不良地質條件下廠房與尾水擴散段交叉口開挖施工技術

李炳秀，楊育禮

（中國水利水電第十四工程局有限公司）

關鍵詞：不良地質　開挖施工　交叉口　黃登水電站　地下廠房

1 概述

地下廠房一般具有埋深大、地質條件復雜、挖空率高等特點。其中主廠房與尾水擴散段交叉部位在地下洞室群中一般為挖空率最大、地應力最集中的部位，開挖期的圍巖穩定及安全問題十分突出。

黃登水電站地下廠房巖石為火山角礫巖、火山細礫巖及夾變質泥灰巖，主廠房與尾水擴散段交叉口位置Ⅳ、Ⅴ級結構面較發育，局部還存在Ⅲ級結構面及Ⅱ級斷層穿過，尾水擴散段均處于不良地質段，主廠房開挖至尾水擴散段時存在較大的坍塌風險。其他地下廠房同樣存在類似情況。通過總結多個地下廠房與尾水擴散段交叉口部位開挖支護施工經驗，摸索出一套高挖空率、不良地質條件下交叉口開挖支護施工方法。

2 技術特點

（1）在地下廠房施工中，主廠房與尾水管交叉部位是整個地下洞室群的最低點，具有挖空率高、較其他部位初始地應力高、洞室跨度大等不利于施工安全和圍巖穩定的特點。加之黃登水電站在該部位交叉口遇到不良地質段，開挖成型極為困難，抑制尾水擴散段頂部圍巖和尾水擴散段間巖柱的塑性變形是確保主廠房順利施工的關鍵。

（2）控制爆破技術：采用光面和預裂爆破技術，用“新奧法”原理，適時支護，確保了開挖輪廓面成型和減少爆破震動對圍巖及相鄰建筑物的影響，有利于質量控制及建筑物結構安全。

（3）合理的開挖程序：采用先開挖尾水擴散段、后開挖主廠房的順序，交叉部位采用徑向預裂和光面爆破的方式開挖；廠房邊墻開挖前做好尾水擴散段洞口鎖口和系統支護的開挖程序；同時對尾水擴散段進行預襯砌混凝土、預固結灌漿和反吊錨索，挖空率大于50%時，增加巖墩間對穿錨索加固。通過上述措施保證了地下廠房高邊墻的穩定，對減少圍巖松弛變形極為有利。

（4）合理的開挖方法：在交叉口兩倍洞徑的洞段范圍內采用淺孔、小藥量、多循環、短進尺等開挖方法，采用在交叉口部位已開挖洞室一倍洞徑長度范圍內支護完成后才與廠房貫通的施工程序，有利于抑制圍巖松弛變形，保證了大型洞室交叉口的穩定。

（5）超前預加固措施：提前做好尾水擴散段洞口鎖口和系統支護的開挖程序，以及對尾水擴散段進行一期鋼筋混凝土預襯砌及預固結灌漿，并增加巖柱間對穿錨索及尾水擴散段上仰反吊錨索進行加固，對減少圍巖松弛變形極為有利，保證了地下廠房高邊墻的穩定。

3 施工方法及要點

3.1 施工通道布置

提前完成尾水擴散段開挖支護，并對廠房和尾水擴散段圍巖進行預加固，既減少對關鍵線路項目直線工期占用，規避施工干擾，改善施工交通，同時有利于廠房高邊墻的圍巖穩定。

提前進行尾水擴散段和尾水支洞漸變段Ⅰ層開挖，開挖至主廠房下游邊墻后繼續向主廠房內延伸開挖一個8m×7.5m導洞，主廠房開挖料通過豎井溜至導洞內進行出渣運輸。

3.2 尾水擴散段與主廠房交叉口施工

尾水擴散段與主廠房交叉口開挖施工流程見圖1。

（1）施工準備：分析研究施工期快速監測及分析成果、揭露地質條件等資料，制定開挖、支護程序施工方案，初步擬定開挖爆破參數。

（2）尾水擴散段導洞及徑向預裂：Ⅰ層待尾水支洞Ⅰ層開挖修邊完成后進行導洞開挖，采取跳洞開挖的方式，導洞布置在尾水擴散段軸線頂部，頂拱摸到設計開挖線施工，便于適時進行系統錨噴支護。導洞一直延伸至進入主廠房2～3m。尾水擴散段開挖分層見圖2。

交叉口環向預裂：尾水擴散段與主廠房相交處斷面發生突變，為保證該部位在后續開挖過程中的成型質量，在導洞內向邊頂拱打環向預裂孔先行進行徑向預裂爆破。

（3）尾水擴散段Ⅰ層開挖支護：Ⅰ層的擴挖以導洞為臨空面，兩側向廠房方向錯距擴挖，距離交叉口兩倍洞徑時，進行控制爆破，采用“導洞超前、短進尺、小藥量、多循環、少擾動”工藝，測量放出周邊孔尾線方向，精確控制造孔方向。穿過Ⅳ～Ⅴ類圍巖段需采取管棚、超前小導管等方式進行超前支護。擴挖時采用光面爆破，周邊孔孔間距控制在50cm以內，小藥卷間隔不耦合裝藥，周邊孔裝藥線密度為120～150g/m。

Ⅰ層擴挖完成后，采用“新奧法”原理，系統支護由淺表至深層適時跟進，程序為：初噴鋼纖維混凝土3～5cm→錨桿支護→掛網→復噴混凝土至設計厚度（地質條件較差的部位增加鋼拱架支撐或提前進行預襯砌混凝土），采用現代化成龍配套的大型施工機械設備，保證支護的及時性，確保施工安全，加快施工進度。

（4）主廠房導洞開挖：利用前期開挖的導洞繼續向廠房開挖延伸至主廠房軸線附近（距離廠房上游邊墻不得少于6m），根據揭露的地質情況進行臨時支護，以便后期廠房錐管層開挖時作為出渣運輸通道。

（5）尾水擴散段Ⅱ～Ⅲ層開挖支護：利用已經開挖完成的Ⅰ層開挖面為臨空面，采用水平孔周邊光面爆破開挖，結合尾水支洞開挖一起進行。底部預留2m保護層，待后期廠房開挖至底部后從廠房側反向開挖。系統支護方式和Ⅰ層一致。

（6）尾水擴散段預襯砌混凝土及加強支護：尾水擴散段開挖完成后，雖進行了系統支護，但由于該部位挖空率高，兩條尾水擴散段之間巖墻厚度小于一倍洞徑，且該部位位于洞室群最低位置，地應力較為集中，很容易產生圍巖脆性開裂和塑性變形破壞。為最大限度抑制圍巖的塑性變形，需對尾水擴散段進行預襯砌鋼筋混凝土和預固結灌漿，并進行巖柱間及尾水擴散段頂部巖體加強支護處理。預襯砌混凝土為尾水擴散段邊頂拱的一部分，可結合永久襯砌混凝土確定預襯砌厚度；加強支護包括尾水擴散段間巖柱對穿錨索，尾水擴散段頂拱反吊錨索和上仰預應力錨桿等。尾水擴散段預襯砌及加強支護布置見圖3。

（7）主廠房與下部導洞導井貫通：在尾水擴散段鎖口預應力錨桿、混凝土預襯砌、回填灌漿、預固結灌漿、對穿錨索、反吊錨索等工程施工完成后，再實施主廠房上部開挖面與導洞間導井的貫通。導井的貫通采用CM351鉆機鉆孔爆破開挖，相鄰兩個基坑采取錯距開挖的方式進行，保證中隔墩的巖石穩定性。導井為尺寸3m×3m的方形井，首先在導井中心鉆3～5個直徑115mm的孔貫通導洞作為爆破臨空面，周邊按照1.5m×1.5m間距環向布置2排爆破孔，距導洞頂部0.5m，孔內連續裝φ70藥卷，孔口堵塞長度0.8m，環間毫秒微差爆破一次貫通。

（8）主廠房基坑開挖及支護：利用導洞作為出渣運輸通道，以導井為中心臨空面分區向外擴大開挖，周邊預留保護層分層光面爆破。主爆孔采用CM351型鉆機造孔，間排距2.0m×2.5m，孔徑115mm，孔深8～15m，孔內連續裝φ70藥卷；保護層采取周邊光面爆破分薄層開挖、邊墻及時跟進支護的方式，光面爆破孔采用手風鉆鉆孔，孔深5.0m，孔徑為42mm，間距50cm，間隔裝φ25藥卷，線裝藥密度控制在120～150g/m，根據巖石條件適當調整。

基坑邊墻與尾水擴散段交叉口的支護：主要包括廠房下游邊墻系統支護和鎖口預應力錨桿支護，系統支護包括噴微纖維（或鋼纖維）混凝土、砂漿錨桿和錨索。各種支護隨著基坑保護層的開挖自上而下及時實施。

3.3 施工期監測與反饋分析

根據洞室布置及圍巖情況布置監測斷面，同一監測斷面應布置多點位移計、錨索測力計、錨桿應力計、收斂監測斷面等綜合監測項目；同時，洞室交叉口段開挖爆破時，需進行爆破質點振動速度的監測，以便優化開挖方式和爆破聯網、裝藥結構等參數。監測儀器的安裝和監測需在具備條件后及時進行，初期監測頻次要高，后期根據數據分析適當降低監測頻次。通過監測數值模擬反演分析，對下一步支護及施工提出支護及開挖相關建議。

4 結語

我國西部地區，尤其是西南地區水電資源特別豐富，隨著西南水電基地的建設，后期水電資源開發過程中，多數地下廠房施工將遇到類似高挖空率、不良地質段交叉口的施工。本項技術可推廣應用于西南各大型水電基地地下廠房施工，可實現深埋、復雜地質條件下的水電站地下廠房與尾水擴散段交叉口的快速安全開挖支護。