巨跨超扁平地下洞庫(kù)建設(shè)方法及實(shí)踐

劉永勝， 洪開(kāi)榮， 卓 越， 楊朝帥， 宋超業(yè)， 劉龍衛(wèi)

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458； 3. 中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300133)

0 引言

隨著完善交通體系建設(shè)、促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展、推進(jìn)軍民融合發(fā)展等國(guó)家重大戰(zhàn)略的提出，超大跨度公路隧道、地下車站，石油、天然氣戰(zhàn)略儲(chǔ)備洞庫(kù)，大型地下國(guó)防工程等相繼實(shí)施。以滿足國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，地下空間開(kāi)發(fā)逐步從淺層進(jìn)入深部，規(guī)模從常規(guī)向超常規(guī)發(fā)展，大跨、巨跨地下空間也逐漸融入經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的需求中。如最大開(kāi)挖跨度為32.7 m、高跨比為0.6的京張高鐵八達(dá)嶺地下車站，海南某開(kāi)挖跨度為44.4 m、高跨比為0.327的超大跨洞庫(kù)等。人類的工程活動(dòng)對(duì)地下工程的跨度和規(guī)模提出了越來(lái)越高的要求，巨跨超扁平大型地下洞庫(kù)的建造挑戰(zhàn)越來(lái)越大，技術(shù)創(chuàng)新也越來(lái)越迫切。

張民慶等[1]、呂剛等[2-3]、劉建友等[4]研究了八達(dá)嶺長(zhǎng)城站超大跨度隧道設(shè)計(jì)施工技術(shù)及隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)；羅基偉等[5]研究了超大跨度隧道預(yù)應(yīng)力錨桿-錨索協(xié)同支護(hù)機(jī)制；劉輝等[6]研究了基于圍巖自承載理論的超大跨硐室設(shè)計(jì)方法；孫玉龍等[7]研究了基于過(guò)程荷載的超大跨扁平地下洞室圍巖壓力計(jì)算方法；于清浩等[8]研究了淺埋超大跨四線高鐵隧道開(kāi)挖力學(xué)特性；吳濤等[9]研究了雙向8車道高速公路隧道施工力學(xué)行為；樊啟祥等[10]研究了白鶴灘水電站地下廠房洞室群施工技術(shù)。然而，上述研究的對(duì)象均為跨度在40 m以下的洞庫(kù)或隧道，對(duì)于跨度在50 m以上的洞庫(kù)，因缺乏實(shí)際依托工程，研究手段多以理論和數(shù)值模擬分析為主，而關(guān)于勘察設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面的工程技術(shù)問(wèn)題則少有涉及。

巨跨地下洞庫(kù)具有跨度巨大、體型高大、扁平的特點(diǎn)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度與質(zhì)量分布不均勻、承受荷載復(fù)雜，且洞室穩(wěn)定性判識(shí)、設(shè)計(jì)理論、地質(zhì)評(píng)估體系、開(kāi)挖支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)與監(jiān)測(cè)等均無(wú)可供參考的經(jīng)驗(yàn)和理論，致使其建設(shè)面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。本文對(duì)巨跨超扁平地下洞庫(kù)從建設(shè)理論、勘察、設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)等方面進(jìn)行系統(tǒng)探討，以期在巨跨超扁平洞庫(kù)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)選取及工程選址、設(shè)計(jì)方法的探索、施工方法的確定、監(jiān)控量測(cè)方案的制定等方面做出有益探索。

1 現(xiàn)狀與難題

1.1 建設(shè)現(xiàn)狀

國(guó)外大跨度地下洞室的建設(shè)起步較早，20世紀(jì)80年代日本第二東明公路初期建設(shè)的3車道隧道斷面面積為113～117 m2，后來(lái)為了適應(yīng)140 km/h的速度要求而規(guī)劃的3車道公路隧道，其斷面面積達(dá)到了170～200 m2，局部高達(dá)230 m2，開(kāi)挖寬度達(dá)23 m。1994年開(kāi)通的英法海峽隧道分叉處斷面的開(kāi)挖寬度達(dá)21.2 m、開(kāi)挖高度達(dá)15.4 m。挪威格喬維克城滑冰場(chǎng)跨度為61 m、高為25 m、長(zhǎng)為91 m，是國(guó)內(nèi)外已知最大的人工洞庫(kù)工程。在過(guò)去的30多年中，國(guó)外在大跨扁平隧道建設(shè)中積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

我國(guó)大跨度洞庫(kù)工程的建設(shè)起步較晚，早期主要集中在水電領(lǐng)域。近年來(lái)，大跨度地下洞庫(kù)和隧道工程建設(shè)發(fā)展較快，無(wú)論是數(shù)量、運(yùn)用領(lǐng)域、建設(shè)規(guī)模，還是修建技術(shù)與建設(shè)速度，都已達(dá)到世界先進(jìn)水平，應(yīng)用范圍也已向交通、國(guó)防、民防、地下商業(yè)等領(lǐng)域拓展。典型超大跨洞室(隧道)如表1所示。

表1 典型超大跨洞室(隧道)

由表1可以看出，國(guó)內(nèi)人工地下洞庫(kù)(隧道)最大跨度為48 m，跨度在50 m以上巨跨洞庫(kù)的建設(shè)缺乏經(jīng)驗(yàn)。巨能攀[11]收集了國(guó)內(nèi)外600個(gè)洞庫(kù)工程的開(kāi)挖尺寸資料，得知在已建洞庫(kù)工程中，跨度在20 m以上的占41.96%，跨度在25 m以上的占15.96%，跨度在10～25 m的占84.04%，跨度超過(guò)25 m的洞庫(kù)以及較差圍巖中跨度在20～25 m的洞庫(kù)工程占比較低。綜合分析交通隧道、水利隧道以及地下洞庫(kù)工程的跨度數(shù)據(jù)，結(jié)合勘察、設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，定義常規(guī)、大跨、超大跨以及巨跨地下洞庫(kù)劃分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 常規(guī)、大跨、超大跨以及巨跨地下洞庫(kù)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2 存在的難題

1.2.1 地質(zhì)及勘察方面

常規(guī)圍巖分級(jí)分類方法對(duì)洞室尺寸效應(yīng)考慮不足，尺寸效應(yīng)放大了地質(zhì)條件對(duì)洞庫(kù)的影響，尤其是巖體結(jié)構(gòu)面特征對(duì)洞庫(kù)穩(wěn)定性的影響顯著。

1.2.2 設(shè)計(jì)方法方面

巨跨超扁平地下洞庫(kù)已超出了相關(guān)規(guī)范中理論分析模型與方法的適用范圍，也無(wú)可以適用的工程經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，無(wú)論是相關(guān)理論，還是實(shí)踐，均帶有一定的探索性，非常有必要依托項(xiàng)目生產(chǎn)及時(shí)開(kāi)展系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究。

1.2.3 開(kāi)挖技術(shù)方面

為保證超大斷面洞庫(kù)施工過(guò)程的安全，在分部方式、開(kāi)挖步距、支護(hù)體系施工、爆破累積損傷控制、爆破允許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、配套工藝工裝等方面均具有極大的挑戰(zhàn)性，施工工藝和成套工裝均需重新研發(fā)。

1.2.4 二次襯砌施工方面

巨跨地下洞庫(kù)二次襯砌工程具有體積大、面積大、自重大、鋼筋密集等特點(diǎn)，混凝土澆筑質(zhì)量、鋼筋混凝土的控裂、防水層的敷設(shè)、工裝配套等方面均無(wú)現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。

1.2.5 監(jiān)測(cè)技術(shù)方面

因項(xiàng)目的特殊性，巨跨洞庫(kù)圍巖在建設(shè)期的穩(wěn)定性判定指標(biāo)很難以常規(guī)洞庫(kù)的收斂和變形指標(biāo)來(lái)判識(shí)，需采用多指標(biāo)判識(shí)方法。

2 巨跨超扁平地下洞庫(kù)理論探討

2.1 既有理論的分析

地下工程中有2大理論體系： 一種是“松弛荷載理論”，另一種是“現(xiàn)代支護(hù)理論”。按照普氏理論，無(wú)論圍巖強(qiáng)度大小、隧道跨度大小以及何種洞室形狀，只要有足夠的埋深，都會(huì)在拱頂發(fā)生塌落破壞并形成壓力拱，洞室隨之達(dá)到自穩(wěn)狀態(tài)。這些結(jié)論只是在一定條件下才具有適用性，而在更多的情況下并不符合實(shí)際。對(duì)于巨跨超扁平洞庫(kù)而言(以跨度為70 m、Ⅲ級(jí)圍巖為例)，以普氏理論計(jì)算出來(lái)的圍巖松散壓力達(dá)350 kN，70 m跨度條件下，幾乎無(wú)法匹配這么大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，普氏理論在巨跨地下洞庫(kù)中無(wú)法應(yīng)用?！艾F(xiàn)代支護(hù)理論”的核心內(nèi)容是巖體自身有承載自穩(wěn)能力，圍巖失穩(wěn)有一個(gè)過(guò)程，如果在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提供給圍巖必要的支護(hù)，則圍巖仍能保持穩(wěn)定?！八沙诤奢d理論”注重結(jié)果和對(duì)結(jié)果的處理，而“現(xiàn)代支護(hù)理論”注重過(guò)程和對(duì)過(guò)程的控制，即強(qiáng)調(diào)對(duì)圍巖自承能力進(jìn)行充分的保護(hù)和利用。2大理論體系在原理和方法上有著不同的特點(diǎn)，前者對(duì)應(yīng)荷載結(jié)構(gòu)法，后者對(duì)應(yīng)地層結(jié)構(gòu)法。

新奧法原理在常規(guī)跨度的地下工程中運(yùn)用非常廣泛，其核心理念是充分發(fā)揮圍巖的承載能力，因其結(jié)構(gòu)的支護(hù)基礎(chǔ)是被動(dòng)適應(yīng)、變形協(xié)調(diào)，故變形控制為被動(dòng)抵抗圍巖變形，支護(hù)時(shí)機(jī)上屬于伺機(jī)支護(hù)。新奧法支護(hù)體系為噴+錨+拱+網(wǎng)，屬于淺層、被動(dòng)支護(hù)，支護(hù)力為面力。對(duì)于巨跨地下洞庫(kù)而言有2大難題： 一是因其尺寸巨大，若采用新奧法原理，圍巖釋放一定的變形，則需要?jiǎng)偠染薮蟮闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)才能滿足圍巖和結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)變形，然而，對(duì)于巨跨洞室，現(xiàn)有的初期支護(hù)手段尚不能提供如此巨大剛度的抗力，因此，極易發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的情況；二是以變形為前提的被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能有效、及時(shí)地對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)加固，容易造成圍巖不可逆轉(zhuǎn)的劣化，從而導(dǎo)致洞室圍巖失穩(wěn)。

2.2 隧道解重構(gòu)場(chǎng)理論

隧道開(kāi)挖必然會(huì)造成圍巖賦存環(huán)境的改變，包括地應(yīng)力、地下水與地溫等的變化，以及圍巖物理力學(xué)性能的變化，這種應(yīng)力和介質(zhì)特性的變化過(guò)程可稱為“解構(gòu)”；采用各種支護(hù)手段使圍巖的劣化與賦存環(huán)境的變化可控的過(guò)程稱之為“重構(gòu)”。由于修建隧道而發(fā)生變化的巖土體及其賦存環(huán)境統(tǒng)稱為隧道解重構(gòu)場(chǎng)。

現(xiàn)有的隧道支護(hù)體系在洞周提供徑向約束，使洞室圍巖的力學(xué)特性在一定程度上有所改善,但由于支護(hù)抗力僅作用于洞壁表面，支護(hù)體系是被動(dòng)抵抗圍巖的變形，本質(zhì)上還是“被動(dòng)支護(hù)”[12]。對(duì)于巨跨超扁平地下洞庫(kù)而言，支護(hù)理念宜由抗變轉(zhuǎn)變?yōu)榭刈?，一是控制圍巖物理力學(xué)性能的劣化，二是主動(dòng)地誘導(dǎo)圍巖的應(yīng)力調(diào)整。隧道解重構(gòu)場(chǎng)理論的核心理念是：“通過(guò)預(yù)應(yīng)力錨索等主動(dòng)支護(hù)手段，即時(shí)誘導(dǎo)圍巖應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整和控制圍巖介質(zhì)的劣化來(lái)主動(dòng)控制圍巖，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體系對(duì)圍巖的主動(dòng)支護(hù)”。該理論要求主動(dòng)控制圍巖變形，實(shí)現(xiàn)立即支護(hù)，支護(hù)力為體積力。主動(dòng)支護(hù)和被動(dòng)支護(hù)應(yīng)力狀態(tài)見(jiàn)圖1。

3 巨跨地下洞庫(kù)地質(zhì)關(guān)鍵性參數(shù)及地質(zhì)評(píng)判分析

3.1 關(guān)鍵性地質(zhì)參數(shù)的遴選

運(yùn)用正交試驗(yàn)方法，對(duì)巖石強(qiáng)度、地下水、結(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面傾角、計(jì)算摩擦角、地應(yīng)力、洞庫(kù)跨度、高跨比、地震烈度等9個(gè)地質(zhì)參數(shù)和幾何參數(shù)進(jìn)行洞庫(kù)穩(wěn)定性分析，得到了各參數(shù)的影響規(guī)律。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)情況如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)情況

通過(guò)采用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)影響巨跨超扁平地下洞庫(kù)圍巖分級(jí)與圍巖穩(wěn)定性的影響因子進(jìn)行多因素敏感性分析。首先,通過(guò)離散元(DEM)、極限平衡法等方法建立數(shù)學(xué)模型，以反算的方式研究結(jié)構(gòu)面空間產(chǎn)狀、強(qiáng)度特征、初始地應(yīng)力環(huán)境條件等巖體綜合工程地質(zhì)特征的變化引起洞庫(kù)變形的范圍，從而確定地質(zhì)參數(shù)的權(quán)重因子;其次,通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法確定關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)與洞室穩(wěn)定性的定量關(guān)系；最終,遴選出跨度、高跨比、節(jié)構(gòu)面間距、結(jié)構(gòu)面傾角、摩擦角、地應(yīng)力是影響圍巖穩(wěn)定性的顯著因素(見(jiàn)圖2)。

圖2 各參數(shù)權(quán)重值

3.2 選址原則

1)權(quán)重規(guī)律： 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀>地應(yīng)力>跨度>高跨比>摩擦角。2)側(cè)壓力系數(shù)為1.5～3.0，且結(jié)構(gòu)面傾角小于15°或大于45°、結(jié)構(gòu)面走向與洞庫(kù)軸線夾角大于60°時(shí)，成洞穩(wěn)定性好。

4 巨跨地下洞庫(kù)設(shè)計(jì)方法探討

4.1 設(shè)計(jì)方法的選擇

巨跨地下洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)方法一般包括定性分析和定量分析2類。為實(shí)現(xiàn)巨跨地下洞庫(kù)設(shè)計(jì)方法的科學(xué)化、精細(xì)化，通過(guò)引入具有嚴(yán)格物理力學(xué)意義的定量指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)巨跨地下洞庫(kù)定量化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)數(shù)值分析，結(jié)合圍巖整體、塊體穩(wěn)定分析法，為關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)的定量化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，同時(shí)緊密結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，做好反饋分析的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。目前針對(duì)巨跨地下洞庫(kù)結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外類似工程經(jīng)驗(yàn)極少，設(shè)計(jì)方法選擇上主要采用“以數(shù)值計(jì)算為主，類似大跨經(jīng)驗(yàn)為參考，施工監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)反饋調(diào)整”相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)方法。

通過(guò)構(gòu)建施工階段圍巖穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)體系，以參數(shù)化形式確定在滿足指標(biāo)體系條件下，大跨洞室能夠做到安全快速修建，為巨跨超扁平洞室安全修建提供理論保障。首先，確定施工階段巨跨地下洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)項(xiàng)目，包括整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性2個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目又分為變形指標(biāo)(變形值及變形速率)、強(qiáng)度指標(biāo)(剪切強(qiáng)度、塑性區(qū)等)、關(guān)鍵塊體的滑移形式和安全系數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力指標(biāo)等若干子項(xiàng)目；然后，通過(guò)資料調(diào)研及理論分析，選取合適的巖石及結(jié)構(gòu)面彈塑性本構(gòu)、破壞準(zhǔn)則，結(jié)合工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各子項(xiàng)目的指標(biāo)控制值進(jìn)行參數(shù)化評(píng)價(jià)；最后，根據(jù)整體及局部穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)施工階段洞室結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。巨跨地下洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖3。

圖3 巨跨地下洞庫(kù)圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程

4.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

巨跨超扁平地下洞庫(kù)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)有： 1)巨跨超扁平地下洞庫(kù)采用預(yù)留中巖柱的分部開(kāi)挖工法，中巖柱拆除后不確定風(fēng)險(xiǎn)高。2)穿越斷層破碎帶段存在較大塊體掉落風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)挖后支護(hù)難度高、成洞風(fēng)險(xiǎn)大。3)洞內(nèi)交叉段工序轉(zhuǎn)換復(fù)雜，對(duì)支護(hù)系統(tǒng)跟進(jìn)及爆破振速要求高。4)洞口高邊坡施工，開(kāi)挖及支護(hù)難度大，超小覆蓋層進(jìn)洞風(fēng)險(xiǎn)高，質(zhì)量要求極高。5)巨跨超扁平地下洞庫(kù)洞口段的設(shè)計(jì)難度極大。6)裂隙巖體中巨跨地下洞庫(kù)系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)確定難度大。

4.3 設(shè)計(jì)原則

1)應(yīng)采用主動(dòng)、及時(shí)的噴+錨+網(wǎng)柔性支護(hù)體系。2)采用橫向分塊+豎向分層+預(yù)留中巖柱的開(kāi)挖方法，明確開(kāi)挖順序，保障工序順暢。3)細(xì)化系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)的定量化設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)錨索+系統(tǒng)錨桿的支護(hù)方案安全合理，匹配現(xiàn)場(chǎng)施工工序。4)結(jié)合洞口仰坡設(shè)計(jì)，科學(xué)制定洞口段開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)方案，洞內(nèi)、洞外支護(hù)相結(jié)合，保障洞口淺埋段安全成洞。5)二次襯砌采用貼壁式設(shè)計(jì)，不承擔(dān)水土壓力，只承擔(dān)圍巖殘余應(yīng)變和不均勻沉降引發(fā)的內(nèi)力。

5 巨跨地下洞庫(kù)工程建設(shè)實(shí)踐

巨跨超扁平地下洞庫(kù)的施工方法沒(méi)有可供參考的工程經(jīng)驗(yàn)，其施工過(guò)程的力學(xué)行為研究尤為重要。為保證超大斷面洞庫(kù)施工過(guò)程的安全，在分部方式、開(kāi)挖步距、支護(hù)體系施工、爆破累積損傷控制、配套工藝工裝等方面均具有極大的挑戰(zhàn)性，需進(jìn)行深入研究及探索，相關(guān)施工工藝工裝需重新研發(fā)。

5.1 工程概況

某巨跨地下洞庫(kù)工程圍巖巖體較完整，屬于硬質(zhì)巖。圍巖局部有節(jié)理切割的大塊或巨塊體，整體Ⅱ級(jí)，局部Ⅲ級(jí)。地下水主要為地表降水向山體內(nèi)滲流，水位在隧底以下。洞庫(kù)開(kāi)挖跨度遠(yuǎn)大于50 m，矢跨比0.21，側(cè)壓力系數(shù)約為2.67，屬于典型的巨跨超扁平地下洞庫(kù)工程，滿足3.2節(jié)的選址原則。

5.2 設(shè)計(jì)方案

洞庫(kù)采用噴+錨+網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)。噴射混凝土厚度20 cm，強(qiáng)度C25，鋼筋網(wǎng)φ8@15 cm×15 cm，網(wǎng)噴混凝土柔性太大，設(shè)計(jì)中不考慮其承載力；拱部和邊墻設(shè)計(jì)系統(tǒng)錨桿(6 m@2.4 m×1.2 m)，拱部設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力錨索18 m@4.8 m×4.8 m，錨固段長(zhǎng)9 m。鋼絞線為9×25孔、fptk=1 860 MPa，錨索軸力設(shè)計(jì)值為1 500 kN。二次襯砌為離壁式結(jié)構(gòu)，拱部混凝土截面厚度為120 cm，兩側(cè)邊墻厚度為2.0 m，底板厚度為2 m，混凝土強(qiáng)度為C60。巨跨超扁平地下洞庫(kù)設(shè)計(jì)施工圖見(jiàn)圖4。

巨跨地下洞庫(kù)采用分塊分幅開(kāi)挖，在導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后立即采用預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿支護(hù)，對(duì)已開(kāi)挖巖體進(jìn)行及時(shí)主動(dòng)支護(hù)。巖柱開(kāi)挖前(成跨之前)，大部分部位形成了預(yù)加固，巖柱拆除瞬間，預(yù)應(yīng)力加固體系發(fā)揮作用，抑制圍巖變形，維護(hù)圍巖穩(wěn)定。

5.3 開(kāi)挖方案

巨跨地下洞庫(kù)開(kāi)挖方法的選擇必須考慮開(kāi)挖工況圍巖的穩(wěn)定性，分塊分幅開(kāi)挖是必然的選擇。預(yù)留巖柱支撐法是根據(jù)圍巖質(zhì)量等級(jí)和開(kāi)挖跨度大小確定合理的開(kāi)挖分割塊，同時(shí)相鄰分割塊之間預(yù)留原巖作為洞庫(kù)的支撐體系，確保不同施工階段的圍巖都處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。預(yù)留巖柱支撐法常用的有預(yù)留單巖柱支撐法、預(yù)留雙巖柱支撐法和預(yù)留多巖柱支撐法。

在開(kāi)挖方法選擇方面，需重點(diǎn)考慮斷面分塊形式和尺寸以及臨時(shí)支撐的設(shè)計(jì)和拆除2個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

序號(hào)表示開(kāi)挖順序，下同。

5.3.1 斷面分塊形式和尺寸

分塊數(shù)量越多,單個(gè)開(kāi)挖部尺寸越小,支護(hù)結(jié)構(gòu)施作越及時(shí)，洞庫(kù)穩(wěn)定性越好，安全風(fēng)險(xiǎn)越低，但分塊數(shù)量多會(huì)導(dǎo)致工序復(fù)雜、圍巖擾動(dòng)次數(shù)多、機(jī)械化作業(yè)效率低、進(jìn)度慢，經(jīng)濟(jì)性不高。平衡安全性和經(jīng)濟(jì)性的矛盾，是開(kāi)挖方法選擇的首要問(wèn)題。

5.3.2 巖柱的設(shè)計(jì)與拆除

對(duì)于預(yù)留巖柱支撐，除了根據(jù)巖柱承受的圍巖荷載來(lái)確定巖柱個(gè)數(shù)、巖柱尺寸和巖柱加固參數(shù)外，拆除巖柱是整個(gè)施工的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)合理的巖柱拆除方案、步序、進(jìn)尺等，對(duì)施工安全有決定性影響。預(yù)留巖柱開(kāi)挖法示意圖見(jiàn)圖5。

圖6 巨跨超扁平地下洞庫(kù)雙向?qū)ν诓鸪龓r柱支撐施工示意圖

5.4 殼體型大體積二次襯砌混凝土澆筑方案

5.4.1 澆筑難點(diǎn)

1)巨跨洞庫(kù)二次襯砌混凝土最大厚度可達(dá)2 m，單組混凝土澆筑量可達(dá)1 500 m3，屬大體積混凝土施工，對(duì)混凝土抗裂性能提出極高的要求。

2)二次襯砌鋼筋設(shè)置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極易產(chǎn)生大面積空洞。

3)巨跨地下洞庫(kù)拱部呈蟶殼形，拱部為水平狀，極其不利于混凝土填充，且無(wú)振搗條件。

5.4.2 控制方法

5.4.2.1 控裂方法

1)溫度控制。采取措施有效降低混凝土自身水化熱峰值，控制混凝土內(nèi)外溫差及溫降梯度速率,防止溫度效應(yīng)導(dǎo)致的開(kāi)裂。

規(guī)劃區(qū)域位于渠北運(yùn)西片中部，區(qū)域上游有排澇面積24.57km2，下游有排澇面積49.77km2，區(qū)域內(nèi)排水河道既要保證上游澇水的安全下泄，又不能增加下游的排澇壓力，起到承上啟下的作用。

2)外部施加應(yīng)力控制。提高支撐體剛度,盡量減小頂部水平段混凝土澆筑期間支架變形量；采取適當(dāng)工藝加快封頂速度，在滿足水化熱控制基礎(chǔ)上盡量延長(zhǎng)混凝土初凝時(shí)間,使支架變形在底部混凝土處于可塑狀態(tài)下完成,消除外部應(yīng)力引起的開(kāi)裂。

3)采用“先墻后拱”的方式進(jìn)行二次襯砌施工。

5.4.2.2 不密實(shí)控制方法

采用自密實(shí)混凝土解決不密實(shí)難題，經(jīng)大量配比和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析，得出巨跨地下洞庫(kù)混凝土配合比，如表4所示。

表4 自密實(shí)混凝土配合比

表4中： 粉煤灰等級(jí)為Ⅰ級(jí)，檢測(cè)指標(biāo)符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的相關(guān)要求；細(xì)骨料宜采用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好、吸水率低、孔隙率較小的Ⅱ區(qū)中河砂；粗骨料宜選用粒性良好、質(zhì)地堅(jiān)固、線脹系數(shù)小、級(jí)配良好的碎石，級(jí)配采用5～10 mm、10～20 mm的單粒級(jí)配摻配使用，最大公稱粒徑不大于20 mm；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑；改性劑采用增黏劑，技術(shù)指標(biāo)符合TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

5.5 防水層施工方案

巨跨地下洞庫(kù)宜修建在地下水位以上，設(shè)置防排水體系有2個(gè)目的： 一是保持洞室干燥，確保達(dá)到一級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)；二是疏排雨季通過(guò)裂隙滲透的地表降水。為此，巨跨洞庫(kù)設(shè)置了防水層+環(huán)向盲溝+縱向排水管(溝)+復(fù)合土工膜的完整防排水體系。

5.5.1 巨跨地下洞庫(kù)防水層施工重難點(diǎn)

1)大跨度、大面積防水層的快速鋪設(shè)以及搭接處理難題。2)系統(tǒng)錨桿密集穿透防水層，常規(guī)防水板無(wú)法實(shí)現(xiàn)防水要求。3)初期支護(hù)混凝土表層鋼纖維外露，易刺破防水層。

5.5.2 解決方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工況適用性及材料性能對(duì)比,快凝瀝青橡膠噴涂防水材料具備較強(qiáng)的不透水性、斷裂伸長(zhǎng)率、彈性恢復(fù)率、耐沖模及抗沖刺性能，且能與復(fù)合土工膜良好黏結(jié)；因此，巨跨地下洞庫(kù)采用“復(fù)合土工膜+3 mm厚瀝青橡膠防水涂層”方案可滿足防水要求。

5.6 監(jiān)測(cè)方案

5.6.1 監(jiān)控量測(cè)難點(diǎn)和要點(diǎn)

1)巨跨地下洞庫(kù)具有跨度巨大、結(jié)構(gòu)扁平等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有類似的工程監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)，施工期監(jiān)控量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)需要重新制定，運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)安全和圍巖穩(wěn)定也需進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和評(píng)估。2)巨跨地下洞庫(kù)施工期和運(yùn)營(yíng)期監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目需重新確定，如表5所示。3)采用分塊分幅的形式爆破開(kāi)挖，應(yīng)力場(chǎng)多次擾動(dòng)、多次平衡，監(jiān)控量測(cè)規(guī)律復(fù)雜。

表5 臨時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和永久監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

5.6.2 監(jiān)測(cè)規(guī)律分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)，得到了洞庫(kù)拱頂沉降規(guī)律，典型的拱頂沉降曲線見(jiàn)圖7。

圖7 典型的拱頂沉降曲線

由圖7可以看出： 1)沉降量的絕對(duì)值大，且隨著開(kāi)挖工況的改變，變形曲線出現(xiàn)多次增幅和收斂。2)沉降速率大，為集中爆發(fā)型，且在同一洞庫(kù)斷面上變化明顯。

6 結(jié)論與建議

地下洞庫(kù)的跨度在不斷增大，也在不斷挑戰(zhàn)著地下洞庫(kù)的建設(shè)水平。本文的研究和實(shí)踐表明，50 m及以上巨跨地下洞庫(kù)是可以安全、快速修建的，得到的主要結(jié)論與建議如下。

1)巨跨超扁平地下洞庫(kù)成洞的關(guān)鍵是充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，主動(dòng)、及時(shí)的支護(hù)是保障圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2)巨跨超扁平地下洞庫(kù)尺寸效應(yīng)給勘察設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)了極大的影響。結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、地應(yīng)力、跨度、高跨比、摩擦角是影響圍巖穩(wěn)定的顯著因素。洞庫(kù)宜修建在地下水位以上。

3)巨跨超扁平地下洞庫(kù)應(yīng)采用噴+錨+網(wǎng)柔性支護(hù)體系。支護(hù)參數(shù)的選取需以數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，并結(jié)合監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整。

4)巨跨地下洞庫(kù)的開(kāi)挖須采用“橫向間隔分塊、縱向梯次并進(jìn)”的理念，確保開(kāi)挖工況的穩(wěn)定性。

5)巨跨地下洞庫(kù)的建設(shè)具有重大技術(shù)挑戰(zhàn)性，跨度在50 m以上的洞庫(kù)建設(shè)樣本稀缺，主動(dòng)支護(hù)理論、巨跨洞庫(kù)設(shè)計(jì)方法以及洞庫(kù)運(yùn)營(yíng)期的穩(wěn)定性和安全性均須進(jìn)一步明確和確認(rèn)，建議后續(xù)做進(jìn)一步研究。本文提出的巨跨超扁平地下洞庫(kù)的定義及相關(guān)結(jié)論是在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上提煉總結(jié)而來(lái)，供各位同行商榷。