(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程地質(zhì)情況及水文條件

溧陽抽水蓄能電站地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜，地層內(nèi)斷層發(fā)育，斷層主要通過勘探平洞揭露，共揭露大小斷層共111條。廠區(qū)圍巖主要為泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。巖層褶皺強(qiáng)烈，斷裂錯(cuò)動(dòng)頻繁，受巖層褶皺及斷層錯(cuò)動(dòng)影響，廠區(qū)巖層產(chǎn)狀變化較大，大部分地段巖層傾角較陡。巖石節(jié)理發(fā)育，且受巖層產(chǎn)狀影響較大，發(fā)育方向分散，規(guī)律性較差，難以找出優(yōu)勢節(jié)理組。主要節(jié)理間距為0.2～0.5m，且節(jié)理密集帶較多，大部分節(jié)理的延伸受層面限制而出露較短小，近70%的節(jié)理傾角大于60°，少部分節(jié)理切層發(fā)育。廠區(qū)整體圍巖巖性相對較單一，圍巖質(zhì)量主要受斷層及層間錯(cuò)動(dòng)帶分布及節(jié)理裂隙發(fā)育程度的影響，巖體多屬于鑲嵌結(jié)構(gòu)或鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，以Ⅲ2～Ⅳ類為主兼有部分Ⅴ類圍巖。

2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)

為更準(zhǔn)確地掌握施工區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)情況，采取合理的工程措施，防止塌方等事故發(fā)生，需采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)措施進(jìn)行地質(zhì)預(yù)判，為后續(xù)施工提供可靠的地質(zhì)參數(shù)。

2.1 TRT6000預(yù)報(bào)系統(tǒng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1.1 TRT6000預(yù)報(bào)系統(tǒng)原理

TRT6000預(yù)報(bào)系統(tǒng)采用的是地震波超前預(yù)報(bào)法。通過錘擊產(chǎn)生的地震波在隧洞洞周的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到地質(zhì)界面，如斷層、破碎帶和溶洞等不良地質(zhì)體時(shí)，部分地震波會(huì)被地質(zhì)界面反射回來，反射地震波到達(dá)傳感器后被主機(jī)接收并記錄，經(jīng)TRT6000地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)處理分析，可得到隧洞掌子面前方地質(zhì)體的層析掃描三維圖像，從而判別隧洞掌子面前方是否存在不良地質(zhì)體以及不良地質(zhì)體的位置。

2.1.2 現(xiàn)場預(yù)報(bào)分析

為進(jìn)一步獲取溧陽地下廠房、主變洞等大型地下洞室地質(zhì)及水文情況，在洞室開挖前和洞室開挖過程中分別進(jìn)行了5次TRT6000地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

TRT6000層析掃描成像圖見圖1。

圖1 TRT6000層析掃描成像俯視圖注 圖中每小格體積為10m×10m×10m；圖中藍(lán)色代表低阻抗，黃色代表高阻抗，阻抗為密度和波速的乘積，低阻抗說明其密度相對小，高阻抗說明其密度相對大。

根據(jù)TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)成像分析，并結(jié)合地質(zhì)勘查資料得出預(yù)報(bào)結(jié)論，見表1，預(yù)報(bào)距離為216m。

表1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果

2.1.3 TRT6000地質(zhì)預(yù)報(bào)總體評價(jià)

通過在施工前和施工過程中，采用TRT6000地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對施工掌子面進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，及時(shí)了解施工環(huán)境的地質(zhì)條件和圍巖狀況，從而進(jìn)一步優(yōu)化或改進(jìn)施工方法，必要時(shí)采取相應(yīng)的超前支護(hù)措施進(jìn)行圍巖加固，能有效避免在施工中出現(xiàn)大面積滑塌或塌方。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)

2.2.1 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)依據(jù)電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作，當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射。使用相應(yīng)處理軟件進(jìn)行資料分析，最終得到各測線的成果圖，以此進(jìn)行分析評價(jià)工作。

2.2.2 現(xiàn)場預(yù)報(bào)分析

為進(jìn)一步校核和印證TRT6000預(yù)報(bào)系統(tǒng)超前預(yù)報(bào)成果，在洞室開挖期間，采用地質(zhì)雷達(dá)在廠房頂拱上部8m廊道向下對地下廠房樁號0+53～0+83段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

地質(zhì)雷達(dá)成像圖見圖2。

圖2 樁號0+53～0+67與樁號0+67～0+83雷達(dá)波形圖

根據(jù)圖2分析可知：

a.結(jié)合地勘資料及雷達(dá)成像綜合分析，在8m廊道下方深度18m左右，可能存在斷層、裂隙；在8m灌漿廊道下方深度35m左右，可能為F54斷層。

b.預(yù)報(bào)樁號段可能出現(xiàn)斷層或裂隙，建議開挖過程中加強(qiáng)施工安全措施。

2.2.3 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)總體評價(jià)

通過地質(zhì)雷達(dá)對疑似廠房F54斷層的部位進(jìn)行掃描預(yù)判，結(jié)合TRT6000預(yù)報(bào)結(jié)果，對廠房F54斷層的發(fā)育性狀、影響范圍等有了更進(jìn)一步的了解，為后續(xù)該部位施工時(shí)提出了預(yù)警信號，并以此作為施工方案調(diào)整的依據(jù)，提前做出方案調(diào)整和應(yīng)對措施，確保施工安全和工程安全。

2.3 超前探洞地質(zhì)勘探

在施工過程中，根據(jù)原地質(zhì)勘探成果和TRT6000超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，在主廠房上游邊導(dǎo)洞施工臨近F54斷層時(shí)，為進(jìn)一步了解F54斷層分布情況和性狀，提前以超前探洞的方式穿越F54斷層。超前探洞布置示意圖見圖3。

通過現(xiàn)場實(shí)際勘查，穿越主廠房、主變洞的F54斷層帶由紅褐色(灰白色)斷層泥和碎裂巖、角礫巖組成。現(xiàn)場所揭露的F54斷層破碎及影響帶寬度較原地勘時(shí)有一定變化，總寬度為3.7～12.2m，其中斷層破碎帶寬1.5～4.5m，上盤影響帶寬1.5～6.8m，總體影響范圍較原地勘情況加大。具體揭露情況見圖4。

經(jīng)現(xiàn)場施工超前探洞后，設(shè)計(jì)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際揭露的地質(zhì)情況，對主廠房F54斷層段的廠頂支護(hù)作出了相應(yīng)調(diào)整，加大支護(hù)力度，以此提高該斷層的穩(wěn)定性，防止因系統(tǒng)支護(hù)薄弱而失穩(wěn)。同時(shí)，針對揭露的實(shí)際地質(zhì)條件，施工方法和方式也作出了相應(yīng)調(diào)整，采取超前預(yù)支護(hù)、快速封閉、短進(jìn)尺、預(yù)留核心土等具體措施進(jìn)行F54斷層施工。

圖3 主廠房F54斷層超前探洞示意圖 (單位：mm)

圖4 超前探洞揭露的F54斷層性狀

3 頂拱層開挖分層分區(qū)

鑒于溧陽地下廠房地質(zhì)條件復(fù)雜，結(jié)合中導(dǎo)洞法和邊導(dǎo)洞法對地質(zhì)條件的適用情況，并經(jīng)多次專家咨詢論證后，確定溧陽地下廠房頂拱層開挖采用“兩側(cè)導(dǎo)洞領(lǐng)先、中墩擴(kuò)挖跟進(jìn)”的方式進(jìn)行施工。

主廠房頂拱層分層高度為7.75m，高程為-16.05～-23.8m。具體分層分區(qū)及效果見圖5。

NRDS臨床中又稱為新生兒肺透明膜病，常由新生兒PS分泌不足、肺發(fā)育不成熟、肺泡塌陷[7]。NRDS患兒常出現(xiàn)肺泡換氣功能不足，通氣量不足及二氧化碳潴留導(dǎo)致患兒出現(xiàn)呼吸衰竭，并是導(dǎo)致早產(chǎn)兒死亡的主要原因之一[8]。一般情況下，采用機(jī)械通氣和PS干預(yù)后，可有效改善NRDS患兒病情，降低患兒病死率。但有研究指出，采用氣管插管行機(jī)械通氣治療后常導(dǎo)致患兒出現(xiàn)聲帶損傷、肺損傷、肺部感染、氣胸等風(fēng)險(xiǎn)不容忽視[9]。歐洲新生兒NRDS防治指南中應(yīng)盡可能避免行機(jī)械通氣或極可能減少機(jī)械通氣時(shí)間，以減少肺部損傷。BiPAP是近年來臨床中逐步推廣應(yīng)用的治療NRDS方法，并得到諸多專家認(rèn)可[10]。

圖5 主廠房頂拱層分層分區(qū)及效果圖 (單位：mm)

頂拱開挖總面積為154.2m2；兩側(cè)導(dǎo)洞寬8.59m，高6.905m，開挖面積44.5m2；中墩寬8.32m(下部)，高7.75m，開挖面積65.3m2。

采取上述分區(qū)主要考慮多臂鉆、濕噴臺(tái)車等大型支護(hù)設(shè)備的操作空間以及系統(tǒng)錨桿長度等因素；另外，上述分區(qū)可保證在每個(gè)分區(qū)內(nèi)有兩排對穿錨索，在開挖成型后，可及時(shí)進(jìn)行對穿錨索施工，確保施工安全和工程安全。中墩部位采用半徑2.5m的圓弧進(jìn)行過渡，其主要目的是減少兩側(cè)導(dǎo)洞開挖后中墩的應(yīng)力集中以及提高兩側(cè)導(dǎo)洞頂拱的拱形效應(yīng)。

4 頂層作業(yè)循環(huán)參數(shù)優(yōu)化

確定具體分區(qū)后，選擇合適的作業(yè)循環(huán)參數(shù)是頂拱層開挖是否成功的關(guān)鍵。主要包括邊導(dǎo)洞開挖和中墩擴(kuò)挖兩部分。

4.1 邊導(dǎo)洞開挖

根據(jù)施工方案總體研究，初擬頂拱層邊導(dǎo)洞開挖循環(huán)進(jìn)尺為2.5m，但在過渡段(廠房挑頂過渡段)施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于圍巖結(jié)構(gòu)破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，爆破完成后極易出現(xiàn)楔形體掉塊現(xiàn)象，局部出現(xiàn)連鎖反應(yīng)而形成大面積超挖。

為驗(yàn)證該現(xiàn)象是否為循環(huán)進(jìn)尺過長和爆破震動(dòng)影響所致，通過多次不同進(jìn)尺的開挖試驗(yàn)和現(xiàn)場勘查分析，確定循環(huán)進(jìn)尺是造成上述現(xiàn)象的主要因素，循環(huán)進(jìn)尺越大，一次揭露的不穩(wěn)定塊體越多，相互之間因擠壓力不足而導(dǎo)致的自穩(wěn)能力降低越大，同時(shí)，爆破震動(dòng)亦對其造成一定影響，循環(huán)進(jìn)尺越大，爆破時(shí)單孔裝藥量越多，其爆破震動(dòng)越強(qiáng)，在這兩種原因的共同作用下，最終導(dǎo)致不穩(wěn)定楔形塊體脫落，形成大面積超挖。

為此，在后續(xù)的邊導(dǎo)洞開挖支護(hù)過程中，吸取過渡段施工經(jīng)驗(yàn)，并不斷調(diào)整優(yōu)化，最終確定邊導(dǎo)洞開挖支護(hù)循環(huán)進(jìn)尺為：Ⅲ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺2.4m，Ⅳ1類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺1.2～1.8m，Ⅳ2、Ⅴ類圍巖每循環(huán)進(jìn)尺0.6～1.0m。

4.2 中墩擴(kuò)挖

據(jù)施工方案總體研究，初擬頂拱層中墩擴(kuò)挖循環(huán)進(jìn)尺為3.5m，根據(jù)邊導(dǎo)洞施工經(jīng)驗(yàn)，該循環(huán)進(jìn)尺極易引起頂拱不穩(wěn)定塊體掉塊，但由于兩側(cè)導(dǎo)洞已開挖成型，中墩擴(kuò)挖時(shí)不需進(jìn)行掏槽施工(三向臨空面)，從而可大大減少單孔裝藥量，降低爆破震動(dòng)對頂拱部位不穩(wěn)定楔形塊體的影響。

5 各類支護(hù)次序與開挖跟進(jìn)速度控制

在頂拱層分區(qū)時(shí)，充分考慮各種主要支護(hù)類型在各分區(qū)內(nèi)的布置形式，以便在各區(qū)開挖時(shí)均有主要支護(hù)體對成型頂拱形成支撐體，防止因支護(hù)力度不足而導(dǎo)致頂拱失穩(wěn)。

溧陽地下廠房工程主要支護(hù)類型有：隨機(jī)超前支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)、噴混凝土、鋼筋拱肋、系統(tǒng)錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、系統(tǒng)錨索等。根據(jù)其作用范圍可大致分為：超前支護(hù)、淺層支護(hù)和深層支護(hù)三大類。其總體跟進(jìn)次序?yàn)椋撼爸ёo(hù)→淺層支護(hù)→深層支護(hù)。

5.1 超前支護(hù)及臨時(shí)支護(hù)

在循環(huán)進(jìn)尺前增加超前小導(dǎo)管或超前錨桿等措施，以此提高圍巖自穩(wěn)能力。

5.2 淺層支護(hù)

淺層支護(hù)主要為噴混凝土、鋼筋拱肋、系統(tǒng)錨桿等支護(hù)類型。

跟進(jìn)次序?yàn)椋撼鯂?～5cm混凝土→系統(tǒng)錨桿施工→鋼筋拱肋施工→復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。

5.2.1 邊導(dǎo)洞開挖時(shí)淺層支護(hù)跟進(jìn)速度控制

對于Ⅲ、Ⅳ1類圍巖區(qū)，開挖出渣后立即進(jìn)行噴混凝土封閉，每兩個(gè)循環(huán)進(jìn)行一次系統(tǒng)錨桿施工；對于Ⅳ2、Ⅴ類圍巖區(qū)，出渣前先噴混凝土封閉，然后再開挖出渣，每循環(huán)進(jìn)行一次系統(tǒng)錨桿施工，做到系統(tǒng)錨桿緊跟開挖掌子面。鋼筋拱肋在不影響前方掌子面鉆爆、噴鋼纖維混凝土和錨桿施工的情況下及時(shí)跟進(jìn)，一般距掌子面10～15m。

5.2.2 中墩擴(kuò)挖時(shí)淺層支護(hù)跟進(jìn)速度控制

由于兩側(cè)邊導(dǎo)洞開挖已成型，中墩擴(kuò)挖后即形成全斷面大洞室頂拱，其中墩擴(kuò)挖后系統(tǒng)支護(hù)必須及時(shí)跟進(jìn)，以防止頂拱變形破壞。

爆破開挖后先進(jìn)行混凝土初噴封閉，然后進(jìn)行系統(tǒng)錨桿施工。因兩側(cè)導(dǎo)洞鋼筋拱肋已成型，故中墩系統(tǒng)錨桿施工完成后即進(jìn)行鋼筋拱肋施工，使之與兩側(cè)導(dǎo)洞的鋼筋拱肋連接成拱，然后再進(jìn)行混凝土復(fù)噴施工。中墩擴(kuò)挖時(shí)，噴混凝土、系統(tǒng)錨桿、鋼筋拱肋必須全部完成后方可進(jìn)行下一循環(huán)開挖施工。

5.3 深層支護(hù)

深層支護(hù)主要為預(yù)應(yīng)力錨桿和系統(tǒng)錨索施工。

跟進(jìn)次序?yàn)椋鹤鳂I(yè)區(qū)域揭露的對穿錨索→端頭錨索→預(yù)應(yīng)力錨桿。

5.3.1 邊導(dǎo)洞開挖時(shí)深層支護(hù)跟進(jìn)速度控制

在邊導(dǎo)洞開挖施工過程中，第一邊導(dǎo)洞為獨(dú)立作業(yè)面，在有系統(tǒng)錨桿、噴混凝土、鋼筋拱肋等支護(hù)的作用下，其對穿錨索施工可相對滯后，第一導(dǎo)洞對穿錨索施工距離掌子面距離為30～40m，但必須在中墩擴(kuò)挖至該斷面前完成施工。其目的在于中墩擴(kuò)挖后，同一斷面內(nèi)除中墩對應(yīng)的對穿錨索外，兩側(cè)導(dǎo)洞已形成深層支護(hù)。

第二邊導(dǎo)洞開挖因受中墩擴(kuò)挖影響，其超前中墩距離必須嚴(yán)格控制，以防止中墩獨(dú)立受力時(shí)失穩(wěn)導(dǎo)致塌方事故。因此，在第二導(dǎo)洞開挖及淺層支護(hù)完成的情況下，需適時(shí)跟進(jìn)對穿錨索施工，跟進(jìn)距離為10～15m。

5.3.2 中墩擴(kuò)挖時(shí)深層支護(hù)跟進(jìn)速度控制

為兼顧掌子面開挖施工和洞室頂拱安全、穩(wěn)定，中墩擴(kuò)挖所揭露的斷層兩排對穿錨索施工跟進(jìn)距離為10～15m，實(shí)施過程中可通過施工臨時(shí)安全監(jiān)測進(jìn)行洞室圍巖變形監(jiān)測，如出現(xiàn)異常情況可及時(shí)調(diào)整對穿錨索跟進(jìn)距離，防止出現(xiàn)淺層支護(hù)力不足而導(dǎo)致頂拱失穩(wěn)。

5.3.3 剩余深層支護(hù)跟進(jìn)速度控制

剩余深層支護(hù)主要為兩側(cè)拱肩的端頭錨索和預(yù)應(yīng)力錨桿。兩側(cè)端頭可在同一樁號范圍的中墩部位對穿錨索張拉完成后進(jìn)行，然后進(jìn)行拱肩部位的3排預(yù)應(yīng)力錨桿施工，以此增加同一斷面內(nèi)廠頂?shù)墓靶涡?yīng)。

5.4 兩側(cè)導(dǎo)洞與中墩跟進(jìn)距離控制

按照“先軟后硬”的原則，將圍巖相對較差的上游側(cè)導(dǎo)洞作為第一導(dǎo)洞，因第一導(dǎo)洞開挖后對中墩應(yīng)力和變形影響相對較小，其施工可相對獨(dú)立安排，其與下游側(cè)導(dǎo)洞(第二導(dǎo)洞)和中墩掌子面間距不作硬性規(guī)定。

但對于下游側(cè)導(dǎo)洞(第二導(dǎo)洞)和中墩間的間距須進(jìn)行控制，為盡量減少下游側(cè)導(dǎo)洞開挖后中墩的應(yīng)力集中和變形，下游側(cè)導(dǎo)洞開挖進(jìn)尺最多超前中墩3～5個(gè)循環(huán)(10m以內(nèi))。

6 結(jié) 論

通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對地下洞室進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)其預(yù)報(bào)結(jié)果并結(jié)合前期地質(zhì)勘探相關(guān)資料，可進(jìn)一步了解和掌握地下洞室群的地質(zhì)情況，為后期開挖施工起到指導(dǎo)性作用。

對于地質(zhì)條件復(fù)雜且圍巖整體質(zhì)量較差的情況，“先邊后中”的施工方式是可行的，同時(shí)按照“先軟后硬”的原則選擇第一邊導(dǎo)洞，能有效保證施工安全和工程安全。除滿足上述兩大原則外，“排水先行”是地下洞室施工的前提，后續(xù)施工中，各類系統(tǒng)支護(hù)的跟進(jìn)次序和時(shí)間、空間控制，是關(guān)乎頂拱開挖成敗的關(guān)鍵。