兰州某洞库工程开挖及支护方案探讨与浅析

姜波

摘要：本项目位于兰州市城关区，项目施工所在地为军事管制区，包含洞库和营房工程。洞库工程所在位置均为全风化泥岩，主洞为强～中风化砂质泥岩，围岩等级Ⅴ级。洞库围岩级别差，且主洞开挖断面较大;引洞不同断面结构多，掘进时工序转换频繁。洞库工程为制约本项目工期的关键工程，因此是本項目的重难点工程。

Abstract： This project is located in Chengguan District， Lanzhou City. The construction site of the project is a military control area， including caves and barracks. The location of the cave storehouse is all weathered mudstone， the main cave is strong to moderate weathered sandy mudstone， and the surrounding rock is grade Ⅴ. The level of surrounding rock in the cave tunnel is poor， and the excavation section of the main tunnel is large; there are many different cross-section structures in the approach tunnel， and the process conversion is frequent during excavation. The cave project is a key project that restricts the construction period of the project， so it is the most difficult project of the project.

关键词：洞库;开挖方案;超前支护技术;双侧壁导坑施工法;施工工艺

Key words： cavern;excavation scheme;advanced support technology;double-side guide pit construction method;construction technology

中图分类号：TV554+.9;TU94+2                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0167-03

1  概述

本项目位于兰州市城关区，城关区境位于兰州盆地的东部，属祁连山褶皱系的东延部分，黄河由西向东贯穿其间，将城区分割为南北两部分。黄河以北为丘陵沟壑区，自北而南呈羽状伸向黄河，将整个北部山区分割呈梁峁丘陵。海拔1600～2032m。黄河以南南部皋兰山山地，海拔1900～2171m，其上为大面积黄土覆盖，厚度约200m左右，山坡坡度较陡，一般15°～25°左右，顶部缓坡地带部分为林地。兰州城关区气候干燥，降水量少，蒸发量大，光照充足，太阳辐射强，年日照2607小时，日照百分率59.4%，气温的年周期变化7月最高，平均22.2℃元月最低，平均为-6.9℃，无霜期179天，年平均风速2.8m/s，年最大风速21m/s，年降水量少，年际变化率大，季节分配不均，降水一般集中在4～9月，为284.3mm，占年总量的86.7%，尤其在7～9月，降雨量为192.8mm占年降水量的60.5%，年平均蒸发了为1437.7mm，为降水量的4.4倍。地表水主要为雨洪季节封闭洼地中汇集的大气降水。地下水主要为基岩裂隙水，水量贫乏。

洞库工程所在位置均为全风化泥岩，主洞为强～中风化砂质泥岩，围岩等级Ⅴ级。项目施工所在地为军事管制区，包含洞库和营房工程，洞库工程包含2个洞库和接进道路等附属工程。其中KD-1洞库引洞长413.11m，主洞长345.51m，建筑面积6309.1m2，主洞使用面积3593.3m2;KD-2洞库引洞长395.87m，主洞长327.98m，建筑面积5982.35m2，主洞使用面积3410.99m;接进道路长935m，宽3.5m，采用沥青混疑土路面。道路两侧各设一条石砌泄洪明沟和一条石砌排水明沟，穿过道路的排水系统用圆管暗沟相连。主洞使用面积3410.99m2，坑道结构形式为贴壁式被覆，初期支护采用喷锚支护。

2  工程重难点分析及应对措施

2.1 工程特点

①本项目主要包含2个洞库。洞库掘进长度短，其中KD-1洞库引洞长411.8m，主洞长346.8m，KD-2洞库引洞长394.56m，主洞长329.28m，属于常规性工程。

②洞库工程所在位置均为全风化泥岩，主洞为强～中风化砂质泥岩，围岩等级Ⅴ级，围岩级别差，且主洞开挖断面较大;引洞不同断面结构多，施工时工序转换频繁。

③本项目施工内容涵盖了土建、电气工程、火灾报警、给排水、暖通、消防等工程，工程系统复杂，专业性强，协作单位多，各专业工种之间的穿插协作极为频繁。

2.2 工程重难点和分析对策

洞库围岩级别差，且主洞开挖断面较大;引洞不同断面结构多，掘进时工序转换频繁。洞库工程为制约本项目工期的关键工程，因此是本项目的重难点工程。主要对策措施如下：

①进场后首先组织2个洞库进行施工，均采用双端掘进，确保工期兑现。

②严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早成环”的原则组织施工，确保施工安全。

③加强超前地质预报和监控量测工作。

④选择合理的开挖方法，引洞采用下导洞适度超前全断面方法开挖，主洞采用分台阶预留核心土开挖。

⑤将洞库工程纳入项目风险管理，编制专项安全方案，组织施工人员进行学习，加强安全教育培训和应急演练，积极主动预防。

3  总体施工方案

3.1 施工安排

本洞库明挖段、明挖暗埋段采用分级放坡开挖法施工;暗挖段引洞采用上下台阶法、主洞采用双侧壁导坑法施工，无轨运输出碴。钢筋、钢架由钢筋加工厂集中加工，运输至作业面现场安装;混凝土采用商品混凝土，运输至现场泵送入模。

3.2 施工技术方案

本工程重难点施工技术方案包括洞库进洞施工方案、主洞开挖施工技术方案。本洞库进洞均采用大管棚超前支护进洞，进入暗洞后采用上下台阶法开挖。

3.2.1 进洞施工方案

进洞开挖前，首先测量放出边、仰坡开挖线，仰坡坡脚2m外应施作临时排水沟（排水沟采用C20混凝土或M10浆砌片石施工，结构尺寸为60cm×60cm梯形排水沟）。洞口边、仰坡段施工时，土质岩体采用挖掘机纵向分段自上而下分层开挖。人工整修边仰坡，边坡坡率为1：1.1，仰坡坡率为1：1，按设计要求一次到位，挖掘机配合自卸车装运弃渣。

洞口段边仰坡整修到位后，加固采用4m长的Φ25砂浆锚杆沿边、仰坡按1m×1m间距梅花型布置，再挂设？准8钢筋网格间距20×20cm，最后施作C20喷射混凝土厚15cm，边仰坡喷射混凝土内应设置泄水孔。

洞库进口均为全风化泥岩，岩体破碎，稳定性差，地质条件较差，采用Ф108洞口长管棚进洞，用每节长4m～6m的热轧无缝钢花管（Ф108mm，壁厚6mm），于洞库拱部及起拱线下1m范围内，环向间距中至中40cm，外插角为1～3°布置。大管棚一般施工的主要工序为：施工准备→架设拱架→安装导向管→浇筑导向墙混凝土→钻孔、清孔、验孔→安装管棚→注浆→结束。流程图见图1。

3.2.2 进洞施工方案

KD-1，KD-2洞库施工是全线的控制性工程，由于工程所在位置均為全风化泥岩，主洞为强～中风化泥岩，围岩等级为Ⅴ级，且地下水主要为基岩裂隙水，水量贫乏，围岩特性不易爆破，全洞开挖采用无爆破机械开挖。主洞采用双侧壁导坑开挖法（进洞后可根据实际围岩情况调整），每循环开挖进尺1.2m。双侧壁导坑法施工工序详见示意图2，具体工序如下。

①第1步：首先要对洞库施作超前支护，这就要对上一循环架立完成的钢架进行充分利用，即先用机械对图2中①部进行机械开挖作业，在其上喷8cm厚度的混凝土封闭掌子面，并初喷4cm厚度的混凝土作为图2①部导坑附近的初期和临时支护，同时在上面架设I18临时钢架与I20b钢架，且要设置锁脚钢管。在钻设系统锚杆后，再复喷混凝土使施工达到设计厚度。

②第2步：在图2①部施工一段时间距离后，对图2②部进行机械开挖，喷厚度为8cm的混凝土封闭掌子面，并在导坑附近要初喷厚度为4cm的混凝土，并架设I18临时钢架与I20b钢架。在钻设系统锚杆后，再复喷混凝土使施工达到设计厚度。

③第3步：充分利用上一循环架立钢架，对施作洞库进行超前支护，对图2③部进行机械开挖，相关步骤与工序与图2①部相同。

④第4步：开挖图2④部，相关施工工序与步骤与图2②部操作相同。

⑤第5步：充分利用上一循环架立钢架，对施作洞库进行超前支护，对图2⑤部进行机械开挖，在其上喷8cm厚度的混凝土封闭掌子面，并初喷4cm厚度的混凝土，此时钢架架设要采用I20b拱部钢架，最后在钻设系统锚杆后，再复喷混凝土使施工达到设计厚度。

⑥第6步：充分利用上一循环架立钢架，对施作洞库进行超前支护，对图2⑥部进行机械开挖，并对导坑附近做初期及临时支护，具体工序和步骤与图2⑤部操作相同。

⑦第7步：此时要对图2⑦部进行机械开挖，并对其喷厚度为8cm的混凝土来封闭掌子面，并在上面安装架设I18横撑。

⑧第8步：对图2⑧部进行机械开挖，同样要喷厚度为8cm的混凝土来封闭掌子面。在导坑底部，要初步喷厚度为4cm的混凝土，同时要安装架设I20b钢架并使钢架封闭成环，最后要复喷混凝土，使其能达到设计厚度。

⑨第9步：此时要对二次衬砌施工已经完成部分的两侧壁底部单元进行逐段拆除工作，范围是6～8m之间。

⑩第10步：对图2IV部的仰拱进行混凝土灌注，并对图2IV部的洞库进行填充，此时要注意仰拱灌注与隧底填充理应分次施工作业完成。

？輥？輯？訛第11步：最后，要充分以监控量测结果为依据，对之前架设的I18临时钢架与横撑进行拆除，并充分利用衬砌模板台车，尽快做到一次性就完成图2V部衬砌的灌筑工作，此时要注意，衬砌与拱墙要在共同进行施工作业。

3.3 施工作业相关注意事项

必须要注意要始终坚持洞库施工的基本原则，即“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。一是要尽量采用小炮开挖或者人工进行开挖作业，并对每次装药量进行严格精准的控制。二要始终保证钢架基础的稳定，对工序出现变化处的钢架应同时架设锁脚钢管。三是要根据施工机具和人员等具体情况对开挖的导坑宽度与设置台阶的高度进行灵活调整。四是在对临时钢架拆除过程中要始终坚持拆除进度不能大于10m。五是要根据相关规范与设计标准图的要求，对洞库情况进行实时监测，根据监测结果及时判断分析洞身结构的稳定情况，灵活调整支护参数，避免出现意外或事故，在确保工程进度不断推进的同时保障施工作业人员的安全。

4  结语

随着科学技术的发展，人们开始将注意力由地上转入地下。然而传统的洞库施工工艺在经济性、安全性方面均无法达到人们的要求。由此，新的洞库施工工艺及施工方法也不断涌现。本文中提到的双侧壁导坑法施工技术遵循“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，结合大管棚超前支护，较好解决了不良地质条件下洞库开挖安全性的难题，同时也是施工安全的重要保障，为该类地下工程开挖提供了参考和借鉴。

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