地下廠房大型洞室快速開挖施工方法的探究

楊 葛，彭 偉，曹 璽，方竟宇

（1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川省成都市 610000；2. 國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省臺(tái)州市仙居縣 317300）

0 引言

隨著人類社會(huì)不斷進(jìn)步發(fā)展，對(duì)施工工期要求也不斷提高，工期在不斷壓縮減少。傳統(tǒng)地下廠房大型洞室開挖的施工方法在進(jìn)度上已逐漸滿足不了人們的要求，傳統(tǒng)施工方法需從施工場(chǎng)地合理布置、工序有序銜接、增加投入資源等方面進(jìn)行進(jìn)度提高。地下廠房大型洞室開挖由于施工通道制約和洞室場(chǎng)地有限，以上方法對(duì)工期壓縮效果甚微。所以對(duì)地下廠房大型洞室提出一套快速開挖的施工方法，顯得尤為迫切。本文介紹一種地下廠房大型洞室快速開挖施工方法，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐檢驗(yàn)，該施工方法切實(shí)可行，具有在同類行業(yè)推廣意義。

1 工程概況

地下廠房大型洞室斷面面積大于60m2或?qū)挾却笥?.5m。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，地下廠房大型洞室開挖需設(shè)計(jì)布置多條施工通道，大型洞室傳統(tǒng)施工方法是由上至下進(jìn)行分層、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、全斷面開挖”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，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，每層施工布置難度較大，時(shí)刻要考慮預(yù)留施工通道。同時(shí)大型洞室每層施工場(chǎng)地有限，增加資源投入又受場(chǎng)地的制約，導(dǎo)致工期無(wú)法壓縮，因此對(duì)工期緊任務(wù)重的大型洞室快速施工顯得尤其關(guān)鍵。

如何利用設(shè)計(jì)的現(xiàn)有施工通道，進(jìn)行快速開挖顯得十分重要。這里介紹一種地下廠房大型洞室快速開挖施工方法。

2 大型洞室快速開挖施工方法

2.1 施工布置

大型洞室開挖一般情況由兩條或兩條以上施工通道，本文以簡(jiǎn)單大型洞室為例，簡(jiǎn)單大型洞室有兩條施工通道，現(xiàn)有兩條施工通道分別為施工通道1、施工通道2。對(duì)簡(jiǎn)單大型洞室進(jìn)行分層（見圖1）。

圖1 大型洞室分層示意圖Fig.1 Hierarchy of Large Caverns

2.2 常規(guī)開挖方法

（1） 第Ⅰ層利用施工通道1進(jìn)行傳統(tǒng)常規(guī)中導(dǎo)洞開挖，再反向擴(kuò)挖，最后進(jìn)行全斷面開挖。開挖示意圖見圖2。

圖2 常規(guī)大型洞室開挖方法第Ⅰ層開挖示意圖Fig.2 Schematic diagram of the excavation of the first floor of a conventional large cavern excavation method

（2）第Ⅰ層開挖完成后，自第Ⅰ層施工通道1開始修建下坡道（施工道路坡度不得超過(guò)15%），至施工通道2。待施工道路修筑至施工通道2處，全面展開中部拉槽的開挖施工，與此同時(shí)待中部拉槽施工至施工通道1時(shí)，開始進(jìn)行上、下游側(cè)保護(hù)層錯(cuò)距開挖。由于下坡施工道路為第Ⅱ?qū)娱_挖的唯一施工道路，施工進(jìn)度受到制約。開挖示意圖見圖3。

圖3 常規(guī)大型洞室開挖方法第Ⅱ?qū)娱_挖示意圖Fig.3 Schematic diagram of the excavation of the second floor of conventional large cavern excavation method

（3）第Ⅱ?qū)娱_挖完成后，利用施工通道2為第Ⅲ層開挖的施工通道，進(jìn)行全斷面錯(cuò)距開挖。開挖示意圖見圖4。

圖4 常規(guī)大型洞室開挖方法第Ⅲ層開挖示意圖Fig.4 Schematic diagram of the third excavation of a conventional large-scale tunnel excavation method

常規(guī)開挖方法工期主要受預(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溃┕みM(jìn)度受到制約。預(yù)留道路時(shí)需分區(qū)進(jìn)行開挖，影響開挖進(jìn)度。同時(shí)第Ⅱ?qū)娱_挖時(shí)需考慮到上、下游保護(hù)層開挖出渣通道問(wèn)題，中部拉槽完成后，需進(jìn)行石渣回填，預(yù)留出渣通道。

第Ⅱ?qū)又胁坷凼┕さ缆泛统鲈缆芳吧稀⑾掠伪Ｗo(hù)層施工道路和出渣道路均要利用預(yù)留下坡道路，預(yù)留下坡道路成為第Ⅱ?qū)娱_挖的唯一施工道路。增大了施工相互干擾，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)致增加投入人員機(jī)械資源受限。

2.3 快速開挖方法

（1）快速開挖方法需兩條施工通道在大型洞室開挖前貫通，因此施工通道1、施工通道2前期工期安排時(shí)，同時(shí)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)常規(guī)中導(dǎo)洞開挖，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（見圖5）。

圖5 大型洞室第Ⅰ、Ⅲ層同時(shí)開挖示意圖Fig.5 Schematic diagram of simultaneous excavation of the first and third floors of a large cavern

（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端頭選取一處設(shè)置導(dǎo)井，導(dǎo)井位置預(yù)留端墻保護(hù)層且位于第Ⅲ層導(dǎo)洞正上方。導(dǎo)井采取正反混合法進(jìn)行人工開挖（見圖6）。

圖6 第Ⅱ?qū)訉?dǎo)井開挖示意圖Fig.6 Schematic diagram of excavation of the second guide shaft

（4）導(dǎo)井開挖完成后，第Ⅱ?qū)右源藢?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，見圖7～圖9。

圖7 第Ⅱ?qū)娱_挖示意圖1Fig.7 Schematic drawing of the second floor excavation 1

圖8 第Ⅱ?qū)娱_挖示意圖2Fig.8 Schematic diagram of the second excavation 2

圖9 第Ⅱ?qū)娱_挖順序剖面圖Fig.9 Sectional drawing of the second excavation sequence

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

圖10 第Ⅲ層預(yù)留保護(hù)層開挖Fig.10 Excavation of the third reserved protective layer

以上開挖方式克服第Ⅱ?qū)娱_挖利用單一通道分區(qū)法預(yù)留下臥道路局限性，且第Ⅱ?qū)蝇F(xiàn)場(chǎng)施工布置只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單措距開挖，就可快速開挖，解決了增加資源投入加快施工的目的。同時(shí)也節(jié)省了第Ⅲ層開挖時(shí)間，減少了工期。

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。后期在進(jìn)行光面爆破，提高洞室邊墻成型質(zhì)量。同時(shí)第Ⅲ層導(dǎo)洞開挖完成，增加了第Ⅱ?qū)优R空面，大大減低了炸藥的單耗。

2.4 快速開挖施工方法相關(guān)施工關(guān)系說(shuō)明

（1）第Ⅰ層開挖完成后必須完成Ⅰ層相關(guān)支護(hù)，才可進(jìn)行Ⅱ?qū)娱_挖。第Ⅱ、Ⅲ層支護(hù)利用開挖浮渣緊跟支護(hù)。如果圍巖條件允許情況，第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）進(jìn)行同時(shí)支護(hù)，可加快支護(hù)進(jìn)度（見圖11）。

（2）Ⅰ層（全斷面）、Ⅲ層（導(dǎo)洞）開挖過(guò)程中，Ⅰ層與Ⅲ層相向開挖過(guò)程中，按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL 378—2007）中13.2.6（當(dāng)相向開挖的兩個(gè)工作面相距小于30m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15m時(shí)，應(yīng)停止一方工作，單向開挖貫通）執(zhí)行。

（3）導(dǎo)井采用正反混合法人工開挖，按照《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL 378—2007）中13.2.7（豎井或斜井單向自下而上開挖，貫通面5m時(shí)，應(yīng)自上而下貫通）執(zhí)行。

（4）當(dāng)?shù)冖瘛ⅱ髮樱▽?dǎo)洞）開挖完成后，對(duì)第Ⅱ?qū)訃哌M(jìn)行觀察分析，遇見地質(zhì)情況較差部位，第Ⅱ?qū)娱_挖時(shí)一定要避免頂部過(guò)車或堆積其他重物，盡量減少此段圍巖受力。

3 導(dǎo)洞和導(dǎo)井大小設(shè)計(jì)及分析

大型洞室快速開挖施工方法對(duì)第Ⅲ層導(dǎo)洞大小（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)洞設(shè)計(jì)

第Ⅲ層導(dǎo)洞寬度a需考慮到第Ⅲ層邊墻開挖質(zhì)量，根據(jù)洞室預(yù)留保護(hù)層《水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范》（SL 378—2007）中5.6.5特殊部位開挖，保護(hù)層厚度不宜小于2m。綜合考慮預(yù)留保護(hù)層厚度一般取值2～2.5m。

第Ⅲ層導(dǎo)洞高度b需考慮洞室交叉的安全距離，根據(jù)《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35011—2016）中7.1.6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。

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)井設(shè)計(jì)

導(dǎo)井直徑D大小取決于兩個(gè)因素，一是導(dǎo)井作為臨空面和溜渣通道，導(dǎo)井直徑盡量取最大值，增大臨空面，同時(shí)增大溜渣通道，防止溜渣時(shí)堵井；二是導(dǎo)井僅做前期溜渣通道，為了方便施工，導(dǎo)井開挖盡量采取簡(jiǎn)單人工開挖，導(dǎo)井直徑取值便于施工。綜合以上兩個(gè)因素和以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)井直徑一般取值3～8m。

4 工程實(shí)例

大型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，尾閘洞位于主變洞下游，開挖尺寸為110m×7.8m×18.6m（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30cm），巖壁梁梁底距離底板高度12.25m，石方開挖總量15526.64m3，混凝土總量1586m3。根據(jù)尾閘洞開挖原進(jìn)度計(jì)劃159d完成，由于前期多種原因?qū)е逻M(jìn)度計(jì)劃滯后，為了滿足工期節(jié)點(diǎn)要求，項(xiàng)目部進(jìn)過(guò)反復(fù)討論研究，仔細(xì)對(duì)尾閘洞開挖施工進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)開挖施工，無(wú)法到達(dá)工期要求。為了滿足工期要求，尾閘洞開挖采用了大型洞室快速開挖方法。開挖過(guò)程中增加資源投入，加大現(xiàn)場(chǎng)管控力度，嚴(yán)格按照大型洞室快速開挖施工方法進(jìn)行施工，最終95d完成尾閘洞全部開挖。與先前傳統(tǒng)開挖工期相比，第Ⅰ層節(jié)省時(shí)間8d，第Ⅱ?qū)庸?jié)省時(shí)間34d，第Ⅲ層節(jié)省時(shí)間22d，共計(jì)節(jié)省時(shí)間64d。

經(jīng)上述分析不難看出，尾閘洞工期節(jié)省主要集中在第Ⅱ?qū)娱_挖，由于采用傳統(tǒng)開挖方法，第Ⅱ?qū)娱_挖受施工通道和支護(hù)因素制約，而采用大型洞室快速開挖施工方法，很好地解決了兩大因素。大型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）施工通道，開挖與支護(hù)同時(shí)施工（見圖11），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Fig.11 Cross-section of the second-level excavation and support construction at the same time

采用大型洞室快速開挖施工方法的尾閘洞開挖成型質(zhì)量良好，邊墻殘孔率93.3%，開挖單元評(píng)定優(yōu)良率98.2%，得到一致好評(píng)。

5 效益分析

（1）質(zhì)量角度。大型洞室快速開挖施工方法預(yù)留保護(hù)層，減少主爆區(qū)對(duì)邊墻成型影響，再進(jìn)行光面爆破，能有效控制超挖（尾閘洞平均超挖控制在4%），成型效果較好，得到各方好評(píng)。

（2）經(jīng)濟(jì)角度。①大型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，減少成本。②大型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大型洞室快速開挖施工方法增大了第Ⅱ、Ⅲ層開挖臨空面，大大降低了炸藥單耗問(wèn)題，節(jié)省了炸藥原材料費(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大型洞室快速開挖施工方法雖增加了投入資源，但大大減少開挖時(shí)間，節(jié)省工期。

（3）市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。大型洞室快速開挖施工方法提高了大型洞室傳統(tǒng)開挖工期，在今后市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)一席之位。

6 結(jié)束語(yǔ)

地下廠房大型洞室快速開挖施工方法不僅加快了施工，減少了工期，而且創(chuàng)造更多臨空面，減少了炸藥消耗。同時(shí)減少了施工干擾，無(wú)需考慮預(yù)留出渣通道，簡(jiǎn)潔了現(xiàn)場(chǎng)施工布置。大型洞室快速開挖施工方法預(yù)留保護(hù)層，有力的保證了洞室成型效果，為其他同類工程的施工提供了參考和借鑒。

地下廠房大型洞室快速開挖施工方法既保證施工質(zhì)量，又加快了進(jìn)度，也降低了成本，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。下一步研究大型洞室快速開挖施工方法在地下洞室主變洞和地下廠房中應(yīng)用。

[1] SL 266—2014 水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.SL 266—2014 Design specification for hydropower plant. Beijing：China Water & Power Press，2014.

[2] SL 642—2013水利水電地下工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.SL 642—2013 Water conservancy and hydropower underground construction organization design specification.Beijing ：China Water & Power Press，2013.

[3] SL 378—2007水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.SL 378—2007 Code for construction of underground excavation of hydraulic structures.Beijing ：China Water & Power Press，2007.

[4] GB 6722—2014爆破安全規(guī)程.北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.GB 6722—2014 Blasting safety regulations. Beijing ：China Water& Power Press，2014.

[5] SL 223—2008 水利水電建設(shè)工程驗(yàn)收規(guī)程.北京：中國(guó)水利水電出版社，2008.SL 223—2008 Egulations for acceptance of water conservancy and hydropower construction projects. Beijing ：China Water &Power Press，2008.