特大断面地下洞室开挖方法的探讨

特大断面地下洞室开挖方法的探讨来源：建筑工程技术与设计2015年4期【摘要】特大断面地下洞室开挖是地下水封储油洞罐建设的基本工作，惠州国储洞库的储油洞罐采用分层分块法开挖，主洞室分三层进行开挖，第一层开挖是储油洞罐开挖的关键，第一层开挖时采用了全断面开挖法、中导洞开挖法、对称半导洞开挖法、非对称半导洞开挖法和非对称半导洞错台同步开挖法，第二层、第三层采用水平抬炮中部拉槽，修边光爆成型。以上开挖法通过在本项目工程中的应用，从施工质量、施工进度、洞身安全等方面分析论述了非对称半导洞错台同步开挖法对于前几种方法的优点。【关键词】：特大断面地下洞室非对称半导洞错台同步开挖法1、工程概况工程所在区域岩性为二长花岗岩，围岩以Ⅰ、Ⅱ级为主，岩石坚硬，完整性好，主体为燕山三期似斑状黑云母花岗岩及含斑中粒黑云母花岗岩。库区脆性断裂构造发育，表现为断裂及节理构造，主要有北西向、南北向和北东向三个构造体系，其中北西向节理体系是本区域节理发育的主要方向之一，遍布全区，为区域性剪切节理，产状为225°～245°∠70°～90°。区内岩脉比较发育，其分布多受断裂构造及节理密集带的产状控制。石英脉在本区发育很广，其它类型的岩脉还有花岗岩斑岩脉、闪长玢岩脉、辉绿辉长岩脉，岩石为中硬岩，岩石为花岗岩，岩石抗压强度达100-120Mpa，本地区地应力较低，不会产生岩爆等。储油洞罐主洞室纵轴线为250°进行设置，设计为直边墙圆拱洞，主洞室设计尺寸为宽20m，高30m(如右图1)采用喷射混凝土和砂浆锚杆进行支护。长度为930m，共10条洞室，埋深达到50-190m，围岩级别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。主洞室分三层进行开挖，由于我公司未施工过此类特大断面地下洞室，为了积累施工经验，在标段范围内的主洞室3、4、5、6的第一层开挖时分别采用不同的开挖法进行开挖，寻找特大断面的合理开挖方法。2、主洞室3第一层全断面法开挖主洞室3的第一层开挖采用全断面开挖法，高度为10m，宽度为20m，采用中心楔形掏槽周边光面爆破一次成型，如图2所示。这种开挖法在围岩较好的地区，开挖断面较小时比较常用。这种开挖方法在装碴和出碴方面利于机械化作业，施工进度快。对于这种大型地下洞的特大断面开挖存在以下缺点：(1)对于本工程来说，第一层全断面开挖时，开挖断面达到170m2，根据《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》属于大断面开挖，跨度达到20m，不利于围岩的稳定。(2)由于全断采用一次爆破成型，炮孔数量较多，钻孔时间和装药时间较长，每个循环时间较长，同时规范规定爆破平整度和半孔率要求较高，质量不好控制。(3)一次起爆用药量大，根据现场的用量和每次开挖进尺，单耗达到1.05Kg/m3。(4)单段药量大，质点峰值振动速度大，对洞室的震动较大，尤其是大型地下洞室群，洞室与洞室之间跑离较小，不利于围岩稳定。(5)中心掏槽是全断面开挖进尺的关键，掏槽出现问题，整个进尺受到影响。(6)在遇到破碎围岩时，必须紧跟支护，造成掌子面停工支护，影响开挖进度。(7)如采用人工进行开挖时，开挖台架较大，台架移动困难，易损坏，增加开挖台架的使用费。3、主洞室4第一层中导洞法开挖中导洞法开挖是将主洞室的第一层分为3个部分(如图3)，中间部分宽度为10m，两侧均为5m，中间部分先行开挖形成中导洞，中导洞开挖、支护完成后，再开挖两侧部分，两侧剩余部分可以同时扩挖，也可分别扩挖。该种开挖方法在国内地下厂房开挖中比较常用，此开挖方法每次开挖断面小、安全稳妥，但也存在以下缺点：(1)风、水、电和通风系统要多次重复拆除、安装，工作量大。(2)中导洞开挖与支护工作相互干扰。因中导洞宽仅10m，开挖与支护只有在工作面造炮孔时能同时进行，其它时间要么停开挖，要么停支护，进度缓慢，(3)两侧剩余部分扩挖后，它们与中导洞交界处因二次应力重分布和洞身收敛变形，围岩极易产生层状纵向开裂，容易发生掉块事件。4、主洞室5对称半导洞和非对称半导洞法开挖对称半导洞法开挖是将主洞室第一层将分为两部分，宽度均为10m(如图4)，先开挖任意一半作为先导洞，先导洞开挖、支护完成后，再开挖剩余部分，错开30～40m进行开挖。该种开挖方法不常用，主要是主洞室均分为两部分后，开挖断面较小，有利于围岩稳定，但也存在以下缺点：(1)先导洞宽度10m，为半边直墙半边圆拱直墙，中间中进行掏槽，掏槽的宽度不理想，用药单耗较高。(2)与中导洞开挖法存在同样的问题，先导的开挖与支护相互干扰，影响进度。(3)先导的风、水、电和通风系统如果紧跟掌子面，容易被扩爆破损坏，如果风、水、电不紧跟掌子面，每次钻孔接管距离长，易损坏临时管路，并且造成风、水的跑冒滴漏。通风系统不及时跟进，作业面空气质量较差。非对称半导洞开挖法(如图5)是相对于对称半导洞开挖法而言，将断面分为2个部分，先导宽度为12m，跟进扩挖断面为8m，只是解决了掏槽问题，但是也存在开挖与支护干扰的问题和风水电管路安装问题。5、主洞室6非对称半导洞错台同步开挖法鉴于述上开挖方法均存在不同的缺点，项目部经过再三研究，决定采用非对称半导洞错台同步开挖法。将主洞室的第一层分为两部分，先导宽度为12m，扩断面宽度为8m，先导与扩挖断面之间错台3～5个循环，先导洞与扩挖断面同时钻孔，相互联网同时起爆。该种开挖方法有以下优点：(1)开挖断面小，出现破碎围岩时，紧急支护工作量小，可在短时间内完成，扩挖断面根据先导揭露的地质情况可以进行预判，有利于围岩稳定和施工安全。(2)先导的宽度有利于爆破掏槽，扩挖部分不需要掏槽，炸药单耗较全面开挖法低，能降低至0.7Kg/m3。(3)先导与扩挖部分错台3～5个循环，支护距离满足要求，实行同时开挖，同时出碴，同时支护，相互之间不影响。(4)扩挖部分的不用掏槽，爆块抛至方向是抛向先导开挖后的空间，对风、水、电和通风系统损坏小，风、水、电和通风系统能紧跟掌子面，先导掌子面离风、水、电和通风系统接口较近。(5)两个断面同时同向推进，各工序相互干扰小，进度较其它方法快。6、开挖方法相互比较6.1洞身稳定与安全全断面法开挖，由于一次开挖爆破成型，跨度较大，达到20m，不利围岩稳定。中导洞开挖法先导洞的跨度为10m，断面开挖后及时支护，洞身围岩很稳定。扩挖导洞两侧时，虽中导洞拱顶要进行二次应力调整及二次收敛变形，但此时中导洞拱顶锚喷支护已完成，二次收敛变形受到约束，位移量小。两侧扩挖后，两侧的围岩处于自由位移状态，收敛变形量大，由中导与扩挖部分收敛变形量有差异，围岩易产生纵向近水平薄层状开裂，极易发生掉块事件，这在实际开挖中已得到验证。半导洞开挖法，先导先行开挖后，地应力通过围岩拱圈传递到两边永久直立侧墙，同时由于半洞开挖跨度为10m，围岩应力释放、收敛变形充分，支护稳定后再开挖剩余部分断面，二次应力调整值二次收敛变形量变小，洞身更加稳定。实际开挖过程中，两个半洞交界处没有出现因二次应力调整而产生裂缝。施工期间监测成果表明，锚杆应力值和收敛变形量较全断面洞室小，说明半洞法开挖洞身更稳定。6.2施工进度半导洞错台同步开挖施工进度明显优于中导洞开挖、对称半导洞开挖、非对称半导洞开挖的进度，主要表现在以下几个方面：(1)中导洞开挖法，要等中导洞施工完毕后才能扩挖两侧，而半洞错台同步开挖法两个半洞可同时开挖。(2)中导洞开挖法开挖和支护相互干扰大，影响施工进度。(3)半洞错台开挖平均循环进尺为4.2m，单位长度爆破次数少。中导洞开挖法平均循环进尺3.0m，单位长度进尺多。(4)全断面开挖遇到软弱围岩时，要停工进行支护，而半导洞法施工先导洞遇到软弱围岩只支护先导洞，先导的支护量较全断面小，暂停时间短，而且扩挖断面扩挖可以继续施工，扩挖断面根据先导揭露的地质情况可以进行预判，进行预支护。6.3开挖质量几中开挖方法中，全断面的开挖质量不如中导和半导开挖质量，在没有不良地质条件时，周边光爆孔半孔率优于全断面，中导洞和半导洞开挖法半孔率可达到85%～95%。爆破震动较全断面小，对围岩破坏较全断面小，平整度优，满足规范要求，开挖效果如右图所示。7结束语主洞室采用半导洞错台同步开挖法，开挖过程紧凑有序，围岩稳定，极少出现掉块现象，施工质量优良，施工进度快，提前2个月完成年度计划。在大断面地下洞室开挖方法探索中，本工程利用现场监控、经验类比法，然后对照在施工前已有经验，经过试验进行验证，总结出新的开挖方法，半导洞错台同步开挖法在本项目应用比较成功。可供类似项目参考和应用。参考文献：[1]于景辰.地下厂房开挖的若干问题[J].东北水利水电，1999，5：15-17.[2]陈万业，董兰凤.地下洞室施工理论与技术进展[J].西北水电，2002，2：47-50.[3]《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》DL/T5099—1999