超大特异性岩溶斜井处理施工技术研究

任长春

(中国水利水电第六工程局有限公司，沈阳，110013)

1 工程概况

K25岩溶斜井揭露于金沙江乌东德水电站右岸山体中，靠近大坝右拱端和上游防渗体系，岩溶斜井与大坝位置关系如图1所示。该斜井发育在Pt2l3-3-1灰岩地层中且靠近Pt2l3-2-6白云岩顶面，地表呈溶蚀洼地状，出露高程约1090m，地表至高程864m附近总体上呈斜井状，斜井基本上顺层发育，自上而下具有向坡外发育和规模逐渐减小的趋势，在高程920m缩为溶缝，将溶洞天然分隔为上下两个部分，在高程864m以下尖灭为溶蚀裂隙。

图1 岩溶斜井与大坝位置关系示意

岩溶斜井总体积约36.9万m3，其中坝顶高程988m以上约18.7万m3，高程988m以下约18.2万m3。斜井内绝大部分被充填，充填物主要为块、碎石夹少量粉质粘土或砂，未见明显的地下水活动迹象，为已停止发育的死亡型岩溶洞穴。由于岩溶斜井规模较大，位于右坝肩抗力体范围且靠近上游防渗体系，其中坝顶高程988m斜井规模达80.4m×37.4m，与拱端距离仅为25.2m，对大坝拱座变形稳定存在一定影响。

K25岩溶斜井采取“坝顶高程以上岩溶斜井不开挖、‘颈缩’段浇筑混凝土拱形支挡结构、坝高以下岩溶斜井进行混凝土置换”的处理方案。岩溶斜井总处理高度约为148m(1012m～864m)。

2 设计处理方案

(1)在高程967m～985m溶洞断面“颈缩”段设置拱形混凝土支挡结构，支挡结构厚度2.7m，下部开挖时支挡其上部溶洞充填物；

(2)通过自上而下布置的9条施工支洞挖除K25岩溶斜井内、拱形支挡结构后(穹顶高程1012m以下)的充填物，并清理洞周破碎带，同时对洞周岩体进行固结灌浆；

(3)岩溶斜井高程985m以下分层回填混凝土，高程875m以下采用堆石混凝土C20，高程875m以上采用碾压混凝土C18020(三)，通水冷却至周边岩体温度后进行接触灌浆，混凝土内布置灌浆兼交通、排水廊道。

3 施工布置

3.1 斜井外部施工通道布置

K25岩溶斜井自上而下共布置9条施工支洞，通过施工支洞进行溶洞充填物的开挖支护施工。施工支洞均采用不小于4.5m×5.2m断面，末端10m～15m洞段采用扩大断面，洞身较长支洞，为方便错车，在洞身约中部布置错车洞(错车洞长约10m，宽约3m)。

图2 K25岩溶斜井施工支洞布置及分层示意

3.2 斜井内施工便道布置

斜井内以9条施工支洞口为起点，通过上下两层施工支洞之间形成“Z”字型施工便道，满足人员设备通行，便道随斜井的开挖下降逐步降低和挖除。斜井内施工便道路面宽度为4.5m，最大纵坡为12%，路面为泥结石路面，满足反铲和自卸车通行要求。

随斜井下挖，斜井内空间逐渐狭小，上下相邻施工支洞高差在15m～20m之间，内部无法通过上下相邻施工支洞形成贯通的施工便道。为尽可能减小上下相邻支洞间的高差，在斜井下挖施工至支洞底板高程位置附近时，采用将支洞末端底板15m～20m洞段按12%左右坡比对底板进行放坡开挖。

4 施工方法

K25岩溶斜井为天然发育的溶蚀洞穴，施工时，首先进行穹顶修型支护及混凝土支挡结构施工，在保证穹顶整体稳定安全的情况下，方可进行穹顶以下充填物开挖及洞壁支护施工。

待支挡结构及穹顶支护施工完毕后，分别利用9条施工支洞及斜井内的施工便道共分27层自上而下进行斜井的开挖支护施工，分层高度普遍为5m，每开挖一层支护一层，支护的同时完成洞壁的固结灌浆施工。

岩溶斜井内充填物主要为碎石土、大小块石，主要采用机械开挖，20t自卸汽车出渣。开挖过程中遇到反铲无法挖除的大块石，采用YT-28手风钻钻孔进行解爆，反铲进行挖除。

斜井内支护类型主要为锚杆、锚索、锚筋桩、挂钢筋网、喷射混凝土、洞壁固结灌浆等，由于斜井内地质条件复杂，具体支护参数根据开挖过程中实际揭露的洞璧围岩条件进行确定。每层开挖完毕后采用自制支护台车形成支护操作平台，锚杆及固结灌浆孔主要采用100B钻机造孔，人工插杆注浆，固结灌浆采用SNS灌浆泵分两序孔进行。

4.1 穹顶部位施工

4.1.1 穹顶顶部新增悬吊锚筋桩施工

在进行斜井穹顶支护施工前，为保证穹顶永久稳定及施工期斜井内施工安全，在穹顶上部(右岸缆机平台附近)向斜井内穹顶方向增加悬吊锚筋桩，对穹顶整体进行加固，并将锚筋灌注砂浆调整为水泥净浆，兼顾穹顶溶蚀带围岩固结。

锚筋桩为3根C32(三级钢)钢筋焊制而成，采用HM-80工程锚固钻机钻孔，孔径为130mm，孔深为30m～70m(具体孔深以孔底距K25溶洞穹顶岩面2m～3m控制)，间排距为4.5m×4.5m。锚筋桩每隔2m安设5cm长的隔离短钢筋和对中段钢筋，锚筋桩和隔离短钢筋、对中段钢筋采用点焊固定，确保锚筋桩插入后不直接接触孔壁，留有保护层。锚筋桩接长采用套筒连接，套筒长度不小于10cm，每根钢筋接长位置错开3m，锚筋桩配置在同一截面内的钢筋接头的截面积应小于钢筋总面积的50%。

图3 悬吊锚筋桩细部结构

悬吊锚筋桩采用“先插杆后注浆”施工工艺，采用0.5∶1的纯水泥浆进行灌注，兼顾对穹顶溶蚀带围岩进行固结施工，水泥采用强度等级42.5的高抗硫酸盐水泥。20min内完成单根锚筋桩的连续注浆(有裂隙、断层的除外)，当孔口溢出浆液或停止排气时，停止注浆。

在灌注纯浆时，若穹顶无明显漏浆则继续灌注，若穹顶漏浆比较严重时(单孔灌浆水泥量超过1t时)，由现场监理工程师确认后采用灌注配合比为0.4∶1∶1(水∶水泥∶砂)的水泥砂浆或减少单位注浆量的方式控制。

4.1.2 穹顶开挖修型

在通过新增穹顶施工支洞对溶洞穹顶支护施工时，穹顶存在围岩塌落、掉块情况。为保证施工安全，支护前对穹顶溶蚀层及破碎松动岩体进行剥离修型，并削除下垂凸体，将穹顶整体修整为大体平顺圆滑的倒凹曲面。为减少围岩扰动，穹顶修型开挖以机械为主，局部采用微小药量爆破松动挖除。

剥离修整完成后，采用C28、L=9m及C32、L=12m相间布置的预应力锚杆进行锚固支护，喷15cm厚C20混凝土挂图φ6.5@20cm×20cm钢筋网，并利用锚杆焊接φ18@1.5m×1.5m拉条钢筋。

穹顶剥离修型及支护严格按分区进行，上一个分区支护完成且确保安全的条件下方可进行相邻分区的剥离支护施工。

图4 K25溶洞穹顶开挖支护分区平面示意

4.1.3 拱形支挡结构调整方案

根据实际揭露情况，K25岩溶斜井上部颈缩段外侧，围岩条件整体较为稳定，局部岩壁岩石条件破碎，右上角存在粉质粘土区域，经设计地质确认，无施工支挡结构的必要，仅对该部位进行加强支护处理。

颈缩段外侧岩壁坡面部位采用C32，L=12m张拉锚杆进行锚固，间排距1.5m×1.5m。粉质土区域治理采用C32，L=12m张拉锚杆与3C32，L=12m锚筋桩相结合的方式进行锚固，张拉锚杆外露15cm，锚杆及锚筋桩外露段采用C20混凝土格构连接，格构混凝土尺寸为40cm×20cm，具体施工布置详见图5。对颈缩段外侧岩壁坡面及粉质粘土区域挂6.5mm@15cm×15cm钢筋网，喷C20混凝土厚度15cm。

图5 粉质粘土区域治理布置

4.2 斜井充填物及洞壁修型开挖

K25岩溶斜井揭露洞壁均为溶蚀风化带，其中上带一般厚度2m～7m，下带一般厚度7m～10m，根据设计要求，施工过程中需对溶蚀风化上带进行剥离施工，且尽量减小对溶蚀风化下带的扰动，保证岩体的稳定。

表1 风化带主要地质特征

图6 裂隙溶蚀风化带照片

4.2.1 开挖方法确定

在K25岩溶斜井实际下挖施工过程中，由于地质条件复杂，充填物岩石破碎且分布不均，随着斜井的下挖，石方量占有比例增大，充填物无法采用反铲直接挖除，因溶洞内“充填物块石夹泥/砂、碎块石架空无法成孔”、“溶蚀风化带厚度不均匀、无法爆破剥离”、“爆破震动对溶洞洞壁稳定性影响较大”及“溶洞距右岸坝肩边坡距离较近，对爆破质点震动速度要求较高”等原因，爆破开挖施工难度较大，且影响施工工期。为减少爆破对溶洞围岩的扰动，保证溶洞围岩整体稳定及施工安全，在对溶洞内充填物开挖及洞壁修型施工过程中，提出采用除特大孤石及倒悬部位凸出的危岩体采用“微小药量、松动爆破”方式挖除外，其余开挖均以反铲、破碎锤等机械开挖为主的方式进行开挖。

(1)斜井内充填物的挖除

由于溶洞内充填物岩石占有比例较大，大块孤石增多，为减小爆破震动对坝肩边坡及溶洞的震动影响，保证后续施工安全，溶洞充填物开挖主要采用液压破碎锤进行破碎开挖。施工中首先将岩层及大块孤石采用液压破碎锤分层破碎，液压锤型号KCB155，1.2m3反铲配合清除岩块及装渣，20t自卸汽车运至鲹鱼河渣场。破碎至周边洞壁时，暂停破碎，待设计及地质确认剥离层厚度后，按要求对洞壁进行破碎剥离修整施工。

(2)洞壁溶蚀风化上带剥离施工

根据现场地质编录及补充勘探，充填物清挖后，揭露洞壁为裂隙性溶蚀风化带，其中上带一般厚度为2m～7m，岩体质量为Ⅳ2级；下带一般厚度为7m～10m，岩体质量为Ⅲ2级。由于风化上带围岩稳定性较差，易出现剥落、掉块风险，根据设计要求，需对洞壁溶蚀风化上带及出露的危岩体或倒悬块体进行剥离修型施工，并保证洞壁的平整平顺。

为保证施工安全及避免开挖对溶蚀风化下带岩体造成扰动影响，洞壁修型开挖采用液压破碎锤挖除。开挖完成、洞壁支护施工之前，须采用高压水将洞壁冲洗干净并满足设计及地质编录要求。

4.2.2 功效对比分析

(1)分析原则

溶洞爆破开挖按明挖响炮时间考虑，即早上6∶30～7∶00，晚上18∶00～18∶30，不考虑钻孔错过响炮时间因素。

钻爆开挖不考虑因地质条件导致的钻孔不成孔及重复扫孔的影响时间。

破碎锤开挖按“白班破碎开挖为主、夜班出渣为主”考虑，1h按破碎10m3～16m3考虑。

(2)爆破开挖功效分析

单次爆破方量按200m3考虑，爆破开挖采用手风钻钻孔，乳化炸药松动爆破，药卷直径32mm。单次爆破规模控制在30个炮孔以内，炮孔间排距按1.5m×1.5m考虑，孔深约5m，单孔装药量约4kg，总炸药量在96kg以内，爆破最大单响药量在16kg以内。

钻孔作业时间Td=(NL)/(VmKφ)

式中：Td——钻孔作业时间，min；

N——钻孔数量，个；

L——炮孔深度，m；

V——纯钻孔速度，m/min；手风钻取0.15m/min；

m——钻孔时间利用系数，一般为0.7～0.9；

K——工作面同时工作的钻孔设备数量；

φ——多个钻孔设备同时工作系数，取0.8～0.9。

根据以上钻孔作业时间公式计算得出，正常情况下每排炮理论钻孔时间约为7h。

溶洞开挖爆破循环作业时间如表2。

表2 溶洞爆破开挖循环作业时间

(3)破碎锤开挖功效分析

根据实际施工过程中经验，溶洞内共投入1台液压破碎锤，每天出渣量在20～30车内，初步预计每小时破碎方量为10m3～16m3，按“白班破碎、晚班出渣考虑”，1台液压破碎锤1d按工作12h考虑，破碎锤每天可破碎方量为120m3～200m3。

(4)功效对比

爆破开挖单次爆破方量约200m3，单次循环时间为13.5h，若考虑钻孔不成孔、重复扫孔或因钻孔错过当日响炮时间等因素影响，单次循环时间更长。自装药开始，溶洞内人员、设备须全部撤离，距离爆破部位较近的风水电管线全部拆除，暂停一切施工，直至响炮安全排险结束，重新布设风水电管线后方可继续施工，人员设备窝工情况较为严重，造成溶洞内施工的不连续性。且根据灌浆技术要求，洞壁灌浆30m范围内严禁响炮，由于溶洞内空间狭小，导致溶洞开挖支护施工与固结灌浆施工干扰极大，固结灌浆占用溶洞开挖直线工期，严重影响施工进度。

根据实际施工情况，采用破碎锤开挖，在12h内即可破碎约200m3，且在破碎施工期间，无需对人员设备进行撤离，可同步进行溶洞内固结灌浆、洞壁支护等施工，对溶洞内其他工序施工影响小，根据现场实际施工情况，破碎锤开挖基本可满足支护施工进度，形成良性的循环，与爆破开挖相比，避免了爆破震动对溶洞围岩的扰动影响，可最大程度控制洞壁修型开挖的施工质量，且可避免人员设备的窝工及与其他工序的施工干扰，在一定程度上加快施工进度。

4.3 洞壁支护施工

K25岩溶斜井洞壁支护根据开挖分层高度紧随开挖进行，支护根据实际地形情况采用自制台车或者搭设施工排架进行。由于岩溶斜井地质条件及地形条件较为复杂，洞壁支护需根据实际揭露洞壁围岩情况，分区分部位确定支护参数。斜井总体支护原则如下：

(1)洞壁清理干净后，挂φ6.5mm@15cm×15cm钢筋网、喷12cm/15cm厚C20混凝土。

(2)下游侧倒悬洞壁采用相间布置的系统锚筋桩、张拉锚杆进行支护，系统锚筋桩为3φ32、L=12m锚筋桩，间排距4.5m×4.5m，系统锚筋桩内加密、交错布置φ32、L=12m张拉锚杆(张拉力50kN)，间排距1.5m×1.5m，锚杆及锚筋桩均外露不小于20cm。局部洞壁岩体破碎区增设φ18@1.5m×1.5m压条钢筋，紧贴壁面挂网钢筋布置并与系统锚杆、锚筋桩焊接；

(3)洞壁非倒悬、陡坡部位(坡度大于70°)采用规格为φ32、L=12m和φ28、L=9m相间布置的带垫板的砂浆锚杆进行系统支护，间排距1.5m×1.5m，外露20cm，安装后施加5kN的张拉力，洞壁岩体破碎区增设φ18@1.5m×1.5m压条钢筋，紧贴壁面挂网钢筋布置并与系统锚杆、锚筋桩焊接；

(4)洞壁非倒悬、陡坡部位(坡度50°～70°)采用规格为φ28、L=9m和φ28、L=6m相间布置的普通砂浆锚杆进行系统支护，间排距2.5m×2.5m，外露20cm。

以上洞壁系统支护分区、起止桩号待洞壁清理干净、编录完成后由设计、地质人员进行确认，局部洞壁可根据设计要求增加锚索、随机锚杆、随机锚筋桩等加固措施。

5 安全防护措施

由于岩溶斜井工作区域狭窄，高差较大，且上、下交叉作业，在施工中安全防护尤为突出，为了保证施工安全，根据施工的需要，岩溶斜井进行如下安全防护的施工措施。

(1)配安全员巡视检查：整个施工过程中，设立醒目安全警示牌，配置责任心强、素质高、经验丰富的专职安全员，24h对施工进行巡视和检查，一旦发现异常，立即采取紧急撤离等措施确保施工人员安全。同时在岩溶斜井顶拱及边墙岩体内设置临时变形监测点和永久变形监测仪器，加强对斜井岩体的变形监控量测，及时了解掌握围岩变形情况，包括量测穹顶下沉以及净空水平收敛。

(2)脚手架操作平台外侧从下到上搭设斜爬梯，爬梯宽度为0.6m～1m，踏步高为0.3m，每个踏步采用两根脚手架钢管并排铺设。脚手架的外侧、通道和作业平台均搭设1.2m高防护栏，并且挂满密目安全防护网，安全网距离工作面的最大高度不得超过3m。操作平台上均满铺一层竹马道板，并采用铅丝绑扎牢固。

(3)在溶洞自上而下开挖支护施工过程中，除根据设计要求布置永久变形监测点外，在穹顶及下部洞壁上增加临时变形监测点，检验围岩应力和变形情况，验证支护设计和施工效果，保证围岩稳定和施工安全，对可能发生的危及施工安全的隐患或事故提供及时、准确的预报并及时反馈动态监测信息，使有关各方有时间做出反应、避免事故的发生。临时安全监测主要采用全站仪遥测技术定期进行施工期围岩变形监测，通过收敛观测对围岩和支护系统的稳定状态进行监控，并将监测成果及时上报。

图7 K25溶洞穹顶及洞壁临时监测点布置示意

6 结论

K25岩溶斜井高差及跨度大，地质条件复杂，属超大特异性岩溶洞穴，在国内水利工程中尚未有同类工程施工经验可参考借鉴。施工中通过对施工方案的不断摸索、调整及优化，最终形成了一套系统的、可行的开挖支护方案。目前K25岩溶斜井已开挖支护至920m高程并已启动高程920m以上混凝土回填施工，施工期间未出现任何安全事故，且根据斜井内埋设的永久监测仪器监测数据，斜井穹顶及洞壁整体变形不明显，处于稳定状态，证明上述方案在斜井内施工完全可行，对今后水利工程类似工程施工具备一定的参考及借鉴价值。