大跨度地下厂房顶拱层开挖与支护施工探析

大跨度地下厂房顶拱层开挖与支护施工探析

孙蓉

中国水利水电第四工程局有限公司 青海西宁 810000

【摘要】大型水电工程地下厂房施工难度大，结合大量同类工程实践和类比，提出了山东沂蒙抽水蓄能地下厂房开挖方案和支护模式，结合实际开挖过程中的地质条件变更和声波测试结果，优化了支护方案。通过实践证明该施工方法和支护模式能保证在复杂地质条件下,大跨度地下厂房顶拱开挖与支护的施工安全、质量和进度。

【关键词】地下厂房 顶拱层 开挖 支护

1．施工临建

1.1施工供风布置

在通风兼安全洞洞口设置设1台35m³/min和1台22m³/min电动空压机，采用8寸钢管作为供风主管供应厂房一层开挖用风。

1.2 施工供水

在通风兼安全洞洞口设置一个20m³钢制水箱，由三级泵站水池进行接引，高差为200m，确保施工用水需要，供水管路采用4寸钢管铺设而成。

1.3 施工供电

在通风兼安全洞洞身设置1台1000KVA（型号ZGS11-Z-1000-10/0.4）变压器和一台630KVA （型号ZGS11-Z-1000-10/0.4）、洞外安装1台630KVAZGS11-Z-630-10/0.4变压器供应施工用电。

1.4施工照明

厂房第一层施工时，施工照明采用100W隧道灯60m间距布置，掌子面采用300W投光灯照射。

1.5施工排水

厂房一层排水主要采用“高水自排、低水抽排”的原则。在通风兼安全洞架设主排污管路，在通风洞末端设置集中排水箱，将主厂房一层的施工废水采用污水泵排至集水箱，经二次沉淀后，回收利用。

1.6施工通风排烟

厂房一层采用内燃机设备开挖出渣，洞内污染主要来自三个方面：一是粉尘，来源于爆破、喷锚及钻孔产生的岩尘、炮烟、水泥尘等；二是有害气体，如SO2、NOX等，主要源于炮烟和围岩；三是内燃机设备废气。

洞室开挖通风总量从四个方面考虑，即按洞内最多人员数计算得Q1，按爆破的最大炸药量计算得Q2，按稀释内燃机废气计算得Q3、按洞允许最低风速计算得Q4，最后求得工作面所需风量Q=Max（Q1、Q2、Q3、Q4）。

（1）按洞内同时工作的最多人数计算

Q1=m×q×k=30×3×1.1＝99m³/min；

式中：Q1-通风量，m³/min；

m-洞内同时工作的最多人数；

q-每个人需要通风量，不小于3m³/min；

k-风量备用系数，常取k＝1.1～1.2，取1.1。

（2）按同时爆破的最多炸药量计算厂房内需用风量（通风长度按照L=185m计算，通风兼安全洞另计）：

A--同时爆破的炸药最大消耗量，277.1kg；

S--隧洞最大断面积，186.5m²；

L--通风区段长度，取185m；

T--通风时间，按45min计。

（3）按稀释内燃机排放废气中有害气体浓度至许可浓度计算

Q3=V0×N×Ti=4×500×0.6=1200m³/min

V0--单位功率需风量指标，4m³/kW.min；

N--同时在洞内工作的柴油机械的总额定功率，按1台3.0m3装载机（180KW）及2台20t自卸车（320KW），共计500KW考虑；

Ti—柴油机利用率系数，取0.6。

（4）按满足工作面最小风速计算

Q4=60VS=60×0.15×183.1=1647.9m³/min

V--工作面最小风速，≥0.15m/s；

S--隧洞最大断面面积，183.1m²。

取上述风量的最大值1647.9m³/min作为地下厂房第Ⅰ、Ⅱ层内设计需风量。

（5）根据通风管长度和百米漏风率计算风机风量

L--通风距离：185m；

P₁₀₀--百米漏风率，取1.25%。

（6）地下厂房第Ⅰ、Ⅱ层施工时通风量应不小于：Q=PQ=1.02×1647.9=1680.9m³/min。

地下厂房第一层施工时，需要风量1680.9m³/min，安装2×110KW轴流风机压入式送风，确保地下厂房第一层施工通风需要。

2.施工工序及方法

2.1施工工序

因厂房第一层断面尺寸较大（宽×高：27m×9m），开挖分为中导洞（宽×高：10m×9m）和侧耳两部分进行，在中导洞进尺50m后侧耳再行跟进，左右侧耳采用错距30m进行开挖。开挖采用YT-28手风钻配自制钻架钻孔，设计开挖边线光面爆破，Ⅱ、Ⅲ类围岩正常循环进尺3.5m，Ⅳ围岩及不良地质段开挖循环进尺为1.0~1.5m。

厂房一层施工，主要有开挖与支护两道施工工序。施工沿用以下循环：

施工准备→测量放线→炮孔布置→钻孔→装药爆破→排烟→安全检查与处理→出碴→清底→支护→下一循环施工。

2.2洞挖施工方法

（1）测量放线

测量放线每循环作业之前，特别在交叉段及关键部位，都要进行测量放样，同时要标出顶拱圆弧中心和周边有代表性的控制点及相应的方向点，以保证开挖施工的准确性。

（2）布孔

施工技术人员根据测量单位的放线，进行现场布孔，用红丹漆标出主要钻孔的孔位，以便钻孔施工。布孔同时依据事先编制的爆破设计，爆破设计经总工批准后，方可作为布孔和爆破施工的依据。

（3）钻孔

钻孔作业人员根据现场技术人员布孔位置进行钻孔，钻孔方向和角度要力求准确（尤其是掏槽孔，不能出现串孔现象）钻孔完成后由技术人员按“平、直、齐”的要求进行爆破装药前的钻孔检查，在确认合格后，实施爆破。

（4）爆破

严格按照爆破设计参数及起爆网络，进行装药作业。装药完成后，由技术员和专业炮工检查联接爆破网络，进行爆破作业，特别要控制光爆孔的装药量和不耦合系数，以便使残孔率不小于80%。并在爆后对爆破效果及时进行描述，如地质情况有变，及时调整爆破参数。

5. 排烟

在通风兼安全洞洞口处用2×110KW的轴流通风机强制通风、排烟。

（6）出渣

开挖石渣采用1.6m³反铲和3.0m³装载机配20t自卸汽车出渣并运到4#渣场。

（7）清渣

洞内出渣即将完成时，采用反铲对掌子面及底板松动岩块进行粗清理，在下一循环施工前再由人工采用撬杠对松动渣块进行细清理，以便钻机的钻设和钻架就位。

3.爆破

3.1主爆孔爆破参数

爆破设计主要依据岩石的类别选定爆破参数，施工时将对爆破材料及爆破参数进行生产性试验，以确定适合厂房一层开挖的最佳爆破参数，以保证爆破后获得良好的开挖面。

(1)最小抵抗线W=K_wd

式中：K_w为岩质系数，一般取15~30，坚硬岩石取小值，松软岩石取大值；d为钻孔直径，mm。W取值0.8-1m。

(2)药包中心深度H=(1.2~2.0)W

炮孔深度L=(0.85~1.15)H初步拟定炮孔深度3.5m。

(3)炮孔孔距a=(1.0~2.0)W，炮孔排距b=(0.8~1.0)W。初步拟定a=1m，b=0.8m。

(4)单孔装药量Q=Q_总/n。

(5)孔桩入岩采用手持式气动凿岩机钻眼，炮眼直径d=32-42mm，本工程使用YT-28手风钻钻孔爆破，炮孔直径采用d=42mm。

3.2光面爆破参数

(1)光面爆破层厚度W=(10~20)d，取值0.8m。

(2)炮孔孔距a=(0.75~0.90)W，取值0.5m。

(3)炮孔直径采用d=42mm。

3.3开挖方法

（1）厂房一层洞口开挖方法

厂房一层中导洞洞口扩挖采用3m每循环的全断面光面爆破开挖，分五循环开挖形成中导洞（10m×9m）断面，之后利用中导洞开挖形成的邻空面对两侧耳区域采用光面爆破开挖。开挖顺序：Ⅰ区→Ⅱ区→Ⅲ区→Ⅳ区。

图

1厂房一层洞口开挖示意图

图2 A-A剖面图

图
3 B-B剖面图

2. 厂房一层主体爆破施工方法及爆破设计

厂房一层洞口处中导洞及两侧耳爆破工作面形成后采用中导洞先行，两侧耳错距50m开挖的方式进行施工。在爆破中，工作面采用楔形掏槽，主爆孔，底孔，光爆孔布置，具体布置形式如下图所示：

图
4中导洞（I区）开挖爆破设计图

图5中导洞（I区）开挖掏槽孔设计图

表1 中导洞（I区）开挖爆破参数表

图6 单侧耳（Ⅱ、Ⅲ区）开挖爆破设计图

表2 单侧耳（Ⅱ、Ⅲ区）开挖爆破参数表

3.4最大单响药量计算

表3 爆破安全质点振动速度控制标准单位：cm/s

质点峰值振动速度，按下式计算。

V=K(Qⁿ/R)^α

式中： V——保护对象所在地安全允许质点振速，cm/s；

Q——炸药量，齐发爆破为总药量，延时爆破为最大单段药量，kg；

R——爆破振动安全允许距离，m；

_K，α——与爆破点至保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数，应通过现场试验确定； 在无试验数据的条件下，可参考表3-4选取。

表4 爆区不同岩性的K、_α值

厂房一层岩性为坚硬岩，选取K=120，α=1.4，R取30m，由振动速度公式计算得一次爆破最大单响药量为61.2kg。

各段一次爆破段装药量最大为54kg小于61.2kg，符合要求。

4.厂房一层支护施工

厂房一层支护工程主要包括围岩永久支护及临时支护等，设计的锚杆有φ28（L=500cm）、φ28（L=700cm）水泥砂浆锚杆和φ28（L=800cm，P=100KN）预应力树脂锚杆三种规格。锚杆支护与开挖施工方案相结合，采用BOOMEXL3D三臂液压凿岩台车、YT-28手风钻造孔，砂浆机注浆，锚杆台车安插锚杆。

喷钢纤维混凝土采用拌合楼统一拌制，采用搅拌车运至现场，采用Sika-PM500PC湿喷机施喷。

4.1不良地质段的开挖控制及支护

对于厂房第一层不良地质段（f72、f61、G13、f62、J13、f65、f64）处的不稳定块体、断层及影响带严格遵循“超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、强支护、早封闭、勤观测”的原则。首先按照设计要求对树脂锚杆施工，循环进尺1~1.5m，在循环进尺时，按照现场岩层揭露情况，经现场确认后可进行相应支护，并及时喷射钢纤维混凝土进行支护。

4.2锚杆施工方法

（1）施工工艺流程及说明

采用先注浆后插锚杆的施工工艺流程见下图。

（3）锚杆施工方法

测量定位和布孔→钻孔→清孔→验孔→注浆→砂浆锚杆的安装

1. 定位与布孔：根据施工图纸进行放样，确定锚杆标高、间距，定出孔位，做出标记，其孔位偏不大于100mm。

2. 钻孔：钻孔作业人员使用凿岩车根据现场技术人员布孔位置进行钻孔，钻孔圆而直，角度偏差符合施工图纸的要求。施工图纸未作规定时，其系统锚杆的孔轴方向应垂直于开挖面；局部加固锚杆的孔轴方向一般与可能滑动方向相反，并与可能滑动面的倾向成约45°的交角。锚杆孔深允许偏差为±50mm。

3）清孔：用高压风水洗孔，并用高压风将孔内水，岩粉吹干净。

4）孔内注浆：使用水泥砂浆配合比、砂浆强度等级满足施工图纸的要求的砂浆进行注浆。先将注浆管插到孔底，然后退出50~100mm，开始注浆，注浆管随砂浆的注入缓慢匀速拔出，锚杆安装后孔内填满砂浆。

5）安插锚杆：锚杆应在钻孔内注满浆后立即插杆，锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚杆。

6）质量检查：按照施工质量要求对锚杆安装质量进行检查。

4.3喷钢纤维混凝土施工

4.3.1施工工艺流程：

4.3.2施工工艺

钢纤维混凝土配合比按照确定的配合比配料，在拌合站进行搅拌，混凝土搅拌车运输。喷射钢纤维混凝土时要分段分层依次进行，喷射自上而下。

4.3.3施工方法

（1）施工准备

在喷射前对喷射面进行检查，并做好以下准备工作：清除开挖面的浮石、墙脚的石渣和堆积物；处理好光滑岩面；安设工作平台；对遇水易潮解的泥化岩层，采用压风清扫岩面；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；作业区具有良好的通风和充足的照明设施。

喷射作业前，对施工机械设备、风、水管路和电线等进行全面检查和试运行。

（2）喷钢纤维混凝土施工

1）喷射钢纤维混凝土作业分段分片依次进行，喷射顺序自下而上。分两层喷射。

2）喷射机作业严格执行喷射机的操作规程，连续向喷射机供料，保持喷射机工作风压稳定。完成或因故中断喷射作业时，清除喷射机和输料管内的积料，并冲洗干净。

3）地下洞室喷射钢纤维混凝土均采用湿喷法。

4）地下洞室的喷射钢纤维混凝土作业紧跟开挖工作面，全部锚杆钻设完成后，立即进行喷射混凝土。混凝土终凝至下一循环放炮时间不少于4h。

5）地下洞室拱部喷射钢纤维混凝土的回弹率不大于25%，边墙不大于15%。

（3）钢纤维喷射混凝土的施工除遵守DL/T5181-2003规定外，还符合下列规定：

1）搅拌混合料时采用钢纤维播料机往混合料中加钢纤维，搅拌时间不小于180s。

2）钢纤维在混合料中分布均匀，不得成团。

3）在钢纤维喷射混凝土的表面再喷一层厚度为20mm的水泥砂浆，其强度等级不低于钢纤维喷射混凝土的强度等级。

5.结束语

此地下厂房属于大体型结构，分三区错距30m开挖，通过检测洞室开挖处于稳定安全。过程中遵循“短进尺、若爆破、及时支护”的循环模式，取得了良好效果。该施工工艺可以在大体型洞室开挖中广泛推广应用。

作者简介：孙蓉（1987-），女，河北深县，工程师，中国水利水电第四工程局有限公司。