黃登水電站大型地下洞室群交叉口開挖支護(hù)施工技術(shù)

伍勝洪，何玉虎，孫智剛

（中國水利水電第十四工程局有限公司）

關(guān)鍵詞：大型地下洞室群　開挖支護(hù)　施工技術(shù)

1 引言

在地下電站土建施工中，由于地下洞室眾多、分布密集，形成了多種類型的洞室交叉口。在開挖支護(hù)階段，交叉口部位往往形成應(yīng)力集中區(qū)，塑性變形、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害容易產(chǎn)生。特別是在主廠房高邊墻與引水隧洞、尾水管、母線洞交叉部位以及尾水調(diào)壓室與尾水支洞、尾水隧洞等交叉部位，由于洞室斷面大、交叉口挖空率高，洞室穩(wěn)定問題更為突出。如何通過技術(shù)的方法抑制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是交叉口開挖支護(hù)的關(guān)鍵。

本文選取以下幾個(gè)常見洞室交叉口，分別代表不同類型洞室交叉口，對施工程序、施工方法、工藝要點(diǎn)等進(jìn)行技術(shù)總結(jié)：

（1）洞與高邊墻：地下主廠房上、下游邊墻與引水下平段和母線洞交叉口。

（2）洞與井：尾水管與廠房基坑交叉口、尾水調(diào)壓室下部四岔口。

（3）洞與洞：尾閘交通洞與進(jìn)風(fēng)洞交叉口。

2 技術(shù)原理

（1）控制爆破：采用光面和預(yù)裂技術(shù)，用“新奧法”原理，適時(shí)支護(hù)，確保開挖輪廓面成型和減少爆破震動(dòng)對圍巖及相鄰建筑物的影響，有利于質(zhì)量控制及建筑物結(jié)構(gòu)安全。

（2）合理的開挖程序：采用先小洞后大洞、先洞后墻、徑向預(yù)裂的開挖方式。高邊墻開挖前做好洞口鎖口和系統(tǒng)支護(hù)的開挖程序，保證地下廠房高邊墻的穩(wěn)定，對減少圍巖松弛變形極為有利。

（3）超前預(yù)加固措施：在洞與洞、洞與井等交叉部位，提前做好超前支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)，采取交叉口洞口鎖口、洞間巖柱加固、薄巖層先懸吊錨固后開挖，增加懸吊錨筋樁（錨索）、錨拉板、型鋼拱架，在交叉口2倍洞徑的洞段范圍內(nèi)采用淺孔、小藥量、多循環(huán)、短進(jìn)尺等開挖方法，采用在交叉口部位已開挖洞室1倍洞徑長度范圍內(nèi)支護(hù)完成后才行貫通的施工程序，有利于抑制圍巖松弛變形，保證大型洞室交叉口的穩(wěn)定。

（4）超前監(jiān)測及信息反饋：根據(jù)洞室布置及圍巖情況布置監(jiān)測斷面，同一監(jiān)測斷面應(yīng)布置多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、收斂監(jiān)測斷面等綜合監(jiān)測項(xiàng)目；在開挖爆破時(shí)，進(jìn)行爆破質(zhì)點(diǎn)振速監(jiān)測，以便優(yōu)化開挖方式和爆破聯(lián)網(wǎng)、裝藥結(jié)構(gòu)等參數(shù)。通過監(jiān)測數(shù)值模擬反演分析，對下一步開挖支護(hù)提出建議并及時(shí)調(diào)整開挖支護(hù)參數(shù)。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工工藝流程

交叉口開挖支護(hù)施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→施工通道施工→與高邊墻相交小洞開挖與錨固→大洞與小洞交叉口貫通→交叉口支護(hù)。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、安全監(jiān)測反饋分析貫穿整個(gè)施工通道、交叉口開挖過程中，而且要加密監(jiān)測，每次爆破前后均進(jìn)行監(jiān)測，開挖及支護(hù)根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整。

3.2 施工通道規(guī)劃及施工

大型地下廠房在發(fā)電機(jī)層有母線洞與之相貫，在蝸殼層與引水隧洞相貫，下部尾部與尾水?dāng)U散段相通。交叉口眾多，合理制定施工程序，提前完成小洞室開挖支護(hù)，并對廠房圍巖預(yù)加固，既減少對關(guān)鍵線路項(xiàng)目直線工期占用，規(guī)避施工干擾，改善施工交通，同時(shí)有利于廠房高邊墻的圍巖穩(wěn)定。

根據(jù)上述布置特點(diǎn)，提前實(shí)現(xiàn)引水隧洞、母線洞、尾水?dāng)U散段與廠房高邊墻貫通，則需要規(guī)劃三條施工通道，即至引水下平洞施工通道、至母線洞施工通道、至尾水?dāng)U散段通道。

（1）至引水下平洞施工通道：考慮壓力鋼管運(yùn)輸時(shí)斷面較大，寬度7～8m，從主廠房運(yùn)輸洞開口布置2#施工支洞，采用下坡，垂直橫穿引水下平洞，兼顧引水斜井（豎井）及下游至廠房的下平段施工。

（2）至母線洞施工通道：從主變通風(fēng)洞下坡至主變室，再垂直分叉貫穿各條母線洞。斷面適中可采用7.0m×7.0m（寬×高），滿足設(shè)備裝渣、運(yùn)渣需求及噴錨臺(tái)車通行需求。

（3）至尾水?dāng)U散段通道：布置在主廠房至尾水調(diào)壓室之間，垂直橫穿各條尾水?dāng)U散段（或尾水支管），斷面8.0m×7.0m，布置有7#施工支洞及新增5#施工支洞。

3.3 交叉口開挖技術(shù)

3.3.1 母線洞、引水下平洞與主廠房高邊墻交叉口段先洞后墻施工（洞與高邊墻交叉）

洞室開挖高邊墻主要存在圍巖卸荷變形及塊體滑移問題，高邊墻洞室開挖成敗關(guān)鍵在于是否能有效控制住開挖下降過程中圍巖變形持續(xù)發(fā)展到有害松弛和破壞程度。周密可靠的交叉口施工措施及開挖過程中安全監(jiān)測與反演分析，是確保洞室高邊墻穩(wěn)定的有力保障。

母線洞、引水下平洞與主廠房高邊墻交叉口段，在主廠房邊墻預(yù)裂至隧洞頂拱之前，完成隧洞交叉口的開挖，并做好鎖口支護(hù)。洞室距邊墻1.0倍洞徑（跨度）范圍內(nèi)采用格柵拱架支撐進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。高邊墻預(yù)裂和梯段爆破時(shí)，嚴(yán)格控制一次起爆藥量，避免對已形成洞室開口部位圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞，以減小圍巖變形和塑性區(qū)的擴(kuò)張。

母線洞處于廠房巖錨吊車梁下部，洞頂距巖錨梁約6.15m，應(yīng)力較為集中，變形也相應(yīng)較大。為確保巖錨梁錨桿的錨固巖體質(zhì)量，最大限度地減小圍巖變形和塑性區(qū)的擴(kuò)張，保證洞口開挖圍巖穩(wěn)定，所有母線洞開挖進(jìn)入廠房時(shí)段安排在巖錨梁混凝土施工之前。母線洞上游段開挖需采取短進(jìn)尺、小擾動(dòng)的控制爆破。與廠房高邊墻交叉洞室施工程序見圖1。

（1）導(dǎo)洞開挖：從母線洞、引水下平洞采用中上導(dǎo)洞，跳洞開挖至廠房內(nèi)1.5～2.0m，導(dǎo)洞尺寸滿足出渣、支護(hù)設(shè)備運(yùn)行要求即可。中上導(dǎo)洞頂拱與設(shè)計(jì)開挖線一致，適時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù)。

（2）擴(kuò)挖及支護(hù)跟進(jìn)：地質(zhì)條件較好部位導(dǎo)洞超前15～20m，大型斷面擴(kuò)挖采用分區(qū)擴(kuò)挖，左、右可滯后1～2排炮。距離交叉口2倍洞徑時(shí)，進(jìn)行控制爆破，采用“導(dǎo)洞超前、短進(jìn)尺、小藥量、多循環(huán)、少擾動(dòng)”工藝。測量放出周邊孔尾線方向，精確控制造孔方向。擴(kuò)挖時(shí)采用光面爆破，周邊孔孔間距控制在50cm以內(nèi)，小藥卷間隔不耦合裝藥，周邊孔線裝藥密度為180～220g/m。采用“新奧法”原理，系統(tǒng)支護(hù)由淺表至深層適時(shí)跟進(jìn)，程序?yàn)槌鯂娀炷?～5cm→錨桿支護(hù)→掛網(wǎng)→復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度→深層錨筋樁、錨索支護(hù)。采用現(xiàn)代化配套的大型施工機(jī)械設(shè)備，如邁斯特濕噴車、353E鑿巖臺(tái)車、平臺(tái)車等，保證支護(hù)的及時(shí)性，確保安全，加快施工進(jìn)度。

（3）洞口段加強(qiáng)支護(hù)：根據(jù)圍巖地質(zhì)情況及地下廠房洞室群施工期安全監(jiān)測與反饋分析成果報(bào)告，高邊墻下交叉口洞室頂拱1～1.5倍洞徑采用鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，鋼拱架采用I20a工字鋼加工制作，拱架榀間距0.5～1m，榀間沿洞軸方向設(shè)置φ25縱向連接筋，連接筋間距0.8m，榀間交錯(cuò)布置，環(huán)向設(shè)置鎖腳錨桿。型鋼拱架原則上不侵占結(jié)構(gòu)面，在開挖過程中將架設(shè)部位結(jié)構(gòu)斷面外擴(kuò)20cm。

（4）高邊墻貫通：與交叉口相貫的高邊墻開挖采用預(yù)裂，預(yù)裂為設(shè)計(jì)邊線，采用薄層開挖隨層支護(hù)，層高控制在4.5～6.0m，中部拉槽，形成臨空面。

（5）施工期監(jiān)測與反饋分析：根據(jù)洞室布置及圍巖情況布置監(jiān)測斷面，同一監(jiān)測斷面應(yīng)布置多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測力計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、長觀孔等綜合監(jiān)測項(xiàng)目，通過監(jiān)測及數(shù)值模擬反演分析，對下一步支護(hù)及施工提出支護(hù)及開挖程序相關(guān)建議。

3.3.2 尾水管與廠房交叉口施工（洞與井交叉）

尾水管與廠房交叉口開挖施工程序：施工準(zhǔn)備→薄巖墻、薄巖板梁錨拉板、懸吊錨筋樁加固→尾水?dāng)U散段導(dǎo)洞開挖進(jìn)廠房→尾水?dāng)U散段擴(kuò)挖及支護(hù)施工→廠房與尾水?dāng)U散段導(dǎo)井貫通→以導(dǎo)井為臨空面、分區(qū)擴(kuò)大、薄層開挖、隨層支護(hù)、交叉口廠房側(cè)系統(tǒng)支護(hù)。

4條尾水支洞各層開挖時(shí)，同層分序間隔開挖，逐層及時(shí)噴錨支護(hù)，確保尾水管之間巖體的穩(wěn)定。尾水管與母線洞之間最小巖層厚度約1.2倍尾水管洞徑，在尾水管頂層開挖時(shí)，母線洞Ⅰ層已開挖完成，施工中將根據(jù)圍巖變形監(jiān)測情況，視需要提請?jiān)O(shè)計(jì)單位在兩洞之間增設(shè)預(yù)應(yīng)力對穿錨索加強(qiáng)支護(hù)。

尾水管先以中導(dǎo)洞開挖提前進(jìn)入廠房下部，為防止廠房機(jī)坑下游尾水管口上方1457.50～1448.00m高程巖臺(tái)失穩(wěn)，在尾水管上層導(dǎo)洞進(jìn)入Ⅸ層后，對廠房機(jī)坑下游巖臺(tái)上游面進(jìn)行環(huán)形預(yù)裂，在廠房Ⅸ層開挖前完成尾水管擴(kuò)散段邊頂拱支護(hù)。

尾水管開挖支護(hù)程序：先進(jìn)行母線洞至尾水管的懸吊錨筋樁（錨索）支護(hù)施工→中上導(dǎo)洞（8m×9m）至廠房機(jī)組中心位置→尾水管擴(kuò)挖、系統(tǒng)支護(hù)跟進(jìn)→1倍洞徑型鋼拱架支護(hù)。

廠房下部尾水管開挖支護(hù)：廠房兩條尾水管之間巖墻厚度小于1倍洞徑時(shí)，宜采用錨拉板加固處理，開挖時(shí)挖除60～80cm，澆筑C30鋼筋混凝土錨拉板，錨筋采用3φ32，沿機(jī)坑槽周邊布置，中部加強(qiáng)。在尾水管與廠房水輪機(jī)層貫通前，先進(jìn)行鋼筋混凝土錨拉板施工，錨拉板以錨筋樁和混凝土蓋板為受力體系，形成樁體受力體系，桿體鎖住巖層，約束圍巖松弛及不利裂隙沿層面發(fā)展。

在錨拉板施工完成后從廠房水輪機(jī)層采用輕型潛孔鉆機(jī)鉆孔至尾水管下部導(dǎo)洞，導(dǎo)井直徑約3.0m，采用“提藥法”分段自下而上爆通導(dǎo)井。機(jī)坑擴(kuò)挖支護(hù)遵循“薄層開挖，隨層支護(hù)”的理念。坑槽均采用手風(fēng)鉆小藥量、精細(xì)化施工，設(shè)計(jì)輪廓線光面爆破。“提藥法”開挖，適用于開挖小斷面豎井（直徑2.0～4.0m），深度又不太深（10～20m），下部有導(dǎo)洞的部位。先用輕型潛孔鉆造孔，用鉛絲（或尼龍繩）懸吊藥卷和封堵沙袋，自下而上分段爆破。分段深度一般為1.0～1.5倍洞徑。孔間采用非電毫秒雷管分段，磁電雷管起爆。

以導(dǎo)井為臨空面，分區(qū)擴(kuò)大，薄層開挖，隨層支護(hù)。開挖好后，及時(shí)進(jìn)行機(jī)坑薄巖墻預(yù)應(yīng)力錨桿施工，對穿預(yù)應(yīng)力錨索、錨筋樁支護(hù)跟進(jìn)。

3.3.3 尾水支管、尾水洞與調(diào)壓室交叉口施工（洞與井交叉）

黃登水電站尾水系統(tǒng)布置采用“二機(jī)合一”的布置形式，即二條尾水管交匯到一個(gè)調(diào)壓室、經(jīng)一個(gè)尾水隧洞與下游河道連接。這種布置格局在尾調(diào)室下部形成四岔口。四岔口處挖空率高，二次應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在洞室交匯部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大的塑性區(qū)，薄巖柱（體）易產(chǎn)生有害變形。

針對這種大型四岔口布置，采取先洞后井、先鎖腳后貫通的整體施工程序。先從尾水洞上層開挖8m×8m導(dǎo)洞，貫穿調(diào)壓室底部至尾水支管洞頂部，采用中上導(dǎo)洞超前15～20m、導(dǎo)洞頂拱支護(hù)跟進(jìn)、擴(kuò)挖隨后程序。根據(jù)高地應(yīng)力破壞形式機(jī)理，采取先靠江側(cè)后靠山側(cè)的擴(kuò)挖順序，擴(kuò)挖后及時(shí)進(jìn)行淺表層錨噴支護(hù)，深層錨索支護(hù)跟進(jìn)。交叉口1倍洞徑范圍架設(shè)型鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，在尾水洞拱腳布設(shè)φ32,L=9.0m，T=120kN的預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)錨桿，尾水支管洞間巖墻拱腳部位增加2～4排對穿錨索。

調(diào)壓室開挖至下部之前，調(diào)壓室底部平洞開口前做好預(yù)應(yīng)力錨桿鎖口，采用φ42，L=6m管式注漿錨桿超前支護(hù)，短進(jìn)尺、弱爆破開挖。距調(diào)壓室邊墻1.5倍洞徑或至尾閘室范圍內(nèi)，每開挖一排炮至設(shè)計(jì)規(guī)格線即進(jìn)行設(shè)計(jì)噴錨支護(hù)和加強(qiáng)支護(hù)，建議采用I25工字鋼支撐，I16工字鋼縱向聯(lián)系，噴30cm厚鋼纖維混凝土進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。調(diào)壓室底部頂層保護(hù)層分兩次擴(kuò)挖到位，設(shè)計(jì)邊線光面爆破；頂層以下開挖先進(jìn)行邊墻預(yù)裂，再分層淺孔梯段爆破開挖，梯段爆破按質(zhì)點(diǎn)振速測試數(shù)據(jù)嚴(yán)格控制一次起爆藥量。加強(qiáng)叉口段的安全監(jiān)測及數(shù)據(jù)反饋，以便改進(jìn)開挖方案。視需要提前進(jìn)行尾水支洞叉口段混凝土襯砌，保證施工安全。

調(diào)壓井開挖采用反井鉆機(jī)鉆直徑1.4m導(dǎo)井貫通至下部導(dǎo)洞，先自下而上擴(kuò)井至3.0m，再自上而下擴(kuò)至6.0m（或12m），然后采取周邊預(yù)裂、自上而下、分區(qū)薄層開挖、隨層支護(hù)的施工方案。調(diào)壓井至交叉口20m范圍時(shí)，下部與之相貫的尾水洞、尾水連接管巖墻對穿錨索施工完成，1倍洞徑范圍鋼拱架噴護(hù)完成，根據(jù)圍巖情況考慮提前1倍洞徑混凝土襯砌鎖口。貫穿采用分區(qū)分部貫穿，預(yù)裂或光面爆破。開挖順序見圖2。

3.3.4 尾閘交通洞與進(jìn)風(fēng)洞交叉口施工（洞與洞交叉）

洞與洞交叉口開挖時(shí)，先開挖的洞室向前掘進(jìn)距交叉口10～15m后，再進(jìn)行交叉口部位開洞口。開洞口前，先距離設(shè)計(jì)開挖邊線0.5m左右打設(shè)1～2排軸向鎖口錨桿，鎖口錨桿間距0.5～1m，排距1m，梅花形交錯(cuò)布置。進(jìn)口段開挖進(jìn)尺根據(jù)圍巖地質(zhì)條件確定，Ⅱ、Ⅲ類圍巖2.5～3m，Ⅳ類圍巖0.8～1.5m，Ⅴ類圍巖及不良地質(zhì)段0.5～0.8m。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖及不良地質(zhì)段，開挖后系統(tǒng)支護(hù)及時(shí)跟進(jìn)。開洞口后，再進(jìn)行徑向鎖口錨桿施工。因交叉口容易造成應(yīng)力集中，進(jìn)口段1.5倍洞徑范圍應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)支護(hù)形式主要包括鋼支撐、管棚、掛網(wǎng)、噴混凝土等，鋼支撐間距0.5～1m，按規(guī)范將圍巖降低一級(jí)后采取相應(yīng)的加強(qiáng)支護(hù)措施。

4 結(jié)語

黃登水電站地下洞室群交叉口施工技術(shù)在地下工程施工中具有較強(qiáng)的代表性，具有推廣意義。在實(shí)際施工中，要根據(jù)交叉洞口的地質(zhì)條件、巖體結(jié)構(gòu)面和巖性不同采取針對性的措施，并進(jìn)行分析計(jì)算后實(shí)施。