崩積地層地下閥室開挖與支護方案研究

楊謙YANG Qian

（中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100025）

1 概述

在FAN 水電站輸水隧道施工過程中，針對崩積層內高壓鋼管段，圍繞蝴蝶閥室開挖難度大，開展崩積地層地下閥室開挖與支護方案研究，并給出具體的開挖與支護方案。隧洞立面布置見圖1。

圖1 蝶閥室至隧洞出口縱剖面開挖支護圖

在組織開展地下工程開挖作業時，圍巖類別是一項重要的控制性客觀條件。對于處于崩積層的地下結構物來說，無論是開挖，還是支護，國內早已開展相應應的研究工作，許多成熟的技術、經驗等都可以參考、借鑒。比較典型的諸如開鉆先導孔，檢查圍巖地質結構，確定開挖線路；開挖進尺作業中，淺孔、密孔、少藥量弱爆破等是比較常用的作業方式，具體作業方式結合實際情況進行選擇；應用快速腳手架搭設技術；支護選型方面，主要采用錨噴方式進行支護，對于臨時支護甚至可以采用鋼拱架或者混凝土襯砌方式等。開挖W蝶閥室時，對于Ⅴ類圍巖地質結構，在夾泥崩積地層中開挖空間結構物，空間結構的長、寬、高尺寸為15.8m、7.1m、14m，施工作業過程中，需要具備豐富的施工技術經驗。

對于FAN 水電站蝶閥室，施工作業過程中，需要依托上述常用技術，也可以應用小斷面導洞開挖等開挖技術。

在實際作業過程中，崩積地層地下閥室開挖與支護的難點主要表現為：

①對于地下工程，在組織開展開挖作業時，不可預見情況也較為常見。

②對于夾泥崩積地層，Ⅴ類圍巖是較為常見的地質結構點，這種地質結構的施工難點在于堆積體松散、裂隙高度張開大等。對于崩積體巖塊，其抗壓強度一般在8.2～15.6MPa 之間，這些情況在一定程度上嚴重影響開挖方式、支護方式和作業安全。

③崩積地層地下閥室開挖與支護現場坐落在埃塞俄比亞境，嚴重缺乏施工設備和材料，能夠進行熟練作業的工人更是少之又少，毫無挑選的余地。基于上述分析，崩積地層地下閥室開挖與支護方案的研究更具有推廣價值。

2 研究技術路線及技術方案

2.1 總體思路及技術性能指標

技術方案總體思路：本項目主要是利用價值工程原理對技術方案進行技術經濟評價，通過增加少量投入（C）實現方案功能（F）：保證安全和發電按計劃進行，避免重大損失。

在技術性能指標方面，主要包括：無人員傷亡，圍巖和結構物不存在諸如變形、垮塌、滲漏等地質危害。

2.2 技術方案

2.2.1 選址設計

閥室位置的初步確定，需要結合地質補勘的實際情況，如果地質條件較為惡劣，在這種情況下，需要采用地下洞室的開挖方式，再結合勘探孔進行確定，如果在高壓管線線路上進行施工作業，一般最后確定變換蝶閥室的位置。綜合分析經濟效益、社會效益，本項目中的W 蝶閥室開挖作業，比較常用的方式就是選在地下崩積層（colluvium）中進行施工作業。

2.2.2 確定開挖線路

在開挖作業現場，對于開挖線路的確定，需要收集、處理地質條件資料、水文資料等數據信息，同時綜合分析施工前后安全性、蝶閥室上游盲端洞室開挖等。為了確保開挖作業的安全性，開挖路線需要經過設計方、施工方的現場討論最后確定，在本項目開挖作業中，最終的開挖路線為從靠山體側向，采用小斷面挖斜井作業方式，直接開挖到設計頂部高程，然后再向下回挖。與外側開挖作業方式相比，在靠近山體側方，巖體風化較輕，開挖到構造物頂部后，再挖外側山體，這種開挖作業方式，需要具有良好的圍巖穩定性。針對導洞進口端的外側位置，在懸空巖體下方設置直徑250cm 的鋼管立柱，借助鋼管立柱對構造物進行支護，提升裂縫切割體的穩定性。

2.2.3 確定開挖進尺、循環支護方式

對于單循環開挖尺來說，根據全斷面形成前后可以分為全斷面形成之前的分段成拱循環掏槽進尺和全斷面形成后的全斷面開挖循環進尺。在開挖標準化、開挖步驟方面，對于循環開挖方式來說，需要根據閥室開挖開工之前的實際情況，如巖體和材料、工藝特性等，在開挖蝶閥室前進行探索。

靈活采用冗余設計和設計變更，通過價值計算，采用臨時支護冗余措施（管棚，固結灌漿和6 管立柱支撐等）的費用累計約1.1 萬元人民幣，但產生的直接工期效益至少310 萬元人民幣，價值功能系數近300，因此該方案立即被接受。

2.3 實施技術方案的工藝

2.3.1 技術控制與質量保證

在對地下工程進行開挖作業時，為了保障開挖作業的安全性，在尊重客觀實際的基礎上，嚴格遵守規程規范要求，對開挖作業質量進行嚴格控制，確保工程質量的安全性，并且如期完成，對于崩積層地下空間開挖作業來說更是如此，只有這樣開挖作業安全才有保障。

①閥室開挖與支護。

嚴格按照《FAN 項目地下工程技術規范》（W-TS-C-06R1）相關規定要求組織開展閥室開挖與支護作業，該規范符合美國《巖芯勘探鉆孔與取樣標準慣例》（ASTM D 2113）、USACE EM-1110-2-2901“巖石中的隧洞和豎井”、中國《爆破安全規程》等規范要求。其中：

在導洞與蝶閥室頂部之間，一般采用分段爆破的方式進行開挖作業，分段開挖鉆孔進尺一般控制在1.0-1.2m之間，單項爆破寬度控制在1.5-2.0m 之間。爆破作業完成之后，需要對巖面進行封閉處理，經常采用的方式為安全噴射混凝土方法，然后采用焊接鋼拱架加長部分的方式進行跟進處理。在開挖導洞前期，需要綜合分析材料、巖石、工藝特性等指標參數，對標準化的循環工藝流程進行明確。具體如圖2 所示。

圖2 標準化掏槽成拱流程圖

對于導洞，在形成全斷面拱架后，對城門洞型閥室需要采用全斷面開挖與支護方式進行處理。在鉆孔進尺標準方面，全斷面進尺長度控制在1.0-1.2m 之間，采用“八”字掏槽方式，處理方式一般采用炸藥、電雷管進行爆破。施工作業現場，需要結合圍巖的實際情況，一般采用分段聯網方式管控，單次裝藥量不超過128kg。每次完成爆破后，對巖面進行封閉處理，常用的方式為全噴射混凝土工藝，然后采用焊接鋼拱架加長部分進行跟進處理方式。

②按照《FAN 項目鉆孔與灌漿技術規范》（W-TS-C-04）要求，開展回填灌漿、超前管棚灌漿作業，質量控制要求，水泥凈漿水灰比0.5∶1，采用麥氏注漿機進行注漿作業。

③嚴格遵守《W 混凝土工程技術規范》W-TS-C-05 要求開展噴射混凝土、回填混凝土作業，該規范等同于美國ACI318 規范等，并且材料執行美國ASTM C33 等系列規范。

干噴混凝土采用C30 級配合比。人工砂與水泥配比一般為1∶1，采用人工方式拌制噴混凝土。人工砂細度控制在3.6～3.85，并且沒有小石。

水泥選用OPC425 水泥，速凝劑含量控制在2%。

噴槍與噴面之間的距離控制在60-100cm 之間，偏差控制在±20cm。初噴作業方式一般采用安全噴混凝土施工技術。

為了提高混凝土的噴射質量，對于混凝土的每次噴射，需要取大板進行強度檢測。

設計強度方面，回填混凝土為1500psi，施工時控制在5000psi，為提高混凝土的早期強度，減少等待混凝土的凝固時間，確保施工進度。

④執行按照《FAN 項目安全檢測規程》W-TS-C-011要求進行安全檢測，該規范與美國陸軍工程師團EM1110-2-1908《土石壩及堤防觀測儀器》中的部分要求類似，設置了3 只多點位移計，以及6 只錨桿應力計。

2.3.2 安全措施

①開工前需要對開挖方案進行開會討論，人員涉及操作工、技術員等相關責任人，如果出現地質問題，需要相關方組織專家進行會診。在作業施工現場，嚴格按照開挖順序進行開挖，并做好支護保護工作，并對每一個作業人員進行交底，防止危險源向下一道工序轉移，例如模板工、混凝土操作工等工種，注意錨桿標識，防止意外攀爬造成安全隱患。

②管理措施落實方面，指定專人負責檢查。發現問題立即解決。

③封閉防護方面，保證鉆孔作業人員安全施工作業。

④作業面通風換氣方面，加強通風換氣管理（用直徑60cm 的風帶處理），保證空氣新鮮度等。

⑤照明方面，安裝規定數量的燈具，保證作業現場清晰明亮。

⑥場內電線具有良好的絕緣性，避免出現較多接頭的電線，出現潛在安全隱患。

⑦完成爆破作業后，做好揚塵清理工作，對于掌子面需要做好安全排險工作。

⑧對于開挖面，在作業現場需要做好噴護封閉工作。

⑨前期開挖作業中，做好安全防護標準化工作，最大限度規避潛在風險。

⑩作業現場應急管理，安排專車、急救人員24 小時值班。

11○施工安全無法保證時，需要制定完善的設計變更措施，確保施工作業順利進行。

3 施工實踐

崩積地層地下閥室開挖與支護項目，項目周期為2010 年9 月到2011 年1 月，項目工期4 個多月。在對W蝶閥室進行開挖作業時，先后歷經4 次塌方，沒有造成任何安全損失，這一切充分證明這些綜合措施具有重要的推廣意義和示范作用。

①項目施工作業現場，2011 年12 月份，在FAN 項目蝶閥室開挖作業現場，首次使用安全噴射混凝土施工技術。在蝶閥室頂部約12m2的位置，最大高度約8m 的塌方首次出現，在塌方體中，風化砂巖（sandstone）破碎的現象出現在露出的崩積層（colluvium）中，并且伴隨著掉塊額出現，在一定程度上嚴重影響開挖作業的安全性，同時在對混凝土進行噴涂作業時，出現的掉塊會二次引發塌方現象。在塌方體上游墻面位置出現破碎的巖石，出現兩條平行的破碎裂隙，裂隙開度約為1-40cm。

②蝶閥室頂部首次出現塌方后，利用原有的鋼拱架進行防護，避免塌方擴大，按照施工方案，需要設置6 管立柱群，采用原木封頂與鋼拱架防護相互結合的方式進行處理，對于塌方后出現的脫空面，一般采用噴混凝土的方式，進行封閉處理，然后再結合管棚支護、網噴混凝土等方式進行二次加固。

項目發生大塌方現象后，經過專家組、施工方等多方論證，最終綜合分析可行性、經濟型等指標，確認采用冗余支護設計方式進行塌方處理。開挖作業現場出現塌方后，閥室頂部出現10m×10m×8m 的塌方空洞，并且周圍伴隨出現圍巖浮石，塊石下落隨時可能發生。基于此，需要提前設置鋼拱架，一般利用6 根鋼管作為支撐系統，其中2 根作為冗余立柱，這2 根立柱的作用是均衡其他構件的受力，避免圍巖再次垮塌。從實際效果來看，這種設計方式，無論是支撐結構，還是受力結構，都具有較強的科學性、合理性，在后續開挖作業中，如果這2 根立柱出現損壞，其余4 根同樣具有支護、支架功能，不會對支護功能產生影響。

③利用高空噴射混凝土技術進行噴射作業時，需要在作業現場搭建腳手架，安裝高空混凝土噴射裝置，利用噴槍沿著指定方向噴射混凝土。

④在塌方、掉石較為頻繁的作業現場，為了確保開挖作業安全，一般縮小鋼拱架間距、優化澆筑封頂混凝土等。

⑤完成最后一個爆破作業后，大面積塌方出現在閥室頂部1200m2位置，經過討論研究，最終決定重新布置蝶閥室結構物，縮減拱架間距的方式，消除安全隱患。

4 本研究項目的有益效果

崩積地層地下閥室開挖與支護是在崩積層（colluvium）地質環境極為惡劣的條件實施的，具有較強的示范作用和推廣價值，尤其惡劣環境下組織開挖作業，利用上述開挖作業方式，可以有效降低作業風險，為施工作業提供參考依據。

5 結語

崩積地層地下閥室開挖與支護研究是綜合分析開挖作業出露圍巖的實際情況，優化開挖作業施工參數，組織實施的一系列實踐活動，從某種意義上說，這一研究主要針對特殊危險地層組織開挖作業的總結，開挖作業現場，由于施工作業人員采用上述技術方案，取得良好的經濟效益和社會效益，尤其是整個施工過程未發生人身傷害、財產損失等現象，為施工作業單位樹立良好的社會形象。基于此，該項目研究在建筑行業具有廣闊的推廣意義和發展前景。