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)行快速開挖十分重要。筆者介紹了一種大型地下洞室快速開挖施工方法。

2 大型地下洞室快速開挖施工方法

2.1 施工布置

大型地下洞室開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圖1。

2.2 常規(guī)開挖方法

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

(2)第Ⅰ層開挖完成后，自第一層施工通道1開始修建下坡道(施工道路坡度不得超過15%)至施工通道2。全面展開中部拉槽的開挖施工，待下坡道路開挖至施工通道2時(shí)開始進(jìn)行上、下游側(cè)保護(hù)層的錯(cuò)距開挖。預(yù)留下坡施工道路是第Ⅱ?qū)娱_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_挖完成后，利用施工支洞2作為第Ⅲ層開挖的施工通道，進(jìn)行上、下游預(yù)留保護(hù)層的錯(cuò)距開挖(圖4)。

圖4 大型地下洞室第Ⅲ層常規(guī)開挖方法示意圖

常規(guī)開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)行開挖而影響開挖進(jìn)度，同時(shí)，第Ⅱ?qū)娱_挖時(shí)需考慮上、下游保護(hù)層開挖出渣通道問題，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_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 快速開挖方法的要點(diǎn)

(1)快速開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)洞開挖后再反向擴(kuò)挖，最后進(jìn)行全斷面開挖。同時(shí)，第Ⅲ層利用施工通道2進(jìn)行中導(dǎo)洞開挖(圖5)。

圖5 大型地下洞室第Ⅰ層、第Ⅲ層開挖示意圖

(3)當(dāng)?shù)冖駥尤珨嗝骈_挖和第Ⅲ層導(dǎo)洞開挖完成后，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)行人工開挖(圖6)。

圖6 大型地下洞室第Ⅱ?qū)訉?dǎo)井開挖示意圖

(4)導(dǎo)井開挖完成后，第Ⅱ?qū)右栽搶?dǎo)井作為臨空面進(jìn)行錯(cuò)距開挖(開挖方式采取“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)，具體情況見圖7～9。

圖7 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_挖示意圖1

圖8 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_挖示意圖2

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

以上開挖方式克服了第Ⅱ?qū)娱_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)距開挖布置即可實(shí)施快速開挖施工，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 快速開挖施工方法之相關(guān)施工關(guān)系說明

圖9 大型地下洞室第Ⅱ?qū)娱_挖順序剖面圖

圖10 大型地下洞室第Ⅲ層預(yù)留保護(hù)層開挖示意圖

(1)第Ⅰ層開挖完成后，必須完成Ⅰ層的相關(guān)支護(hù)方可進(jìn)行Ⅱ?qū)拥拈_挖。Ⅱ?qū)?、Ⅲ層的支護(hù)利用開挖浮渣平臺(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)開挖以及Ⅰ層與Ⅲ層相向開挖過程中，按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》SL378-2007中13.2.6(當(dāng)相向開挖的兩個(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，單向開挖貫通)執(zhí)行。

(3)導(dǎo)井采用正反混合法由人工開挖，按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(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_挖時(shí)一定要避免頂部過車或堆積其它重物，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層邊墻的開挖質(zhì)量，根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》SL378-2007中的5.6.5(特殊部位開挖，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挖取得了較好的效果。該尾閘洞位于主變洞下游，開挖尺寸為110 m×7.8 m×18.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，尾閘洞典型開挖斷面為城門洞型，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，石方開挖總方量為15 526.64 m3，混凝土總方量為1 586 m3。尾閘洞開挖原進(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)尾閘洞的開挖施工進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)開挖施工無法達(dá)到工期要求。為滿足工期要求，尾閘洞開挖采用了筆者所述的大型地下洞室快速開挖方法。開挖過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挖。與傳統(tǒng)開挖工期相比，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_挖。采用傳統(tǒng)開挖方法導(dǎo)致第Ⅱ?qū)娱_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挖施工方法很好地解決了兩大因素。大型地下洞室快速開挖施工方法利用第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_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_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挖施工方法，尾閘洞開挖成型質(zhì)量良好，邊墻殘孔率為93.3%，開挖單元評(píng)定優(yōu)良率為98.2%。

5 效益分析

(1)開挖質(zhì)量。

大型地下洞室快速開挖施工方法預(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挖施工方法增大了第Ⅱ?qū)?、第Ⅲ層開挖臨空面，大大降低了炸藥單耗問題，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挖施工方法雖然增加了資源投入，但大大減少了開挖時(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挖施工方法提高了大型洞室的開挖質(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挖施工方法在地下洞室主變洞和地下廠房中的應(yīng)用。