复杂地质条件下地下厂房顶拱开挖施工技术

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710016)

1 工程地质情况及水文条件

溧阳抽水蓄能电站地下厂房地质条件复杂，地层内断层发育，断层主要通过勘探平洞揭露，共揭露大小断层共111条。厂区围岩主要为泥质粉砂岩和粉砂质泥岩。岩层褶皱强烈，断裂错动频繁，受岩层褶皱及断层错动影响，厂区岩层产状变化较大，大部分地段岩层倾角较陡。岩石节理发育，且受岩层产状影响较大，发育方向分散，规律性较差，难以找出优势节理组。主要节理间距为0.2～0.5m，且节理密集带较多，大部分节理的延伸受层面限制而出露较短小，近70%的节理倾角大于60°，少部分节理切层发育。厂区整体围岩岩性相对较单一，围岩质量主要受断层及层间错动带分布及节理裂隙发育程度的影响，岩体多属于镶嵌结构或镶嵌碎裂结构，以Ⅲ2～Ⅳ类为主兼有部分Ⅴ类围岩。

2 地质超前预报

为更准确地掌握施工区域内水文地质情况，采取合理的工程措施，防止塌方等事故发生，需采取超前地质预报措施进行地质预判，为后续施工提供可靠的地质参数。

2.1 TRT6000预报系统超前地质预报

2.1.1 TRT6000预报系统原理

TRT6000预报系统采用的是地震波超前预报法。通过锤击产生的地震波在隧洞洞周的岩体内传播，当遇到地质界面，如断层、破碎带和溶洞等不良地质体时，部分地震波会被地质界面反射回来，反射地震波到达传感器后被主机接收并记录，经TRT6000地震波超前地质预报系统处理分析，可得到隧洞掌子面前方地质体的层析扫描三维图像，从而判别隧洞掌子面前方是否存在不良地质体以及不良地质体的位置。

2.1.2 现场预报分析

为进一步获取溧阳地下厂房、主变洞等大型地下洞室地质及水文情况，在洞室开挖前和洞室开挖过程中分别进行了5次TRT6000地质超前预报。

TRT6000层析扫描成像图见图1。

图1 TRT6000层析扫描成像俯视图注 图中每小格体积为10m×10m×10m；图中蓝色代表低阻抗，黄色代表高阻抗，阻抗为密度和波速的乘积，低阻抗说明其密度相对小，高阻抗说明其密度相对大。

根据TRT6000超前地质预报系统成像分析，并结合地质勘查资料得出预报结论，见表1，预报距离为216m。

表1 超前地质预报成果

2.1.3 TRT6000地质预报总体评价

通过在施工前和施工过程中，采用TRT6000地质预报系统对施工掌子面进行超前预报，及时了解施工环境的地质条件和围岩状况，从而进一步优化或改进施工方法，必要时采取相应的超前支护措施进行围岩加固，能有效避免在施工中出现大面积滑塌或塌方。

2.2 地质雷达超前预报

2.2.1 地质雷达预报原理

地质雷达依据电磁波脉冲在地下传播的原理进行工作，当雷达脉冲在地下传播过程中，遇到不同电性介质交界面时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射。使用相应处理软件进行资料分析，最终得到各测线的成果图，以此进行分析评价工作。

2.2.2 现场预报分析

为进一步校核和印证TRT6000预报系统超前预报成果，在洞室开挖期间，采用地质雷达在厂房顶拱上部8m廊道向下对地下厂房桩号0+53～0+83段进行超前地质预报。

地质雷达成像图见图2。

图2 桩号0+53～0+67与桩号0+67～0+83雷达波形图

根据图2分析可知：

a.结合地勘资料及雷达成像综合分析，在8m廊道下方深度18m左右，可能存在断层、裂隙；在8m灌浆廊道下方深度35m左右，可能为F54断层。

b.预报桩号段可能出现断层或裂隙，建议开挖过程中加强施工安全措施。

2.2.3 地质雷达超前地质预报总体评价

通过地质雷达对疑似厂房F54断层的部位进行扫描预判，结合TRT6000预报结果，对厂房F54断层的发育性状、影响范围等有了更进一步的了解，为后续该部位施工时提出了预警信号，并以此作为施工方案调整的依据，提前做出方案调整和应对措施，确保施工安全和工程安全。

2.3 超前探洞地质勘探

在施工过程中，根据原地质勘探成果和TRT6000超前地质预报成果，在主厂房上游边导洞施工临近F54断层时，为进一步了解F54断层分布情况和性状，提前以超前探洞的方式穿越F54断层。超前探洞布置示意图见图3。

通过现场实际勘查，穿越主厂房、主变洞的F54断层带由红褐色(灰白色)断层泥和碎裂岩、角砾岩组成。现场所揭露的F54断层破碎及影响带宽度较原地勘时有一定变化，总宽度为3.7～12.2m，其中断层破碎带宽1.5～4.5m，上盘影响带宽1.5～6.8m，总体影响范围较原地勘情况加大。具体揭露情况见图4。

经现场施工超前探洞后，设计根据现场实际揭露的地质情况，对主厂房F54断层段的厂顶支护作出了相应调整，加大支护力度，以此提高该断层的稳定性，防止因系统支护薄弱而失稳。同时，针对揭露的实际地质条件，施工方法和方式也作出了相应调整，采取超前预支护、快速封闭、短进尺、预留核心土等具体措施进行F54断层施工。

图3 主厂房F54断层超前探洞示意图 (单位：mm)

图4 超前探洞揭露的F54断层性状

3 顶拱层开挖分层分区

鉴于溧阳地下厂房地质条件复杂，结合中导洞法和边导洞法对地质条件的适用情况，并经多次专家咨询论证后，确定溧阳地下厂房顶拱层开挖采用“两侧导洞领先、中墩扩挖跟进”的方式进行施工。

主厂房顶拱层分层高度为7.75m，高程为-16.05～-23.8m。具体分层分区及效果见图5。

NRDS临床中又称为新生儿肺透明膜病，常由新生儿PS分泌不足、肺发育不成熟、肺泡塌陷[7]。NRDS患儿常出现肺泡换气功能不足，通气量不足及二氧化碳潴留导致患儿出现呼吸衰竭，并是导致早产儿死亡的主要原因之一[8]。一般情况下，采用机械通气和PS干预后，可有效改善NRDS患儿病情，降低患儿病死率。但有研究指出，采用气管插管行机械通气治疗后常导致患儿出现声带损伤、肺损伤、肺部感染、气胸等风险不容忽视[9]。欧洲新生儿NRDS防治指南中应尽可能避免行机械通气或极可能减少机械通气时间，以减少肺部损伤。BiPAP是近年来临床中逐步推广应用的治疗NRDS方法，并得到诸多专家认可[10]。

图5 主厂房顶拱层分层分区及效果图 (单位：mm)

顶拱开挖总面积为154.2m2；两侧导洞宽8.59m，高6.905m，开挖面积44.5m2；中墩宽8.32m(下部)，高7.75m，开挖面积65.3m2。

采取上述分区主要考虑多臂钻、湿喷台车等大型支护设备的操作空间以及系统锚杆长度等因素；另外，上述分区可保证在每个分区内有两排对穿锚索，在开挖成型后，可及时进行对穿锚索施工，确保施工安全和工程安全。中墩部位采用半径2.5m的圆弧进行过渡，其主要目的是减少两侧导洞开挖后中墩的应力集中以及提高两侧导洞顶拱的拱形效应。

4 顶层作业循环参数优化

确定具体分区后，选择合适的作业循环参数是顶拱层开挖是否成功的关键。主要包括边导洞开挖和中墩扩挖两部分。

4.1 边导洞开挖

根据施工方案总体研究，初拟顶拱层边导洞开挖循环进尺为2.5m，但在过渡段(厂房挑顶过渡段)施工时发现，由于围岩结构破碎、节理裂隙发育，爆破完成后极易出现楔形体掉块现象，局部出现连锁反应而形成大面积超挖。

为验证该现象是否为循环进尺过长和爆破震动影响所致，通过多次不同进尺的开挖试验和现场勘查分析，确定循环进尺是造成上述现象的主要因素，循环进尺越大，一次揭露的不稳定块体越多，相互之间因挤压力不足而导致的自稳能力降低越大，同时，爆破震动亦对其造成一定影响，循环进尺越大，爆破时单孔装药量越多，其爆破震动越强，在这两种原因的共同作用下，最终导致不稳定楔形块体脱落，形成大面积超挖。

为此，在后续的边导洞开挖支护过程中，吸取过渡段施工经验，并不断调整优化，最终确定边导洞开挖支护循环进尺为：Ⅲ类围岩每循环进尺2.4m，Ⅳ1类围岩每循环进尺1.2～1.8m，Ⅳ2、Ⅴ类围岩每循环进尺0.6～1.0m。

4.2 中墩扩挖

据施工方案总体研究，初拟顶拱层中墩扩挖循环进尺为3.5m，根据边导洞施工经验，该循环进尺极易引起顶拱不稳定块体掉块，但由于两侧导洞已开挖成型，中墩扩挖时不需进行掏槽施工(三向临空面)，从而可大大减少单孔装药量，降低爆破震动对顶拱部位不稳定楔形块体的影响。

5 各类支护次序与开挖跟进速度控制

在顶拱层分区时，充分考虑各种主要支护类型在各分区内的布置形式，以便在各区开挖时均有主要支护体对成型顶拱形成支撑体，防止因支护力度不足而导致顶拱失稳。

溧阳地下厂房工程主要支护类型有：随机超前支护及临时支护、喷混凝土、钢筋拱肋、系统锚杆、预应力锚杆、系统锚索等。根据其作用范围可大致分为：超前支护、浅层支护和深层支护三大类。其总体跟进次序为：超前支护→浅层支护→深层支护。

5.1 超前支护及临时支护

在循环进尺前增加超前小导管或超前锚杆等措施，以此提高围岩自稳能力。

5.2 浅层支护

浅层支护主要为喷混凝土、钢筋拱肋、系统锚杆等支护类型。

跟进次序为：初喷3～5cm混凝土→系统锚杆施工→钢筋拱肋施工→复喷混凝土至设计厚度。

5.2.1 边导洞开挖时浅层支护跟进速度控制

对于Ⅲ、Ⅳ1类围岩区，开挖出渣后立即进行喷混凝土封闭，每两个循环进行一次系统锚杆施工；对于Ⅳ2、Ⅴ类围岩区，出渣前先喷混凝土封闭，然后再开挖出渣，每循环进行一次系统锚杆施工，做到系统锚杆紧跟开挖掌子面。钢筋拱肋在不影响前方掌子面钻爆、喷钢纤维混凝土和锚杆施工的情况下及时跟进，一般距掌子面10～15m。

5.2.2 中墩扩挖时浅层支护跟进速度控制

由于两侧边导洞开挖已成型，中墩扩挖后即形成全断面大洞室顶拱，其中墩扩挖后系统支护必须及时跟进，以防止顶拱变形破坏。

爆破开挖后先进行混凝土初喷封闭，然后进行系统锚杆施工。因两侧导洞钢筋拱肋已成型，故中墩系统锚杆施工完成后即进行钢筋拱肋施工，使之与两侧导洞的钢筋拱肋连接成拱，然后再进行混凝土复喷施工。中墩扩挖时，喷混凝土、系统锚杆、钢筋拱肋必须全部完成后方可进行下一循环开挖施工。

5.3 深层支护

深层支护主要为预应力锚杆和系统锚索施工。

跟进次序为：作业区域揭露的对穿锚索→端头锚索→预应力锚杆。

5.3.1 边导洞开挖时深层支护跟进速度控制

在边导洞开挖施工过程中，第一边导洞为独立作业面，在有系统锚杆、喷混凝土、钢筋拱肋等支护的作用下，其对穿锚索施工可相对滞后，第一导洞对穿锚索施工距离掌子面距离为30～40m，但必须在中墩扩挖至该断面前完成施工。其目的在于中墩扩挖后，同一断面内除中墩对应的对穿锚索外，两侧导洞已形成深层支护。

第二边导洞开挖因受中墩扩挖影响，其超前中墩距离必须严格控制，以防止中墩独立受力时失稳导致塌方事故。因此，在第二导洞开挖及浅层支护完成的情况下，需适时跟进对穿锚索施工，跟进距离为10～15m。

5.3.2 中墩扩挖时深层支护跟进速度控制

为兼顾掌子面开挖施工和洞室顶拱安全、稳定，中墩扩挖所揭露的断层两排对穿锚索施工跟进距离为10～15m，实施过程中可通过施工临时安全监测进行洞室围岩变形监测，如出现异常情况可及时调整对穿锚索跟进距离，防止出现浅层支护力不足而导致顶拱失稳。

5.3.3 剩余深层支护跟进速度控制

剩余深层支护主要为两侧拱肩的端头锚索和预应力锚杆。两侧端头可在同一桩号范围的中墩部位对穿锚索张拉完成后进行，然后进行拱肩部位的3排预应力锚杆施工，以此增加同一断面内厂顶的拱形效应。

5.4 两侧导洞与中墩跟进距离控制

按照“先软后硬”的原则，将围岩相对较差的上游侧导洞作为第一导洞，因第一导洞开挖后对中墩应力和变形影响相对较小，其施工可相对独立安排，其与下游侧导洞(第二导洞)和中墩掌子面间距不作硬性规定。

但对于下游侧导洞(第二导洞)和中墩间的间距须进行控制，为尽量减少下游侧导洞开挖后中墩的应力集中和变形，下游侧导洞开挖进尺最多超前中墩3～5个循环(10m以内)。

6 结 论

通过超前地质预报系统对地下洞室进行地质预报，根据其预报结果并结合前期地质勘探相关资料，可进一步了解和掌握地下洞室群的地质情况，为后期开挖施工起到指导性作用。

对于地质条件复杂且围岩整体质量较差的情况，“先边后中”的施工方式是可行的，同时按照“先软后硬”的原则选择第一边导洞，能有效保证施工安全和工程安全。除满足上述两大原则外，“排水先行”是地下洞室施工的前提，后续施工中，各类系统支护的跟进次序和时间、空间控制，是关乎顶拱开挖成败的关键。