層狀巖層高臨空面地下洞室開挖與支護技術探討

任海軍，張明高

(1.長江科學院，湖北武漢430010；2.重慶巨能建設(集團)有限公司，重慶401120)

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層狀巖層高臨空面地下洞室開挖與支護技術探討

任海軍1，張明高2

(1.長江科學院，湖北武漢430010；2.重慶巨能建設(集團)有限公司，重慶401120)

結合阿爾塔什水利樞紐2號深孔排沙放空洞龍?zhí)ь^直線段開挖工程實例，對層狀巖層高臨空面地下洞室開挖與支護技術進行探討。實踐證明，高臨空面地下洞室開挖中應重點考慮施工臺車的整體剛度和穩(wěn)定性，通過根據(jù)圍巖的揭露情況及時調整施工方案，不僅有利于圍巖的穩(wěn)定性，而且可以加快施工進度，節(jié)約工程造價。

層狀巖層；高臨空面；地下洞室；開挖；支護；阿爾塔什水利樞紐

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區(qū)莎車縣和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣交界處，是塔里木河主要源流之一的葉爾羌河流域內最大的控制性山區(qū)水庫工程，主要由攔河壩(混凝土面板砂礫石堆石壩)，1、2號表孔溢洪洞，中孔泄洪洞，1、2號深孔排沙放空洞，引水發(fā)電系統(tǒng)，電站廠房，生態(tài)基流引水發(fā)電系統(tǒng)及其發(fā)電廠房等建筑物組成，規(guī)劃水庫正常蓄水位1 820 m，最大壩高164.8 m，水庫總庫容22.49億m3，電站總裝機容量755 MW，設計年發(fā)電量22.6億kW·h，為一等大(1)型工程。該工程具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能，建成后可大大調節(jié)葉爾羌河徑流在年內的分配，對于促進南疆地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展，維護民族團結和社會穩(wěn)定，以及惠及百姓民生具有重大意義。

阿爾塔什水利樞紐2號深孔排沙放空洞位于左岸中孔泄洪洞右側，采用龍?zhí)ь^布置形式與導流洞結合。由于先期導流洞工程開挖已完成，2號深孔排沙放空洞龍?zhí)ь^直線段開挖時，龍?zhí)ь^開挖部位距離導流洞底板最小高差14 m，最大高差達到32 m，因施工總體規(guī)劃欠考慮，造成了高臨空面地下洞室開挖，增加了施工難度。本文結合阿爾塔什水利樞紐2號深孔排沙放空洞龍?zhí)ь^直線段開挖工程實例，從圍巖的地質構造形態(tài)對圍巖穩(wěn)定性的影響進行分析，對層狀巖層高臨空面地下洞室開挖與支護技術進行探討。

2 2號深孔排沙放空洞概況

2號深孔排沙放空洞由引渠段、進口有壓洞段、進口閘井段、洞身段、出口擴散段、消能段及出口明渠段等組成。洞身段(樁號0+000.00～0+567.476 )包括龍?zhí)ь^段和與導流洞結合段。龍?zhí)ь^段樁號為0+000.00～0+162.478，其中樁號0+000.00～0+020.00段為漸變段，由7.1 m×10.253 m的矩形斷面漸變至9 m×11 m的城門洞形斷面，拱頂角為120°，襯砌厚2.5～2.0 m；漸變段后為“龍?zhí)ь^”洞身段，反弧段與渥奇段由i=0.3的直線連接，反弧段末端與導流洞連接，反弧半徑R=80 m，圓心角α=16.13°，末端高程1 661.735 m。龍?zhí)ь^直線段(樁號0+055.00～0+114.475)在施工前，下部已按導流洞開挖斷面尺寸成型，兩側邊墻混凝土已澆筑完成，上部形成倒懸三角體，屬高臨空面的地下洞室二次開挖。

根據(jù)地質勘查資料分析，2號深孔排沙放空洞位于左岸斜坡，自然邊坡35°～70°，基巖裸露，巖性為灰?guī)r、白云質灰?guī)r，強風化層厚3～5 m，弱風化層厚15～20 m。巖層層理發(fā)育，呈中厚～薄層狀，產(chǎn)狀355°SW∠65°～80°，傾向坡外，巖體中順層小斷層發(fā)育。龍?zhí)ь^段沿線地層巖性以巨厚層白云質灰?guī)r為主，其次為層狀～薄層狀灰?guī)r，互層狀，巖層產(chǎn)狀345～355°SW∠70°～80°，層面走向與洞軸線近垂直，主要結構面為順層結構面，沿線順層小斷層發(fā)育，破碎帶寬度一般為0.1～2 m，由角礫巖夾糜棱巖及斷層泥組成，洞身段上覆巖體厚一般為104～171 m，位于微風化～新鮮巖體中，圍巖以Ⅲ類為主。樁號0+55～0+76段順層斷層發(fā)育，局部穩(wěn)定性差。

3 高臨空面地下洞室開挖與支護技術

3.1 移動式開挖支護臺車制作

2號深孔龍?zhí)ь^直線段開挖時，以制作的穿行式鉆孔臺車為基礎，每循環(huán)爆破后在臺車上搭設鋼管腳手架，鋼管腳手架的高度以掌子面高度確定，每循環(huán)裝藥后，拆除臺車上腳手架，將臺車行走至下游安全區(qū)內，爆破排煙后臺車行走至掌子面附近，根據(jù)掌子面高度搭設腳手架，進行浮石清除和下一循環(huán)鉆孔爆破。主要開挖方法示意如圖1所示。

圖1 龍?zhí)ь^直線段爆破開挖循環(huán)示意

由于開挖面距導流洞底板最小高差14 m，最大高差達到32 m，穿行式鉆孔臺車來回移動，上部腳手架不斷搭拆，對臺車下部結構的整體性和剛度要求更高。在總結前期簡易臺車使用過程中出現(xiàn)的問題的基礎上，通過優(yōu)化每循環(huán)爆破過程中臺車移動距離和上部腳手架搭拆工程量，結合現(xiàn)有導流洞混凝土澆筑臺車，設計了移動式開挖支護臺車，如圖2所示。下部為穿行式鋼模臺車，便于爆破后出渣時車輛穿行；臺車上采用型鋼焊接承重平臺，作為上部腳手架搭設基礎，隨著開挖掌子面增高而逐步加高，滿足整體剛度要求；上部腳手架采用φ48×3.5 mm鋼管搭設，立桿下部與承重平臺型鋼用扣件固定牢固，立桿間距1.0 m，步距1.5 m，剪刀撐寬度不小于4跨。

圖2 移動式開挖支護臺車示意

移動式開挖支護臺車上部腳手架平臺，在每一循環(huán)爆破前后都需搭拆，鋼管、扣件等材料周轉施工頻繁，損壞率較高，此外，高空作業(yè)，安全防護尤為重要。每次搭拆前，技術管理人員必須對施工人員進行安全技術交底，對搭設材料進行嚴格檢查；搭設過程中，按照搭設設計方案進行檢查驗收，確保腳手架施工質量，并監(jiān)督施工過程中的安全行為；拆除過程中，按照拆除方案自上而下依次拆除，一步一清，嚴禁上下同時作業(yè)，并做好對鋼管、扣件的堆放與保護。臺車移動過程中，做好導軌的鋪設，避免臺車偏斜，影響到上部腳手架搭設不對稱。

3.2 隧洞開挖爆破參數(shù)控制

在下部導流洞開挖襯砌后進行，2號深孔龍?zhí)ь^直線段開挖，隧洞開挖爆破參數(shù)的設計，不反要考慮倒懸體圍巖的穩(wěn)定性，還需考慮下部混凝土的保護。由于開挖斷面大、爆破臨空面高，通過多次論證分析，最終選用分段分層開挖，即從樁號0+114.475向上游開挖推進，樁號0+114.475～0+80段全斷面開挖成型，樁號0+80～0+55段分兩層開挖成型。根據(jù)已揭露巖層情況分析，龍?zhí)ь^直線段圍巖巖層走向與洞挖幾何夾角為80°～90°，巖層傾角較大，此類洞挖圍巖穩(wěn)定性較好[2]，但是受順層小斷層的影響，圍巖存在局部破碎，爆破開挖后，周邊一定范圍內的巖體受擾動以及臨空面的存在，在巖體自重應力作用下，易發(fā)生失穩(wěn)，不能有效形成具有一定承載力和自穩(wěn)性的圍巖承載力拱環(huán)。因此，爆破參數(shù)設計應盡量考慮弱爆破，減少對周邊圍巖的擾動。另外，通過爆破參數(shù)設計控制炮渣的粒徑大小，也可以有效的控制炮渣對下部結構混凝土的砸傷。

經(jīng)爆破參數(shù)不斷調整優(yōu)化，每次循環(huán)爆破周邊孔采用小直徑藥卷底部加強不耦合裝藥，小藥卷每根截成兩段，裝藥間距40～45 cm，藥卷分部必須均勻，孔距采用30～50 cm，頂拱部位加密隔孔裝藥，線裝藥量不大于200 g/m；主爆孔孔距采用60～80 cm，單孔裝藥量1.36～1.52 kg；掏槽孔向臨空面傾斜楔形掏槽，孔距采用50 cm，單孔裝藥量1.6 kg；單耗控制在不大于0.3 kg/m3。起爆網(wǎng)絡采用串、并聯(lián)連接方式，周邊孔采用導爆索串聯(lián)，其余孔采用并聯(lián)連接。

光面爆破孔孔距布置和裝藥量需根據(jù)開挖掌子面巖層產(chǎn)狀和洞軸線交角適當?shù)剡M行取值調整。爆破過程中，炸藥爆炸釋放出大量能量對圍巖體做功，一方面以沖擊波形式作用于藥包圍巖的巖面上，使得巖體產(chǎn)生放射狀徑向裂隙，同時將炸藥周圍一定限度內的巖石擊得粉碎；另一方面爆破產(chǎn)生的膨脹作用加劇了上述裂隙的擴展，隨著氣體的擴散，其溫度和壓力迅速下降，先前被強烈壓縮的巖石迅速卸荷，在藥包周圍產(chǎn)生一系列的環(huán)向裂隙縫。對具體的圍巖體，爆破作業(yè)的不當，用藥量過多，往往會造成巖體中裂隙貫通過深，引起圍巖體的超挖或坍塌。因此，根據(jù)圍巖受力分析和巖層產(chǎn)狀，現(xiàn)場施工對洞室開挖光面爆破孔參數(shù)進行適當?shù)恼{整，如頂拱部位減小孔間距，邊墻部位適當增加孔間距。另外，在周邊光爆孔裝藥結構上也進行適當?shù)恼{整，對于頂拱孔采用小直徑藥卷底部加強不耦合裝藥，小藥卷每根截成兩段均距布置；對于兩邊墻及底部孔采用小直徑藥卷底部加強不耦合裝藥，小藥卷單根不截斷均距布置?，F(xiàn)場施工實踐證明，通過圍巖受力分析進行爆破參數(shù)調整和控制，所取得的洞室開挖斷面尺寸效果良好，隧洞頂拱光面爆破殘孔率高，圍巖穩(wěn)定性較好； 兩邊墻光面爆破孔殘孔率稍低，圍巖穩(wěn)定性仍較好。

3.3 隧洞圍巖初期支護形式

根據(jù)地質情況，按新奧法施工原理，設計采用系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)加鋼拱架聯(lián)合支護，系統(tǒng)錨桿為Φ25砂漿錨桿，長3 m，間距1.5 m，梅花形布置；鋼拱架為118工字鋼，間排距1 m，鋼拱架之間采用Φ25鋼筋連接固定；邊墻頂板采用Φ8 mm鋼筋網(wǎng)(20 cm×20 cm)；噴射C30混凝土20 cm。對于巖層不好洞段，針對巖層的具體產(chǎn)狀，增加隨機錨桿。一期支護主要保證導流洞過流期間的圍巖穩(wěn)定性。

根據(jù)2號深孔開挖后圍巖產(chǎn)狀分析(具體方法參考文獻[2])可知，巖層走向與洞軸線夾角80°～90°時，巖層傾角在70°～80°之間，此類洞挖圍巖穩(wěn)定性最好，更有利于洞室開挖。在實際施工過程中，每次爆破后，及時對危巖體處理后進行素混凝土噴護封閉，在左右側頂拱范圍內垂直巖層面增打隨機錨桿，通過圍巖自穩(wěn)逐漸形成具有一定承載力和自穩(wěn)性的圍巖承載力拱環(huán)。通過圍巖觀測和圍巖穩(wěn)定性分析，減少了開挖后臨時支護工作量，將主要施工時間集中在爆破開挖循環(huán)工作上，在洞室開挖完成后，從高處開始采用系統(tǒng)錨桿聯(lián)合鋼拱架進行支護。現(xiàn)場施工實踐證明，根據(jù)具體的隧洞開挖后巖體受力分析，適當調整錨桿的支護方案，有利于洞室的穩(wěn)定性，加快了現(xiàn)場施工進度。

4 結 語

(1)層狀圍巖的穩(wěn)定性不僅與巖層的傾角有關，巖層的走向與開挖的邊界幾何尺寸關系也直接影響著圍巖的穩(wěn)定性。根據(jù)圍巖的揭露情況，及時調整支護方案，不但有利于圍巖的穩(wěn)定性，而且可以加快施工進度，節(jié)約工程造價。

(2)高臨空面地下洞室開挖應重點考慮開挖臺車的設計，特別是臺車的整體剛度及穩(wěn)定性。

(3)地下洞室開挖應盡量從高到低邊開挖邊支護施工，在設計方案確認時就應考慮施工難度和風險，盡量避免人為形成高臨空面地下洞室開挖面。

[1]王啟耀. 陡傾角層狀巖體中大型地下洞室群圍巖變形的預報與控制[D]. 上海： 同濟大學，2004.

[2]任海軍. 隧道開挖過程中層狀圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 探礦工程(巖土鉆掘工程)， 2007(4)： 54- 59．

(責任編輯 焦雪梅)

Discussion on Excavation and Supporting Technologies of Underground Cavern in Layered Rock with High Overhead Surface

REN Haijun1, ZHANG Minggao2

(1. Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China; 2. Chongqing Juneng Construction (Group) Co., Ltd., Chongqing 401120, China)

Taking the excavation of dragon-raise-head straight section of No. 2 deep flushing tunnel in Aertashi Hydro Project as a study case, the excavation and supporting technologies of underground cavern in layered rock with high overhead surface are discussed. The actual practice proves that the overall rigidity and stability of construction trolley should be emphatically considered in the excavation of underground cavern with high overhead surface, and the excavation and supporting scheme should be timely adjusted according to the disclosure of surrounding rock, which is not only conducive to the stability of surrounding rock, but also can accelerate construction progress and save project cost．

layered rock; high overhead surface; underground cavern; excavation; supporting; Aertashi Hydro Project

2015- 12- 26

任海軍(1980—)，男，甘肅白銀人，高級工程師，碩士，主要從事巖土工程科研及監(jiān)理工作．

TV554

B

0559- 9342(2016)09- 0072- 03