超大特異性巖溶斜井處理施工技術(shù)研究

任長春

(中國水利水電第六工程局有限公司，沈陽，110013)

1 工程概況

K25巖溶斜井揭露于金沙江烏東德水電站右岸山體中，靠近大壩右拱端和上游防滲體系，巖溶斜井與大壩位置關(guān)系如圖1所示。該斜井發(fā)育在Pt2l3-3-1灰?guī)r地層中且靠近Pt2l3-2-6白云巖頂面，地表呈溶蝕洼地狀，出露高程約1090m，地表至高程864m附近總體上呈斜井狀，斜井基本上順層發(fā)育，自上而下具有向坡外發(fā)育和規(guī)模逐漸減小的趨勢，在高程920m縮為溶縫，將溶洞天然分隔為上下兩個部分，在高程864m以下尖滅為溶蝕裂隙。

圖1 巖溶斜井與大壩位置關(guān)系示意

巖溶斜井總體積約36.9萬m3，其中壩頂高程988m以上約18.7萬m3，高程988m以下約18.2萬m3。斜井內(nèi)絕大部分被充填，充填物主要為塊、碎石夾少量粉質(zhì)粘土或砂，未見明顯的地下水活動跡象，為已停止發(fā)育的死亡型巖溶洞穴。由于巖溶斜井規(guī)模較大，位于右壩肩抗力體范圍且靠近上游防滲體系，其中壩頂高程988m斜井規(guī)模達80.4m×37.4m，與拱端距離僅為25.2m，對大壩拱座變形穩(wěn)定存在一定影響。

K25巖溶斜井采取“壩頂高程以上巖溶斜井不開挖、‘頸縮’段澆筑混凝土拱形支擋結(jié)構(gòu)、壩高以下巖溶斜井進行混凝土置換”的處理方案。巖溶斜井總處理高度約為148m(1012m～864m)。

2 設(shè)計處理方案

(1)在高程967m～985m溶洞斷面“頸縮”段設(shè)置拱形混凝土支擋結(jié)構(gòu)，支擋結(jié)構(gòu)厚度2.7m，下部開挖時支擋其上部溶洞充填物；

(2)通過自上而下布置的9條施工支洞挖除K25巖溶斜井內(nèi)、拱形支擋結(jié)構(gòu)后(穹頂高程1012m以下)的充填物，并清理洞周破碎帶，同時對洞周巖體進行固結(jié)灌漿；

(3)巖溶斜井高程985m以下分層回填混凝土，高程875m以下采用堆石混凝土C20，高程875m以上采用碾壓混凝土C18020(三)，通水冷卻至周邊巖體溫度后進行接觸灌漿，混凝土內(nèi)布置灌漿兼交通、排水廊道。

3 施工布置

3.1 斜井外部施工通道布置

K25巖溶斜井自上而下共布置9條施工支洞，通過施工支洞進行溶洞充填物的開挖支護施工。施工支洞均采用不小于4.5m×5.2m斷面，末端10m～15m洞段采用擴大斷面，洞身較長支洞，為方便錯車，在洞身約中部布置錯車洞(錯車洞長約10m，寬約3m)。

圖2 K25巖溶斜井施工支洞布置及分層示意

3.2 斜井內(nèi)施工便道布置

斜井內(nèi)以9條施工支洞口為起點，通過上下兩層施工支洞之間形成“Z”字型施工便道，滿足人員設(shè)備通行，便道隨斜井的開挖下降逐步降低和挖除。斜井內(nèi)施工便道路面寬度為4.5m，最大縱坡為12%，路面為泥結(jié)石路面，滿足反鏟和自卸車通行要求。

隨斜井下挖，斜井內(nèi)空間逐漸狹小，上下相鄰施工支洞高差在15m～20m之間，內(nèi)部無法通過上下相鄰施工支洞形成貫通的施工便道。為盡可能減小上下相鄰支洞間的高差，在斜井下挖施工至支洞底板高程位置附近時，采用將支洞末端底板15m～20m洞段按12%左右坡比對底板進行放坡開挖。

4 施工方法

K25巖溶斜井為天然發(fā)育的溶蝕洞穴，施工時，首先進行穹頂修型支護及混凝土支擋結(jié)構(gòu)施工，在保證穹頂整體穩(wěn)定安全的情況下，方可進行穹頂以下充填物開挖及洞壁支護施工。

待支擋結(jié)構(gòu)及穹頂支護施工完畢后，分別利用9條施工支洞及斜井內(nèi)的施工便道共分27層自上而下進行斜井的開挖支護施工，分層高度普遍為5m，每開挖一層支護一層，支護的同時完成洞壁的固結(jié)灌漿施工。

巖溶斜井內(nèi)充填物主要為碎石土、大小塊石，主要采用機械開挖，20t自卸汽車出渣。開挖過程中遇到反鏟無法挖除的大塊石，采用YT-28手風鉆鉆孔進行解爆，反鏟進行挖除。

斜井內(nèi)支護類型主要為錨桿、錨索、錨筋樁、掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、洞壁固結(jié)灌漿等，由于斜井內(nèi)地質(zhì)條件復雜，具體支護參數(shù)根據(jù)開挖過程中實際揭露的洞璧圍巖條件進行確定。每層開挖完畢后采用自制支護臺車形成支護操作平臺，錨桿及固結(jié)灌漿孔主要采用100B鉆機造孔，人工插桿注漿，固結(jié)灌漿采用SNS灌漿泵分兩序孔進行。

4.1 穹頂部位施工

4.1.1 穹頂頂部新增懸吊錨筋樁施工

在進行斜井穹頂支護施工前，為保證穹頂永久穩(wěn)定及施工期斜井內(nèi)施工安全，在穹頂上部(右岸纜機平臺附近)向斜井內(nèi)穹頂方向增加懸吊錨筋樁，對穹頂整體進行加固，并將錨筋灌注砂漿調(diào)整為水泥凈漿，兼顧穹頂溶蝕帶圍巖固結(jié)。

錨筋樁為3根C32(三級鋼)鋼筋焊制而成，采用HM-80工程錨固鉆機鉆孔，孔徑為130mm，孔深為30m～70m(具體孔深以孔底距K25溶洞穹頂巖面2m～3m控制)，間排距為4.5m×4.5m。錨筋樁每隔2m安設(shè)5cm長的隔離短鋼筋和對中段鋼筋，錨筋樁和隔離短鋼筋、對中段鋼筋采用點焊固定，確保錨筋樁插入后不直接接觸孔壁，留有保護層。錨筋樁接長采用套筒連接，套筒長度不小于10cm，每根鋼筋接長位置錯開3m，錨筋樁配置在同一截面內(nèi)的鋼筋接頭的截面積應小于鋼筋總面積的50%。

圖3 懸吊錨筋樁細部結(jié)構(gòu)

懸吊錨筋樁采用“先插桿后注漿”施工工藝，采用0.5∶1的純水泥漿進行灌注，兼顧對穹頂溶蝕帶圍巖進行固結(jié)施工，水泥采用強度等級42.5的高抗硫酸鹽水泥。20min內(nèi)完成單根錨筋樁的連續(xù)注漿(有裂隙、斷層的除外)，當孔口溢出漿液或停止排氣時，停止注漿。

在灌注純漿時，若穹頂無明顯漏漿則繼續(xù)灌注，若穹頂漏漿比較嚴重時(單孔灌漿水泥量超過1t時)，由現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認后采用灌注配合比為0.4∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂漿或減少單位注漿量的方式控制。

4.1.2 穹頂開挖修型

在通過新增穹頂施工支洞對溶洞穹頂支護施工時，穹頂存在圍巖塌落、掉塊情況。為保證施工安全，支護前對穹頂溶蝕層及破碎松動巖體進行剝離修型，并削除下垂凸體，將穹頂整體修整為大體平順圓滑的倒凹曲面。為減少圍巖擾動，穹頂修型開挖以機械為主，局部采用微小藥量爆破松動挖除。

剝離修整完成后，采用C28、L=9m及C32、L=12m相間布置的預應力錨桿進行錨固支護，噴15cm厚C20混凝土掛圖φ6.5@20cm×20cm鋼筋網(wǎng)，并利用錨桿焊接φ18@1.5m×1.5m拉條鋼筋。

穹頂剝離修型及支護嚴格按分區(qū)進行，上一個分區(qū)支護完成且確保安全的條件下方可進行相鄰分區(qū)的剝離支護施工。

圖4 K25溶洞穹頂開挖支護分區(qū)平面示意

4.1.3 拱形支擋結(jié)構(gòu)調(diào)整方案

根據(jù)實際揭露情況，K25巖溶斜井上部頸縮段外側(cè)，圍巖條件整體較為穩(wěn)定，局部巖壁巖石條件破碎，右上角存在粉質(zhì)粘土區(qū)域，經(jīng)設(shè)計地質(zhì)確認，無施工支擋結(jié)構(gòu)的必要，僅對該部位進行加強支護處理。

頸縮段外側(cè)巖壁坡面部位采用C32，L=12m張拉錨桿進行錨固，間排距1.5m×1.5m。粉質(zhì)土區(qū)域治理采用C32，L=12m張拉錨桿與3C32，L=12m錨筋樁相結(jié)合的方式進行錨固，張拉錨桿外露15cm，錨桿及錨筋樁外露段采用C20混凝土格構(gòu)連接，格構(gòu)混凝土尺寸為40cm×20cm，具體施工布置詳見圖5。對頸縮段外側(cè)巖壁坡面及粉質(zhì)粘土區(qū)域掛6.5mm@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)，噴C20混凝土厚度15cm。

圖5 粉質(zhì)粘土區(qū)域治理布置

4.2 斜井充填物及洞壁修型開挖

K25巖溶斜井揭露洞壁均為溶蝕風化帶，其中上帶一般厚度2m～7m，下帶一般厚度7m～10m，根據(jù)設(shè)計要求，施工過程中需對溶蝕風化上帶進行剝離施工，且盡量減小對溶蝕風化下帶的擾動，保證巖體的穩(wěn)定。

表1 風化帶主要地質(zhì)特征

圖6 裂隙溶蝕風化帶照片

4.2.1 開挖方法確定

在K25巖溶斜井實際下挖施工過程中，由于地質(zhì)條件復雜，充填物巖石破碎且分布不均，隨著斜井的下挖，石方量占有比例增大，充填物無法采用反鏟直接挖除，因溶洞內(nèi)“充填物塊石夾泥/砂、碎塊石架空無法成孔”、“溶蝕風化帶厚度不均勻、無法爆破剝離”、“爆破震動對溶洞洞壁穩(wěn)定性影響較大”及“溶洞距右岸壩肩邊坡距離較近，對爆破質(zhì)點震動速度要求較高”等原因，爆破開挖施工難度較大，且影響施工工期。為減少爆破對溶洞圍巖的擾動，保證溶洞圍巖整體穩(wěn)定及施工安全，在對溶洞內(nèi)充填物開挖及洞壁修型施工過程中，提出采用除特大孤石及倒懸部位凸出的危巖體采用“微小藥量、松動爆破”方式挖除外，其余開挖均以反鏟、破碎錘等機械開挖為主的方式進行開挖。

(1)斜井內(nèi)充填物的挖除

由于溶洞內(nèi)充填物巖石占有比例較大，大塊孤石增多，為減小爆破震動對壩肩邊坡及溶洞的震動影響，保證后續(xù)施工安全，溶洞充填物開挖主要采用液壓破碎錘進行破碎開挖。施工中首先將巖層及大塊孤石采用液壓破碎錘分層破碎，液壓錘型號KCB155，1.2m3反鏟配合清除巖塊及裝渣，20t自卸汽車運至鲹魚河渣場。破碎至周邊洞壁時，暫停破碎，待設(shè)計及地質(zhì)確認剝離層厚度后，按要求對洞壁進行破碎剝離修整施工。

(2)洞壁溶蝕風化上帶剝離施工

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)編錄及補充勘探，充填物清挖后，揭露洞壁為裂隙性溶蝕風化帶，其中上帶一般厚度為2m～7m，巖體質(zhì)量為Ⅳ2級；下帶一般厚度為7m～10m，巖體質(zhì)量為Ⅲ2級。由于風化上帶圍巖穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)剝落、掉塊風險，根據(jù)設(shè)計要求，需對洞壁溶蝕風化上帶及出露的危巖體或倒懸塊體進行剝離修型施工，并保證洞壁的平整平順。

為保證施工安全及避免開挖對溶蝕風化下帶巖體造成擾動影響，洞壁修型開挖采用液壓破碎錘挖除。開挖完成、洞壁支護施工之前，須采用高壓水將洞壁沖洗干凈并滿足設(shè)計及地質(zhì)編錄要求。

4.2.2 功效對比分析

(1)分析原則

溶洞爆破開挖按明挖響炮時間考慮，即早上6∶30～7∶00，晚上18∶00～18∶30，不考慮鉆孔錯過響炮時間因素。

鉆爆開挖不考慮因地質(zhì)條件導致的鉆孔不成孔及重復掃孔的影響時間。

破碎錘開挖按“白班破碎開挖為主、夜班出渣為主”考慮，1h按破碎10m3～16m3考慮。

(2)爆破開挖功效分析

單次爆破方量按200m3考慮，爆破開挖采用手風鉆鉆孔，乳化炸藥松動爆破，藥卷直徑32mm。單次爆破規(guī)?？刂圃?0個炮孔以內(nèi)，炮孔間排距按1.5m×1.5m考慮，孔深約5m，單孔裝藥量約4kg，總炸藥量在96kg以內(nèi)，爆破最大單響藥量在16kg以內(nèi)。

鉆孔作業(yè)時間Td=(NL)/(VmKφ)

式中：Td——鉆孔作業(yè)時間，min；

N——鉆孔數(shù)量，個；

L——炮孔深度，m；

V——純鉆孔速度，m/min；手風鉆取0.15m/min；

m——鉆孔時間利用系數(shù)，一般為0.7～0.9；

K——工作面同時工作的鉆孔設(shè)備數(shù)量；

φ——多個鉆孔設(shè)備同時工作系數(shù)，取0.8～0.9。

根據(jù)以上鉆孔作業(yè)時間公式計算得出，正常情況下每排炮理論鉆孔時間約為7h。

溶洞開挖爆破循環(huán)作業(yè)時間如表2。

表2 溶洞爆破開挖循環(huán)作業(yè)時間

(3)破碎錘開挖功效分析

根據(jù)實際施工過程中經(jīng)驗，溶洞內(nèi)共投入1臺液壓破碎錘，每天出渣量在20～30車內(nèi)，初步預計每小時破碎方量為10m3～16m3，按“白班破碎、晚班出渣考慮”，1臺液壓破碎錘1d按工作12h考慮，破碎錘每天可破碎方量為120m3～200m3。

(4)功效對比

爆破開挖單次爆破方量約200m3，單次循環(huán)時間為13.5h，若考慮鉆孔不成孔、重復掃孔或因鉆孔錯過當日響炮時間等因素影響，單次循環(huán)時間更長。自裝藥開始，溶洞內(nèi)人員、設(shè)備須全部撤離，距離爆破部位較近的風水電管線全部拆除，暫停一切施工，直至響炮安全排險結(jié)束，重新布設(shè)風水電管線后方可繼續(xù)施工，人員設(shè)備窩工情況較為嚴重，造成溶洞內(nèi)施工的不連續(xù)性。且根據(jù)灌漿技術(shù)要求，洞壁灌漿30m范圍內(nèi)嚴禁響炮，由于溶洞內(nèi)空間狹小，導致溶洞開挖支護施工與固結(jié)灌漿施工干擾極大，固結(jié)灌漿占用溶洞開挖直線工期，嚴重影響施工進度。

根據(jù)實際施工情況，采用破碎錘開挖，在12h內(nèi)即可破碎約200m3，且在破碎施工期間，無需對人員設(shè)備進行撤離，可同步進行溶洞內(nèi)固結(jié)灌漿、洞壁支護等施工，對溶洞內(nèi)其他工序施工影響小，根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況，破碎錘開挖基本可滿足支護施工進度，形成良性的循環(huán)，與爆破開挖相比，避免了爆破震動對溶洞圍巖的擾動影響，可最大程度控制洞壁修型開挖的施工質(zhì)量，且可避免人員設(shè)備的窩工及與其他工序的施工干擾，在一定程度上加快施工進度。

4.3 洞壁支護施工

K25巖溶斜井洞壁支護根據(jù)開挖分層高度緊隨開挖進行，支護根據(jù)實際地形情況采用自制臺車或者搭設(shè)施工排架進行。由于巖溶斜井地質(zhì)條件及地形條件較為復雜，洞壁支護需根據(jù)實際揭露洞壁圍巖情況，分區(qū)分部位確定支護參數(shù)。斜井總體支護原則如下：

(1)洞壁清理干凈后，掛φ6.5mm@15cm×15cm鋼筋網(wǎng)、噴12cm/15cm厚C20混凝土。

(2)下游側(cè)倒懸洞壁采用相間布置的系統(tǒng)錨筋樁、張拉錨桿進行支護，系統(tǒng)錨筋樁為3φ32、L=12m錨筋樁，間排距4.5m×4.5m，系統(tǒng)錨筋樁內(nèi)加密、交錯布置φ32、L=12m張拉錨桿(張拉力50kN)，間排距1.5m×1.5m，錨桿及錨筋樁均外露不小于20cm。局部洞壁巖體破碎區(qū)增設(shè)φ18@1.5m×1.5m壓條鋼筋，緊貼壁面掛網(wǎng)鋼筋布置并與系統(tǒng)錨桿、錨筋樁焊接；

(3)洞壁非倒懸、陡坡部位(坡度大于70°)采用規(guī)格為φ32、L=12m和φ28、L=9m相間布置的帶墊板的砂漿錨桿進行系統(tǒng)支護，間排距1.5m×1.5m，外露20cm，安裝后施加5kN的張拉力，洞壁巖體破碎區(qū)增設(shè)φ18@1.5m×1.5m壓條鋼筋，緊貼壁面掛網(wǎng)鋼筋布置并與系統(tǒng)錨桿、錨筋樁焊接；

(4)洞壁非倒懸、陡坡部位(坡度50°～70°)采用規(guī)格為φ28、L=9m和φ28、L=6m相間布置的普通砂漿錨桿進行系統(tǒng)支護，間排距2.5m×2.5m，外露20cm。

以上洞壁系統(tǒng)支護分區(qū)、起止樁號待洞壁清理干凈、編錄完成后由設(shè)計、地質(zhì)人員進行確認，局部洞壁可根據(jù)設(shè)計要求增加錨索、隨機錨桿、隨機錨筋樁等加固措施。

5 安全防護措施

由于巖溶斜井工作區(qū)域狹窄，高差較大，且上、下交叉作業(yè)，在施工中安全防護尤為突出，為了保證施工安全，根據(jù)施工的需要，巖溶斜井進行如下安全防護的施工措施。

(1)配安全員巡視檢查：整個施工過程中，設(shè)立醒目安全警示牌，配置責任心強、素質(zhì)高、經(jīng)驗豐富的專職安全員，24h對施工進行巡視和檢查，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即采取緊急撤離等措施確保施工人員安全。同時在巖溶斜井頂拱及邊墻巖體內(nèi)設(shè)置臨時變形監(jiān)測點和永久變形監(jiān)測儀器，加強對斜井巖體的變形監(jiān)控量測，及時了解掌握圍巖變形情況，包括量測穹頂下沉以及凈空水平收斂。

(2)腳手架操作平臺外側(cè)從下到上搭設(shè)斜爬梯，爬梯寬度為0.6m～1m，踏步高為0.3m，每個踏步采用兩根腳手架鋼管并排鋪設(shè)。腳手架的外側(cè)、通道和作業(yè)平臺均搭設(shè)1.2m高防護欄，并且掛滿密目安全防護網(wǎng)，安全網(wǎng)距離工作面的最大高度不得超過3m。操作平臺上均滿鋪一層竹馬道板，并采用鉛絲綁扎牢固。

(3)在溶洞自上而下開挖支護施工過程中，除根據(jù)設(shè)計要求布置永久變形監(jiān)測點外，在穹頂及下部洞壁上增加臨時變形監(jiān)測點，檢驗圍巖應力和變形情況，驗證支護設(shè)計和施工效果，保證圍巖穩(wěn)定和施工安全，對可能發(fā)生的危及施工安全的隱患或事故提供及時、準確的預報并及時反饋動態(tài)監(jiān)測信息，使有關(guān)各方有時間做出反應、避免事故的發(fā)生。臨時安全監(jiān)測主要采用全站儀遙測技術(shù)定期進行施工期圍巖變形監(jiān)測，通過收斂觀測對圍巖和支護系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)進行監(jiān)控，并將監(jiān)測成果及時上報。

圖7 K25溶洞穹頂及洞壁臨時監(jiān)測點布置示意

6 結(jié)論

K25巖溶斜井高差及跨度大，地質(zhì)條件復雜，屬超大特異性巖溶洞穴，在國內(nèi)水利工程中尚未有同類工程施工經(jīng)驗可參考借鑒。施工中通過對施工方案的不斷摸索、調(diào)整及優(yōu)化，最終形成了一套系統(tǒng)的、可行的開挖支護方案。目前K25巖溶斜井已開挖支護至920m高程并已啟動高程920m以上混凝土回填施工，施工期間未出現(xiàn)任何安全事故，且根據(jù)斜井內(nèi)埋設(shè)的永久監(jiān)測儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)，斜井穹頂及洞壁整體變形不明顯，處于穩(wěn)定狀態(tài)，證明上述方案在斜井內(nèi)施工完全可行，對今后水利工程類似工程施工具備一定的參考及借鑒價值。