路的几何要素，如宽度，被扩大以适应更大的卡车。更大的卡车也意味着道路上更大的负载，但不同的矿山(除了加拿大辛克鲁德有限公司)很少进行设计工作，以适应更大的卡车尺寸。各矿山所遵循的运输道路的建设和维护程序是根据过去的经验和试错的方法。

原著作者科研工作不易，无私奉献精神可敬，论文或项目中使用时请考虑按规范合理引用原著作者

Dr. Dwayne D Tannant, P.Eng.
School of Engineering
University of British Columbia – Okanagan
Kelowna, B.C. CANADA
V1V 1V7
tel: (250) 807-8067
email: dwayne.tannant@ubc.ca

原著外文版地址（致敬免费下载）：https://www.researchgate.net/publication/277759950_Guidelines_for_Mine_Haul_Road_Design

希望我的每一分努力都能帮助到那个曾为露天矿山事业而奋斗耕耘过的你我！

By Lindoudou
Yancheng Institute of Technology School of Economic & Management
Email:lindingdou@163.com

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