大型地下廠房開挖支護施工技術(shù)研究

汪會 王耀 卿晨華

【摘要】近年來，隨著我國社會經(jīng)濟與現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，城市化建設(shè)進程的加快帶動了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)如水利工程建設(shè)的突破性發(fā)展，其主要發(fā)展特點是規(guī)模向著大型化與洞室群的復(fù)雜化形式發(fā)展。伴隨機械化水平程度的不斷提高，水利水電工程的施工速度和施工質(zhì)量也在逐漸加強，特別是近十年來，我國地下工程的設(shè)計與施工水平更是向著嶄新的高度發(fā)展。本文以某水電站及某壩的地下廠房為例，介紹了開挖與支護施工方法，分析地下廠房的施工技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】地下廠房；水利水電工程；開挖；支護

隨著積極發(fā)展可再生能源和提高國土資源利用率戰(zhàn)略的實施，我國水利水電地下工程建設(shè)受到了越來越多的重視并得到了迅速的發(fā)展，而我國水資源的分布則決定了我國大多數(shù)的水利資源都集中在西部山區(qū)。這些地區(qū)的河床相對狹窄，一旦發(fā)生洪水，流量就會在短時間內(nèi)急劇增加， 不利于工程結(jié)構(gòu)的安全。因此在中西部山區(qū)的水利資源開發(fā)過程中，地下廠房的建設(shè)是必不可少的，在確保對工程進行必須相應(yīng)的管理和調(diào)試的同時最大程度地避免洪水帶來的不利影響。隨著相關(guān)實踐經(jīng)驗和理論研究成果的積累，水利水電工程地下廠房的建設(shè)工作日臻完善，以“錨噴支護”為核心，確保圍巖穩(wěn)定，改善巖體應(yīng)力狀態(tài)，適時控制巖體變形，最終實現(xiàn)地下廠房的高質(zhì)量建設(shè)已經(jīng)成為工程參與各方的共識。

一、廠房的開挖與支護

在某水電站，地下廠房的開挖跨度達到了30.8m，在地應(yīng)力為中等的陡傾角薄層狀巖體的施工環(huán)境下，洞室的軸線與巖層的走向交角為35°一40°。在這樣的施工條件下，頂拱V 類圍巖段的施工就是采用C20 噴鋼纖維混凝土和l50kN 預(yù)應(yīng)力錨桿作為永久支護，取得了良好的效果。地下廠房工程具有洞周圍巖挖空率高、交叉口多、斷面尺寸大的特點，因此在施工過程中圍巖穩(wěn)定的問題非常突出。施工方式大多為從上到下、分層分塊的開挖和支護，逐步成型。如果從圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化的角度來看，應(yīng)力路徑或應(yīng)力歷史會隨著開挖支護程序的不同而發(fā)生變化，如果處理不當，不僅會對整個施工過程造成不利影響，還會使破損區(qū)大小、圍巖的應(yīng)力分布以及洞周位移狀況在洞室成型后發(fā)生變化，進而給工程帶來安全隱患。所以說，地下廠房施工的重點就是要選擇那些與實際情況相適應(yīng)的開挖程序和方法并進行有效支護，工程技術(shù)人員除了要對地質(zhì)情況進行詳盡的勘探，還必須要兼顧到施工成本、機械設(shè)備選型、進度要求和施工布置等因素，優(yōu)化開挖支護施工方案。工程實踐證明，只要能夠保證施工環(huán)境的良好，同時按照“立體多層次，平面多工序”的原則認真完成開挖、支護、平行交叉作業(yè)，并給予各類監(jiān)測信息以更高的重視，不斷進行施工方案的優(yōu)化，那么總是能夠取得非常好的施工效果。

二、施工方法

1、施工準備階段。在正式進行地下廠房的施工前，必須要根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，對總體施工方案進行優(yōu)化，合理設(shè)置施工支洞，以便為多工作平行作業(yè)創(chuàng)造良好的條件。同時，還應(yīng)根據(jù)施工合同、技術(shù)規(guī)范的要求選擇適合的開挖、支護工藝，加強對質(zhì)量控制點的管理和監(jiān)測，控制工程進度，力爭在進行主廠房的開挖前完成排水系統(tǒng)的施工和圍巖穩(wěn)定性的改善。另外，就是要設(shè)置好各類監(jiān)測儀器，完成通風(fēng)井的施工，從而在加強對施工監(jiān)測力度的同時為連續(xù)施工創(chuàng)造更多的有利條件。

2、開挖方法。地下廠房的開挖要從上到下分層施工、逐步成型，每一層的厚度應(yīng)該控制在8-10m 的范圍內(nèi)。在進行分層時，工程技術(shù)人員要充分考慮到爆破振動控制、鉆孔精度、設(shè)備作業(yè)空間以及施工通道等因素。巖壁吊車梁層應(yīng)盡量控制在10m 左右，其上部界面應(yīng)按照比梁頂設(shè)計高程高0.5m 進行控制，下部界面則應(yīng)按照比下拐點高程短3.5m 進行控制。地下廠房拱頂層下部的開挖大多采用預(yù)裂爆破和光面爆破來對開挖輪廓進行控制，再用深孔梯段微差爆破的方法清除中間巖體。目前在進行這一部分的施工時主要有兩種方法：第一種方法是根據(jù)爆破實驗所取得的數(shù)據(jù)選擇預(yù)留保護層的厚度，然后先進行中槽部分的開挖，再用小型炸藥分層清除預(yù)留保護層，對上層輪廓進行預(yù)裂控制，下層則利用光爆成型。利用這種方法可以將超挖控制在15-20cm 的范圍內(nèi)，工程實踐證明，如果采用此種方法，那么保護層開挖將會成為影響邊墻位移量的主要因素，因此施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是要選擇合理的保護層開挖方式。第二種方法是采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)分批進行輪廓的開挖，采用此種方式可以將超挖控制在8-15cm 的范圍內(nèi)，對于變形的控制也要優(yōu)于前者，因此如無條件限制，應(yīng)盡量采用此種方法。

3、支護方法。在一般的巖體結(jié)構(gòu)中，支護壓力會隨著巖體位移的增大而減小，當發(fā)生的位移相同時，支護后隧洞圍巖所需要的支護壓力要小于支護前，并且這兩者的差距會隨著所發(fā)生位移的變化而變化。所以在Ⅱ～ III 類圍巖中， 淺孔錨桿的支護必須要控制在距離開挖面3 倍洞徑長度的范圍內(nèi)，深孔錨桿應(yīng)在復(fù)噴混凝土后跟進，最后在進行預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置。水利水電工程地下廠房的直立邊墻高度一般在50-80m 的范圍內(nèi)，為了保證其穩(wěn)定性，除了要采用預(yù)應(yīng)力錨桿、砂漿錨桿和噴涂混凝土的方式進行加固外，還要利用預(yù)應(yīng)力錨索對圍巖進行加固。需要注意的是，由于這一步的施工周期相對較長，因此往往會成為影響地下廠房整體施工進度的主要因素，所以應(yīng)適當采用鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制墊座和高頻沖擊回轉(zhuǎn)鉆進工藝，以便最大程度的縮短工期。另外，還可以選擇先在周圍洞室開辟作業(yè)空間的方法來提前完成鉆孔作業(yè)，這樣當主廠房的開挖完成后就能夠立即進行穿索等后續(xù)作業(yè)。另外，上部已經(jīng)加固的圍巖在施工過程中仍然會隨著下部結(jié)構(gòu)的開挖而發(fā)生位移，如果不對其進行有效控制，輕者會導(dǎo)致錨索的錨固賦存力發(fā)生變化，重者甚至?xí)霈F(xiàn)應(yīng)力超標的現(xiàn)象，因此要合理控制錨索初次張拉的荷載以及預(yù)應(yīng)力增量，以保證施工安全。

近年來隨著我國科技的迅速發(fā)展，大跨度地下廠房施工技術(shù)在一定程度上取得了突破性發(fā)展，其施工方法與施工技術(shù)日益成熟，但施工單位還應(yīng)該加強在實際工程建設(shè)中的相關(guān)數(shù)據(jù)的總結(jié)與整理，進而為提升我國在在該領(lǐng)域的技術(shù)水平奠定良好的基礎(chǔ)。

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