復雜地質條件下地下廠房頂拱開挖施工技術

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016)

1 工程地質情況及水文條件

溧陽抽水蓄能電站地下廠房地質條件復雜，地層內斷層發(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)圍巖主要為泥質粉砂巖和粉砂質泥巖。巖層褶皺強烈，斷裂錯動頻繁，受巖層褶皺及斷層錯動影響，廠區(qū)巖層產狀變化較大，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，圍巖質量主要受斷層及層間錯動帶分布及節(jié)理裂隙發(fā)育程度的影響，巖體多屬于鑲嵌結構或鑲嵌碎裂結構，以Ⅲ2～Ⅳ類為主兼有部分Ⅴ類圍巖。

2 地質超前預報

為更準確地掌握施工區(qū)域內水文地質情況，采取合理的工程措施，防止塌方等事故發(fā)生，需采取超前地質預報措施進行地質預判，為后續(xù)施工提供可靠的地質參數。

2.1 TRT6000預報系統(tǒng)超前地質預報

2.1.1 TRT6000預報系統(tǒng)原理

TRT6000預報系統(tǒng)采用的是地震波超前預報法。通過錘擊產生的地震波在隧洞洞周的巖體內傳播，當遇到地質界面，如斷層、破碎帶和溶洞等不良地質體時，部分地震波會被地質界面反射回來，反射地震波到達傳感器后被主機接收并記錄，經TRT6000地震波超前地質預報系統(tǒng)處理分析，可得到隧洞掌子面前方地質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體以及不良地質體的位置。

2.1.2 現場預報分析

為進一步獲取溧陽地下廠房、主變洞等大型地下洞室地質及水文情況，在洞室開挖前和洞室開挖過程中分別進行了5次TRT6000地質超前預報。

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TRT6000超前地質預報系統(tǒng)成像分析，并結合地質勘查資料得出預報結論，見表1，預報距離為216m。

表1 超前地質預報成果

2.1.3 TRT6000地質預報總體評價

通過在施工前和施工過程中，采用TRT6000地質預報系統(tǒng)對施工掌子面進行超前預報，及時了解施工環(huán)境的地質條件和圍巖狀況，從而進一步優(yōu)化或改進施工方法，必要時采取相應的超前支護措施進行圍巖加固，能有效避免在施工中出現大面積滑塌或塌方。

2.2 地質雷達超前預報

2.2.1 地質雷達預報原理

地質雷達依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，當雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射。使用相應處理軟件進行資料分析，最終得到各測線的成果圖，以此進行分析評價工作。

2.2.2 現場預報分析

為進一步校核和印證TRT6000預報系統(tǒng)超前預報成果，在洞室開挖期間，采用地質雷達在廠房頂拱上部8m廊道向下對地下廠房樁號0+53～0+83段進行超前地質預報。

地質雷達成像圖見圖2。

圖2 樁號0+53～0+67與樁號0+67～0+83雷達波形圖

根據圖2分析可知：

a.結合地勘資料及雷達成像綜合分析，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.預報樁號段可能出現斷層或裂隙，建議開挖過程中加強施工安全措施。

2.2.3 地質雷達超前地質預報總體評價

通過地質雷達對疑似廠房F54斷層的部位進行掃描預判，結合TRT6000預報結果，對廠房F54斷層的發(fā)育性狀、影響范圍等有了更進一步的了解，為后續(xù)該部位施工時提出了預警信號，并以此作為施工方案調整的依據，提前做出方案調整和應對措施，確保施工安全和工程安全。

2.3 超前探洞地質勘探

在施工過程中，根據原地質勘探成果和TRT6000超前地質預報成果，在主廠房上游邊導洞施工臨近F54斷層時，為進一步了解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。

通過現場實際勘查，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?，F場所揭露的F54斷層破碎及影響帶寬度較原地勘時有一定變化，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。

經現場施工超前探洞后，設計根據現場實際揭露的地質情況，對主廠房F54斷層段的廠頂支護作出了相應調整，加大支護力度，以此提高該斷層的穩(wěn)定性，防止因系統(tǒng)支護薄弱而失穩(wěn)。同時，針對揭露的實際地質條件，施工方法和方式也作出了相應調整，采取超前預支護、快速封閉、短進尺、預留核心土等具體措施進行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條件復雜，結合中導洞法和邊導洞法對地質條件的適用情況，并經多次專家咨詢論證后，確定溧陽地下廠房頂拱層開挖采用“兩側導洞領先、中墩擴挖跟進”的方式進行施工。

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患兒常出現肺泡換氣功能不足，通氣量不足及二氧化碳潴留導致患兒出現呼吸衰竭，并是導致早產兒死亡的主要原因之一[8]。一般情況下，采用機械通氣和PS干預后，可有效改善NRDS患兒病情，降低患兒病死率。但有研究指出，采用氣管插管行機械通氣治療后常導致患兒出現聲帶損傷、肺損傷、肺部感染、氣胸等風險不容忽視[9]。歐洲新生兒NRDS防治指南中應盡可能避免行機械通氣或極可能減少機械通氣時間，以減少肺部損傷。BiPAP是近年來臨床中逐步推廣應用的治療NRDS方法，并得到諸多專家認可[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；兩側導洞寬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、濕噴臺車等大型支護設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)可保證在每個分區(qū)內有兩排對穿錨索，在開挖成型后，可及時進行對穿錨索施工，確保施工安全和工程安全。中墩部位采用半徑2.5m的圓弧進行過渡，其主要目的是減少兩側導洞開挖后中墩的應力集中以及提高兩側導洞頂拱的拱形效應。

4 頂層作業(yè)循環(huán)參數優(yōu)化

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

4.1 邊導洞開挖

根據施工方案總體研究，初擬頂拱層邊導洞開挖循環(huán)進尺為2.5m，但在過渡段(廠房挑頂過渡段)施工時發(fā)現，由于圍巖結構破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，爆破完成后極易出現楔形體掉塊現象，局部出現連鎖反應而形成大面積超挖。

為驗證該現象是否為循環(huán)進尺過長和爆破震動影響所致，通過多次不同進尺的開挖試驗和現場勘查分析，確定循環(huán)進尺是造成上述現象的主要因素，循環(huán)進尺越大，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致的自穩(wěn)能力降低越大，同時，爆破震動亦對其造成一定影響，循環(huán)進尺越大，爆破時單孔裝藥量越多，其爆破震動越強，在這兩種原因的共同作用下，最終導致不穩(wěn)定楔形塊體脫落，形成大面積超挖。

為此，在后續(xù)的邊導洞開挖支護過程中，吸取過渡段施工經驗，并不斷調整優(yōu)化，最終確定邊導洞開挖支護循環(huán)進尺為：Ⅲ類圍巖每循環(huán)進尺2.4m，Ⅳ1類圍巖每循環(huán)進尺1.2～1.8m，Ⅳ2、Ⅴ類圍巖每循環(huán)進尺0.6～1.0m。

4.2 中墩擴挖

據施工方案總體研究，初擬頂拱層中墩擴挖循環(huán)進尺為3.5m，根據邊導洞施工經驗，該循環(huán)進尺極易引起頂拱不穩(wěn)定塊體掉塊，但由于兩側導洞已開挖成型，中墩擴挖時不需進行掏槽施工(三向臨空面)，從而可大大減少單孔裝藥量，降低爆破震動對頂拱部位不穩(wěn)定楔形塊體的影響。

5 各類支護次序與開挖跟進速度控制

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

溧陽地下廠房工程主要支護類型有：隨機超前支護及臨時支護、噴混凝土、鋼筋拱肋、系統(tǒng)錨桿、預應力錨桿、系統(tǒng)錨索等。根據其作用范圍可大致分為：超前支護、淺層支護和深層支護三大類。其總體跟進次序為：超前支護→淺層支護→深層支護。

5.1 超前支護及臨時支護

在循環(huán)進尺前增加超前小導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

淺層支護主要為噴混凝土、鋼筋拱肋、系統(tǒng)錨桿等支護類型。

跟進次序為：初噴3～5cm混凝土→系統(tǒng)錨桿施工→鋼筋拱肋施工→復噴混凝土至設計厚度。

5.2.1 邊導洞開挖時淺層支護跟進速度控制

對于Ⅲ、Ⅳ1類圍巖區(qū)，開挖出渣后立即進行噴混凝土封閉，每兩個循環(huán)進行一次系統(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跟進，一般距掌子面10～15m。

5.2.2 中墩擴挖時淺層支護跟進速度控制

由于兩側邊導洞開挖已成型，中墩擴挖后即形成全斷面大洞室頂拱，其中墩擴挖后系統(tǒng)支護必須及時跟進，以防止頂拱變形破壞。

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

5.3 深層支護

深層支護主要為預應力錨桿和系統(tǒng)錨索施工。

跟進次序為：作業(yè)區(qū)域揭露的對穿錨索→端頭錨索→預應力錨桿。

5.3.1 邊導洞開挖時深層支護跟進速度控制

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

第二邊導洞開挖因受中墩擴挖影響，其超前中墩距離必須嚴格控制，以防止中墩獨立受力時失穩(wěn)導致塌方事故。因此，在第二導洞開挖及淺層支護完成的情況下，需適時跟進對穿錨索施工，跟進距離為10～15m。

5.3.2 中墩擴挖時深層支護跟進速度控制

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

5.3.3 剩余深層支護跟進速度控制

剩余深層支護主要為兩側拱肩的端頭錨索和預應力錨桿。兩側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行，然后進行拱肩部位的3排預應力錨桿施工，以此增加同一斷面內廠頂的拱形效應。

5.4 兩側導洞與中墩跟進距離控制

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

但對于下游側導洞(第二導洞)和中墩間的間距須進行控制，為盡量減少下游側導洞開挖后中墩的應力集中和變形，下游側導洞開挖進尺最多超前中墩3～5個循環(huán)(10m以內)。

6 結 論

通過超前地質預報系統(tǒng)對地下洞室進行地質預報，根據其預報結果并結合前期地質勘探相關資料，可進一步了解和掌握地下洞室群的地質情況，為后期開挖施工起到指導性作用。

對于地質條件復雜且圍巖整體質量較差的情況，“先邊后中”的施工方式是可行的，同時按照“先軟后硬”的原則選擇第一邊導洞，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)支護的跟進次序和時間、空間控制，是關乎頂拱開挖成敗的關鍵。