层状岩层高临空面地下洞室开挖与支护技术探讨

任海军，张明高

(1.长江科学院，湖北武汉430010；2.重庆巨能建设(集团)有限公司，重庆401120)



层状岩层高临空面地下洞室开挖与支护技术探讨

任海军1，张明高2

(1.长江科学院，湖北武汉430010；2.重庆巨能建设(集团)有限公司，重庆401120)

结合阿尔塔什水利枢纽2号深孔排沙放空洞龙抬头直线段开挖工程实例，对层状岩层高临空面地下洞室开挖与支护技术进行探讨。实践证明，高临空面地下洞室开挖中应重点考虑施工台车的整体刚度和稳定性，通过根据围岩的揭露情况及时调整施工方案，不仅有利于围岩的稳定性，而且可以加快施工进度，节约工程造价。

层状岩层；高临空面；地下洞室；开挖；支护；阿尔塔什水利枢纽

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于喀什地区莎车县和克孜勒苏柯尔克孜自治州阿克陶县交界处，是塔里木河主要源流之一的叶尔羌河流域内最大的控制性山区水库工程，主要由拦河坝(混凝土面板砂砾石堆石坝)，1、2号表孔溢洪洞，中孔泄洪洞，1、2号深孔排沙放空洞，引水发电系统，电站厂房，生态基流引水发电系统及其发电厂房等建筑物组成，规划水库正常蓄水位1 820 m，最大坝高164.8 m，水库总库容22.49亿m3，电站总装机容量755 MW，设计年发电量22.6亿kW·h，为一等大(1)型工程。该工程具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能，建成后可大大调节叶尔羌河径流在年内的分配，对于促进南疆地区的经济社会发展，维护民族团结和社会稳定，以及惠及百姓民生具有重大意义。

阿尔塔什水利枢纽2号深孔排沙放空洞位于左岸中孔泄洪洞右侧，采用龙抬头布置形式与导流洞结合。由于先期导流洞工程开挖已完成，2号深孔排沙放空洞龙抬头直线段开挖时，龙抬头开挖部位距离导流洞底板最小高差14 m，最大高差达到32 m，因施工总体规划欠考虑，造成了高临空面地下洞室开挖，增加了施工难度。本文结合阿尔塔什水利枢纽2号深孔排沙放空洞龙抬头直线段开挖工程实例，从围岩的地质构造形态对围岩稳定性的影响进行分析，对层状岩层高临空面地下洞室开挖与支护技术进行探讨。

2 2号深孔排沙放空洞概况

2号深孔排沙放空洞由引渠段、进口有压洞段、进口闸井段、洞身段、出口扩散段、消能段及出口明渠段等组成。洞身段(桩号0+000.00～0+567.476 )包括龙抬头段和与导流洞结合段。龙抬头段桩号为0+000.00～0+162.478，其中桩号0+000.00～0+020.00段为渐变段，由7.1 m×10.253 m的矩形断面渐变至9 m×11 m的城门洞形断面，拱顶角为120°，衬砌厚2.5～2.0 m；渐变段后为“龙抬头”洞身段，反弧段与渥奇段由i=0.3的直线连接，反弧段末端与导流洞连接，反弧半径R=80 m，圆心角α=16.13°，末端高程1 661.735 m。龙抬头直线段(桩号0+055.00～0+114.475)在施工前，下部已按导流洞开挖断面尺寸成型，两侧边墙混凝土已浇筑完成，上部形成倒悬三角体，属高临空面的地下洞室二次开挖。

根据地质勘查资料分析，2号深孔排沙放空洞位于左岸斜坡，自然边坡35°～70°，基岩裸露，岩性为灰岩、白云质灰岩，强风化层厚3～5 m，弱风化层厚15～20 m。岩层层理发育，呈中厚～薄层状，产状355°SW∠65°～80°，倾向坡外，岩体中顺层小断层发育。龙抬头段沿线地层岩性以巨厚层白云质灰岩为主，其次为层状～薄层状灰岩，互层状，岩层产状345～355°SW∠70°～80°，层面走向与洞轴线近垂直，主要结构面为顺层结构面，沿线顺层小断层发育，破碎带宽度一般为0.1～2 m，由角砾岩夹糜棱岩及断层泥组成，洞身段上覆岩体厚一般为104～171 m，位于微风化～新鲜岩体中，围岩以Ⅲ类为主。桩号0+55～0+76段顺层断层发育，局部稳定性差。

3 高临空面地下洞室开挖与支护技术

3.1 移动式开挖支护台车制作

2号深孔龙抬头直线段开挖时，以制作的穿行式钻孔台车为基础，每循环爆破后在台车上搭设钢管脚手架，钢管脚手架的高度以掌子面高度确定，每循环装药后，拆除台车上脚手架，将台车行走至下游安全区内，爆破排烟后台车行走至掌子面附近，根据掌子面高度搭设脚手架，进行浮石清除和下一循环钻孔爆破。主要开挖方法示意如图1所示。

图1 龙抬头直线段爆破开挖循环示意

由于开挖面距导流洞底板最小高差14 m，最大高差达到32 m，穿行式钻孔台车来回移动，上部脚手架不断搭拆，对台车下部结构的整体性和刚度要求更高。在总结前期简易台车使用过程中出现的问题的基础上，通过优化每循环爆破过程中台车移动距离和上部脚手架搭拆工程量，结合现有导流洞混凝土浇筑台车，设计了移动式开挖支护台车，如图2所示。下部为穿行式钢模台车，便于爆破后出渣时车辆穿行；台车上采用型钢焊接承重平台，作为上部脚手架搭设基础，随着开挖掌子面增高而逐步加高，满足整体刚度要求；上部脚手架采用φ48×3.5 mm钢管搭设，立杆下部与承重平台型钢用扣件固定牢固，立杆间距1.0 m，步距1.5 m，剪刀撑宽度不小于4跨。

图2 移动式开挖支护台车示意

移动式开挖支护台车上部脚手架平台，在每一循环爆破前后都需搭拆，钢管、扣件等材料周转施工频繁，损坏率较高，此外，高空作业，安全防护尤为重要。每次搭拆前，技术管理人员必须对施工人员进行安全技术交底，对搭设材料进行严格检查；搭设过程中，按照搭设设计方案进行检查验收，确保脚手架施工质量，并监督施工过程中的安全行为；拆除过程中，按照拆除方案自上而下依次拆除，一步一清，严禁上下同时作业，并做好对钢管、扣件的堆放与保护。台车移动过程中，做好导轨的铺设，避免台车偏斜，影响到上部脚手架搭设不对称。

3.2 隧洞开挖爆破参数控制

在下部导流洞开挖衬砌后进行，2号深孔龙抬头直线段开挖，隧洞开挖爆破参数的设计，不反要考虑倒悬体围岩的稳定性，还需考虑下部混凝土的保护。由于开挖断面大、爆破临空面高，通过多次论证分析，最终选用分段分层开挖，即从桩号0+114.475向上游开挖推进，桩号0+114.475～0+80段全断面开挖成型，桩号0+80～0+55段分两层开挖成型。根据已揭露岩层情况分析，龙抬头直线段围岩岩层走向与洞挖几何夹角为80°～90°，岩层倾角较大，此类洞挖围岩稳定性较好[2]，但是受顺层小断层的影响，围岩存在局部破碎，爆破开挖后，周边一定范围内的岩体受扰动以及临空面的存在，在岩体自重应力作用下，易发生失稳，不能有效形成具有一定承载力和自稳性的围岩承载力拱环。因此，爆破参数设计应尽量考虑弱爆破，减少对周边围岩的扰动。另外，通过爆破参数设计控制炮渣的粒径大小，也可以有效的控制炮渣对下部结构混凝土的砸伤。

经爆破参数不断调整优化，每次循环爆破周边孔采用小直径药卷底部加强不耦合装药，小药卷每根截成两段，装药间距40～45 cm，药卷分部必须均匀，孔距采用30～50 cm，顶拱部位加密隔孔装药，线装药量不大于200 g/m；主爆孔孔距采用60～80 cm，单孔装药量1.36～1.52 kg；掏槽孔向临空面倾斜楔形掏槽，孔距采用50 cm，单孔装药量1.6 kg；单耗控制在不大于0.3 kg/m3。起爆网络采用串、并联连接方式，周边孔采用导爆索串联，其余孔采用并联连接。

光面爆破孔孔距布置和装药量需根据开挖掌子面岩层产状和洞轴线交角适当地进行取值调整。爆破过程中，炸药爆炸释放出大量能量对围岩体做功，一方面以冲击波形式作用于药包围岩的岩面上，使得岩体产生放射状径向裂隙，同时将炸药周围一定限度内的岩石击得粉碎；另一方面爆破产生的膨胀作用加剧了上述裂隙的扩展，随着气体的扩散，其温度和压力迅速下降，先前被强烈压缩的岩石迅速卸荷，在药包周围产生一系列的环向裂隙缝。对具体的围岩体，爆破作业的不当，用药量过多，往往会造成岩体中裂隙贯通过深，引起围岩体的超挖或坍塌。因此，根据围岩受力分析和岩层产状，现场施工对洞室开挖光面爆破孔参数进行适当的调整，如顶拱部位减小孔间距，边墙部位适当增加孔间距。另外，在周边光爆孔装药结构上也进行适当的调整，对于顶拱孔采用小直径药卷底部加强不耦合装药，小药卷每根截成两段均距布置；对于两边墙及底部孔采用小直径药卷底部加强不耦合装药，小药卷单根不截断均距布置。现场施工实践证明，通过围岩受力分析进行爆破参数调整和控制，所取得的洞室开挖断面尺寸效果良好，隧洞顶拱光面爆破残孔率高，围岩稳定性较好； 两边墙光面爆破孔残孔率稍低，围岩稳定性仍较好。

3.3 隧洞围岩初期支护形式

根据地质情况，按新奥法施工原理，设计采用系统锚杆、挂网加钢拱架联合支护，系统锚杆为Φ25砂浆锚杆，长3 m，间距1.5 m，梅花形布置；钢拱架为118工字钢，间排距1 m，钢拱架之间采用Φ25钢筋连接固定；边墙顶板采用Φ8 mm钢筋网(20 cm×20 cm)；喷射C30混凝土20 cm。对于岩层不好洞段，针对岩层的具体产状，增加随机锚杆。一期支护主要保证导流洞过流期间的围岩稳定性。

根据2号深孔开挖后围岩产状分析(具体方法参考文献[2])可知，岩层走向与洞轴线夹角80°～90°时，岩层倾角在70°～80°之间，此类洞挖围岩稳定性最好，更有利于洞室开挖。在实际施工过程中，每次爆破后，及时对危岩体处理后进行素混凝土喷护封闭，在左右侧顶拱范围内垂直岩层面增打随机锚杆，通过围岩自稳逐渐形成具有一定承载力和自稳性的围岩承载力拱环。通过围岩观测和围岩稳定性分析，减少了开挖后临时支护工作量，将主要施工时间集中在爆破开挖循环工作上，在洞室开挖完成后，从高处开始采用系统锚杆联合钢拱架进行支护。现场施工实践证明，根据具体的隧洞开挖后岩体受力分析，适当调整锚杆的支护方案，有利于洞室的稳定性，加快了现场施工进度。

4 结 语

(1)层状围岩的稳定性不仅与岩层的倾角有关，岩层的走向与开挖的边界几何尺寸关系也直接影响着围岩的稳定性。根据围岩的揭露情况，及时调整支护方案，不但有利于围岩的稳定性，而且可以加快施工进度，节约工程造价。

(2)高临空面地下洞室开挖应重点考虑开挖台车的设计，特别是台车的整体刚度及稳定性。

(3)地下洞室开挖应尽量从高到低边开挖边支护施工，在设计方案确认时就应考虑施工难度和风险，尽量避免人为形成高临空面地下洞室开挖面。

[1]王启耀. 陡倾角层状岩体中大型地下洞室群围岩变形的预报与控制[D]. 上海： 同济大学，2004.

[2]任海军. 隧道开挖过程中层状围岩稳定性分析[J]. 探矿工程(岩土钻掘工程)， 2007(4)： 54- 59．

(责任编辑 焦雪梅)

Discussion on Excavation and Supporting Technologies of Underground Cavern in Layered Rock with High Overhead Surface

REN Haijun1, ZHANG Minggao2

(1. Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China; 2. Chongqing Juneng Construction (Group) Co., Ltd., Chongqing 401120, China)

Taking the excavation of dragon-raise-head straight section of No. 2 deep flushing tunnel in Aertashi Hydro Project as a study case, the excavation and supporting technologies of underground cavern in layered rock with high overhead surface are discussed. The actual practice proves that the overall rigidity and stability of construction trolley should be emphatically considered in the excavation of underground cavern with high overhead surface, and the excavation and supporting scheme should be timely adjusted according to the disclosure of surrounding rock, which is not only conducive to the stability of surrounding rock, but also can accelerate construction progress and save project cost．

layered rock; high overhead surface; underground cavern; excavation; supporting; Aertashi Hydro Project

2015- 12- 26

任海军(1980—)，男，甘肃白银人，高级工程师，硕士，主要从事岩土工程科研及监理工作．

TV554

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0559- 9342(2016)09- 0072- 03