大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法探究

楊 葛， 林 志 旺， 彭 偉

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，大型地下洞室開(kāi)挖需布置多條施工通道，傳統(tǒng)的施工方法是由上至下分層、臺(tái)階法開(kāi)挖。一般選擇“中導(dǎo)洞先行，頂拱刻槽、反向擴(kuò)挖”的方式進(jìn)行分層、分區(qū)、分段、錯(cuò)距開(kāi)挖施工。根據(jù)分層情況，由上到下依次利用施工通道并由每條施工通道負(fù)責(zé)若干層出渣任務(wù)。由于施工路線單一，每層施工的布置難度較大，需考慮預(yù)留施工通道。由于大型地下洞室開(kāi)挖每層的場(chǎng)地有限，增加資源投入，受場(chǎng)地制約而導(dǎo)致工期無(wú)法壓縮，因此，對(duì)于工期緊、任務(wù)重的大型地下洞室實(shí)施快速施工就顯得尤為關(guān)鍵。

如何利用大型地下洞室原有的施工通道進(jìn)行快速開(kāi)挖十分重要。筆者介紹了一種大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法。

2 大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法

2.1 施工布置

大型地下洞室開(kāi)挖一般布置兩條或兩條以上的施工通道。筆者以簡(jiǎn)單大型地下洞室為例。某簡(jiǎn)單大型地下洞室布置了兩條施工通道，分別為施工通道1、施工通道2。該大型地下洞室分層情況見(jiàn)圖1。

2.2 常規(guī)開(kāi)挖方法

(1)第Ⅰ層開(kāi)挖利用施工通道1進(jìn)行常規(guī)中導(dǎo)洞開(kāi)挖后再反向擴(kuò)挖，最后進(jìn)行全斷面開(kāi)挖(圖2)。

(2)第Ⅰ層開(kāi)挖完成后，自第一層施工通道1開(kāi)始修建下坡道(施工道路坡度不得超過(guò)15%)至施工通道2。全面展開(kāi)中部拉槽的開(kāi)挖施工，待下坡道路開(kāi)挖至施工通道2時(shí)開(kāi)始進(jìn)行上、下游側(cè)保護(hù)層的錯(cuò)距開(kāi)挖。預(yù)留下坡施工道路是第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖的唯一施工道路，因此而造成施工進(jìn)度受到制約(圖3)。

圖1 大型地下洞室分層示意圖

圖2 大型地下洞室第Ⅰ層常規(guī)開(kāi)挖方法示意圖

圖3 大型地下洞室預(yù)留下坡道路示意圖

(3) 第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖完成后，利用施工支洞2作為第Ⅲ層開(kāi)挖的施工通道，進(jìn)行上、下游預(yù)留保護(hù)層的錯(cuò)距開(kāi)挖(圖4)。

圖4 大型地下洞室第Ⅲ層常規(guī)開(kāi)挖方法示意圖

常規(guī)開(kāi)挖方法的工期主要受預(yù)留下臥道路的影響，預(yù)留道路作為第Ⅱ?qū)又胁坷鄣奈ㄒ煌ǖ榔涫┕みM(jìn)度受到制約。由于預(yù)留道路時(shí)需分區(qū)進(jìn)行開(kāi)挖而影響開(kāi)挖進(jìn)度，同時(shí)，第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖時(shí)需考慮上、下游保護(hù)層開(kāi)挖出渣通道問(wèn)題，且因中部拉槽完成后需進(jìn)行石渣回填，因此，必須預(yù)留出渣通道。

第Ⅱ?qū)又胁坷凼┕さ缆泛统鲈缆芳吧?、下游保護(hù)層施工道路和出渣道路均需利用預(yù)留的下坡道路，因此，預(yù)留的下坡道路成為第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖的唯一施工道路，進(jìn)而增大了施工間的相互干擾，導(dǎo)致施工進(jìn)度受到制約。同時(shí)，由于施工通道的唯一性，嚴(yán)重制約了資源投入，導(dǎo)致增加人員、機(jī)械資源投入受限。

2.3 快速開(kāi)挖方法的要點(diǎn)

(1)快速開(kāi)挖施工方法的必要前提條件是兩條施工通道在大型洞室開(kāi)挖前必須貫通。因此，施工通道1、施工通道2在前期工期安排時(shí)需要貫通至大型洞室兩端。

(2)第Ⅰ層利用施工通道1進(jìn)行傳統(tǒng)的常規(guī)中導(dǎo)洞開(kāi)挖后再反向擴(kuò)挖，最后進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。同時(shí)，第Ⅲ層利用施工通道2進(jìn)行中導(dǎo)洞開(kāi)挖(圖5)。

圖5 大型地下洞室第Ⅰ層、第Ⅲ層開(kāi)挖示意圖

(3)當(dāng)?shù)冖駥尤珨嗝骈_(kāi)挖和第Ⅲ層導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后，在第Ⅰ層靠施工通道2的端頭選取一處設(shè)置導(dǎo)井，導(dǎo)井位置應(yīng)位于第Ⅲ層導(dǎo)洞正上方，同時(shí)需考慮預(yù)留端墻保護(hù)層。導(dǎo)井采取正反混合法進(jìn)行人工開(kāi)挖(圖6)。

圖6 大型地下洞室第Ⅱ?qū)訉?dǎo)井開(kāi)挖示意圖

(4)導(dǎo)井開(kāi)挖完成后，第Ⅱ?qū)右栽搶?dǎo)井作為臨空面進(jìn)行錯(cuò)距開(kāi)挖(開(kāi)挖方式采取“上斜孔、下平推”的方式分兩小層鉆孔，并采用同時(shí)爆破的方式進(jìn)行爆破施工)，具體情況見(jiàn)圖7～9。

圖7 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖示意圖1

圖8 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖示意圖2

(5)第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖完成后，進(jìn)行第Ⅲ層兩邊預(yù)留保護(hù)層的開(kāi)挖(圖10)。

以上開(kāi)挖方式克服了第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖單一通道的局限性，且第Ⅱ?qū)蝇F(xiàn)場(chǎng)施工布置只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的錯(cuò)距開(kāi)挖布置即可實(shí)施快速開(kāi)挖施工，解決了增加資源投入、加快施工進(jìn)度的目的；同時(shí)也節(jié)省了第Ⅲ層開(kāi)挖的時(shí)間，縮短了工期。

第Ⅱ?qū)优c第Ⅲ層預(yù)留保護(hù)層減小了主爆區(qū)對(duì)邊墻巖體的影響。后續(xù)再進(jìn)行光面爆破時(shí)，提高了洞室邊墻成型的質(zhì)量。同時(shí)，第Ⅲ層導(dǎo)洞開(kāi)挖的完成，增加了第Ⅱ?qū)优R空面，大大降低了炸藥的單耗。

2.4 快速開(kāi)挖施工方法之相關(guān)施工關(guān)系說(shuō)明

圖9 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖順序剖面圖

圖10 大型地下洞室第Ⅲ層預(yù)留保護(hù)層開(kāi)挖示意圖

(1)第Ⅰ層開(kāi)挖完成后，必須完成Ⅰ層的相關(guān)支護(hù)方可進(jìn)行Ⅱ?qū)拥拈_(kāi)挖。Ⅱ?qū)印ⅱ髮拥闹ёo(hù)利用開(kāi)挖浮渣平臺(tái)緊跟支護(hù)。如果圍巖條件允許，Ⅱ、Ⅲ層以中導(dǎo)洞為施工通道，可利用大型支護(hù)設(shè)備(如多臂鉆和濕噴臺(tái)車)同時(shí)支護(hù)，可加快支護(hù)進(jìn)度。

(2)在Ⅰ層(全斷面)、Ⅲ層(導(dǎo)洞)開(kāi)挖以及Ⅰ層與Ⅲ層相向開(kāi)挖過(guò)程中，按照《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》SL378-2007中13.2.6(當(dāng)相向開(kāi)挖的兩個(gè)工作面相距小于30 m或5倍洞徑距離爆破時(shí)，雙方人員均應(yīng)撤離工作面；相距15 m時(shí)，應(yīng)停止一方工作，單向開(kāi)挖貫通)執(zhí)行。

(3)導(dǎo)井采用正反混合法由人工開(kāi)挖，按照《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》SL378-2007中13.2.7(豎井或斜井單向自下而上開(kāi)挖，貫通面5 m時(shí)，應(yīng)自上而下貫通)執(zhí)行。

(4)當(dāng)?shù)冖駥印⒌冖髮?導(dǎo)洞)開(kāi)挖完成后，對(duì)第Ⅱ?qū)訃鷰r進(jìn)行觀察分析，若遇地質(zhì)情況較差部位，第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖時(shí)一定要避免頂部過(guò)車或堆積其它重物，盡量減少該段圍巖的受力。

3 導(dǎo)洞和導(dǎo)井大小的設(shè)計(jì)及分析

大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法對(duì)第Ⅲ層導(dǎo)洞的大小(a×b)和第Ⅱ?qū)訉?dǎo)井直徑(D)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)布置要求、地質(zhì)條件、洞室規(guī)模及投入資源等眾多因素進(jìn)行綜合考慮。

3.1 第Ⅲ層導(dǎo)洞的設(shè)計(jì)

對(duì)于第Ⅲ層導(dǎo)洞寬度a需考慮第Ⅲ層邊墻的開(kāi)挖質(zhì)量，根據(jù)《水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范》SL378-2007中的5.6.5(特殊部位開(kāi)挖，保護(hù)層厚度不宜小于2 m)，綜合考慮后預(yù)留保護(hù)層的厚度一般取2～2.5 m。

第Ⅲ層導(dǎo)洞高度b需考慮洞室交叉的安全距離，按照《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》NB/T35011-2016中7.1.6中的第2條 (上下層洞室之間的巖體厚度，當(dāng)兩洞軸線間平面投影的夾角較小時(shí)，宜大于下層洞室開(kāi)挖寬度的1倍)執(zhí)行。

綜上所述：導(dǎo)洞寬度a=大型洞室寬度-上、下游預(yù)留保護(hù)層；導(dǎo)洞高度b≤h2。

3.2 第Ⅱ?qū)訉?dǎo)井的設(shè)計(jì)

導(dǎo)井直徑D的大小取決于兩個(gè)因素：一是因?qū)Ь畬⒆鰹榕R空面和溜渣通道，故導(dǎo)井直徑應(yīng)盡量取最大值以增大臨空面，同時(shí)增大溜渣通道，防止溜渣時(shí)堵井；二是若導(dǎo)井僅做為前期施工的溜渣通道，為方便施工，導(dǎo)井應(yīng)盡量采用簡(jiǎn)單的人工開(kāi)挖，導(dǎo)井直徑的取值以便于施工為準(zhǔn)。綜合以上兩個(gè)因素和以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)井直徑一般取3～8 m。

4 工程實(shí)例

該大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法應(yīng)用于浙江仙居抽水蓄能電站地下廠房中尾閘洞開(kāi)挖取得了較好的效果。該尾閘洞位于主變洞下游，開(kāi)挖尺寸為110 m×7.8 m×18.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，尾閘洞典型開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞型，全斷面采取C25W8F50混凝土襯砌(厚30 cm)，巖壁梁梁底距離底板高度為12.25 m，石方開(kāi)挖總方量為15 526.64 m3，混凝土總方量為1 586 m3。尾閘洞開(kāi)挖原進(jìn)度計(jì)劃為159 d完成，由于前期多種原因?qū)е逻M(jìn)度計(jì)劃滯后。為滿足工期節(jié)點(diǎn)要求，項(xiàng)目部進(jìn)行了反復(fù)討論研究，仔細(xì)對(duì)尾閘洞的開(kāi)挖施工進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)開(kāi)挖施工無(wú)法達(dá)到工期要求。為滿足工期要求，尾閘洞開(kāi)挖采用了筆者所述的大型地下洞室快速開(kāi)挖方法。開(kāi)挖過(guò)程中增加了資源投入，加大了現(xiàn)場(chǎng)管控力度，最終僅用95 d即完成了尾閘洞全部開(kāi)挖。與傳統(tǒng)開(kāi)挖工期相比，第Ⅰ層節(jié)省時(shí)間8 d，第Ⅱ?qū)庸?jié)省時(shí)間34 d，第Ⅲ層節(jié)省時(shí)間22 d，共計(jì)節(jié)省時(shí)間64 d。

經(jīng)分析不難看出，尾閘洞工期的節(jié)省主要集中在第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖。采用傳統(tǒng)開(kāi)挖方法導(dǎo)致第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖受施工通道和支護(hù)因素制約；而采用大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法很好地解決了兩大因素。大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法利用第Ⅲ層施工通道，不需考慮預(yù)留斜坡道路，加快了出渣速度。同時(shí)，第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖支護(hù)可利用第Ⅲ層中導(dǎo)洞空間作為大型支護(hù)設(shè)備(如多臂鉆和濕噴臺(tái)車)的施工通道，開(kāi)挖與支護(hù)同時(shí)施工(圖11)，從而大大節(jié)省了工期。

圖11 第Ⅱ?qū)娱_(kāi)挖、支護(hù)同時(shí)施工剖面圖

由于采用了大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法，尾閘洞開(kāi)挖成型質(zhì)量良好，邊墻殘孔率為93.3%，開(kāi)挖單元評(píng)定優(yōu)良率為98.2%。

5 效益分析

(1)開(kāi)挖質(zhì)量。

大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法預(yù)留了保護(hù)層，減少了主爆區(qū)對(duì)邊墻成型的影響，在進(jìn)行光面爆破時(shí)，能有效控制超挖(尾閘洞平均超挖控制在4%)，成型效果較好，受到各方好評(píng)。

(2)經(jīng)濟(jì)效益方面。

①大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法成型效果較好，能有效控制超挖，可減少因超挖造成的混凝土回填，進(jìn)而減少了施工成本。

②大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法減少了施工干擾，提高了施工效率。

③大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法增大了第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層開(kāi)挖臨空面，大大降低了炸藥單耗問(wèn)題，節(jié)省了炸藥等原材料費(fèi)用。同時(shí)，臨空面的增大，優(yōu)化了爆破設(shè)計(jì)，減少了鉆孔孔數(shù)，節(jié)約了施工成本。

④大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法雖然增加了資源投入，但大大減少了開(kāi)挖時(shí)間，節(jié)省了工期。

(3)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法提高了大型洞室的開(kāi)挖質(zhì)量，縮短了施工工期，在今后市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有很大優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 語(yǔ)

大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法可以創(chuàng)造更多的臨空面，降低了炸藥消耗，同時(shí)減少了施工干擾，優(yōu)化了現(xiàn)場(chǎng)施工布置。開(kāi)挖施工中預(yù)留保護(hù)層的方法有效地保證了洞室成型效果。

大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法既保證了施工質(zhì)量，又加快了進(jìn)度，降低了成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，值得在同類工程施工中推廣應(yīng)用。下一步將研究大型地下洞室快速開(kāi)挖施工方法在地下洞室主變洞和地下廠房中的應(yīng)用。