不良地质条件下厂房与尾水扩散段交叉口开挖施工技术

李炳秀，杨育礼

（中国水利水电第十四工程局有限公司）

关键词：不良地质　开挖施工　交叉口　黄登水电站　地下厂房

1 概述

地下厂房一般具有埋深大、地质条件复杂、挖空率高等特点。其中主厂房与尾水扩散段交叉部位在地下洞室群中一般为挖空率最大、地应力最集中的部位，开挖期的围岩稳定及安全问题十分突出。

黄登水电站地下厂房岩石为火山角砾岩、火山细砾岩及夹变质泥灰岩，主厂房与尾水扩散段交叉口位置Ⅳ、Ⅴ级结构面较发育，局部还存在Ⅲ级结构面及Ⅱ级断层穿过，尾水扩散段均处于不良地质段，主厂房开挖至尾水扩散段时存在较大的坍塌风险。其他地下厂房同样存在类似情况。通过总结多个地下厂房与尾水扩散段交叉口部位开挖支护施工经验，摸索出一套高挖空率、不良地质条件下交叉口开挖支护施工方法。

2 技术特点

（1）在地下厂房施工中，主厂房与尾水管交叉部位是整个地下洞室群的最低点，具有挖空率高、较其他部位初始地应力高、洞室跨度大等不利于施工安全和围岩稳定的特点。加之黄登水电站在该部位交叉口遇到不良地质段，开挖成型极为困难，抑制尾水扩散段顶部围岩和尾水扩散段间岩柱的塑性变形是确保主厂房顺利施工的关键。

（2）控制爆破技术：采用光面和预裂爆破技术，用“新奥法”原理，适时支护，确保了开挖轮廓面成型和减少爆破震动对围岩及相邻建筑物的影响，有利于质量控制及建筑物结构安全。

（3）合理的开挖程序：采用先开挖尾水扩散段、后开挖主厂房的顺序，交叉部位采用径向预裂和光面爆破的方式开挖；厂房边墙开挖前做好尾水扩散段洞口锁口和系统支护的开挖程序；同时对尾水扩散段进行预衬砌混凝土、预固结灌浆和反吊锚索，挖空率大于50%时，增加岩墩间对穿锚索加固。通过上述措施保证了地下厂房高边墙的稳定，对减少围岩松弛变形极为有利。

（4）合理的开挖方法：在交叉口两倍洞径的洞段范围内采用浅孔、小药量、多循环、短进尺等开挖方法，采用在交叉口部位已开挖洞室一倍洞径长度范围内支护完成后才与厂房贯通的施工程序，有利于抑制围岩松弛变形，保证了大型洞室交叉口的稳定。

（5）超前预加固措施：提前做好尾水扩散段洞口锁口和系统支护的开挖程序，以及对尾水扩散段进行一期钢筋混凝土预衬砌及预固结灌浆，并增加岩柱间对穿锚索及尾水扩散段上仰反吊锚索进行加固，对减少围岩松弛变形极为有利，保证了地下厂房高边墙的稳定。

3 施工方法及要点

3.1 施工通道布置

提前完成尾水扩散段开挖支护，并对厂房和尾水扩散段围岩进行预加固，既减少对关键线路项目直线工期占用，规避施工干扰，改善施工交通，同时有利于厂房高边墙的围岩稳定。

提前进行尾水扩散段和尾水支洞渐变段Ⅰ层开挖，开挖至主厂房下游边墙后继续向主厂房内延伸开挖一个8m×7.5m导洞，主厂房开挖料通过竖井溜至导洞内进行出渣运输。

3.2 尾水扩散段与主厂房交叉口施工

尾水扩散段与主厂房交叉口开挖施工流程见图1。

（1）施工准备：分析研究施工期快速监测及分析成果、揭露地质条件等资料，制定开挖、支护程序施工方案，初步拟定开挖爆破参数。

（2）尾水扩散段导洞及径向预裂：Ⅰ层待尾水支洞Ⅰ层开挖修边完成后进行导洞开挖，采取跳洞开挖的方式，导洞布置在尾水扩散段轴线顶部，顶拱摸到设计开挖线施工，便于适时进行系统锚喷支护。导洞一直延伸至进入主厂房2～3m。尾水扩散段开挖分层见图2。

交叉口环向预裂：尾水扩散段与主厂房相交处断面发生突变，为保证该部位在后续开挖过程中的成型质量，在导洞内向边顶拱打环向预裂孔先行进行径向预裂爆破。

（3）尾水扩散段Ⅰ层开挖支护：Ⅰ层的扩挖以导洞为临空面，两侧向厂房方向错距扩挖，距离交叉口两倍洞径时，进行控制爆破，采用“导洞超前、短进尺、小药量、多循环、少扰动”工艺，测量放出周边孔尾线方向，精确控制造孔方向。穿过Ⅳ～Ⅴ类围岩段需采取管棚、超前小导管等方式进行超前支护。扩挖时采用光面爆破，周边孔孔间距控制在50cm以内，小药卷间隔不耦合装药，周边孔装药线密度为120～150g/m。

Ⅰ层扩挖完成后，采用“新奥法”原理，系统支护由浅表至深层适时跟进，程序为：初喷钢纤维混凝土3～5cm→锚杆支护→挂网→复喷混凝土至设计厚度（地质条件较差的部位增加钢拱架支撑或提前进行预衬砌混凝土），采用现代化成龙配套的大型施工机械设备，保证支护的及时性，确保施工安全，加快施工进度。

（4）主厂房导洞开挖：利用前期开挖的导洞继续向厂房开挖延伸至主厂房轴线附近（距离厂房上游边墙不得少于6m），根据揭露的地质情况进行临时支护，以便后期厂房锥管层开挖时作为出渣运输通道。

（5）尾水扩散段Ⅱ～Ⅲ层开挖支护：利用已经开挖完成的Ⅰ层开挖面为临空面，采用水平孔周边光面爆破开挖，结合尾水支洞开挖一起进行。底部预留2m保护层，待后期厂房开挖至底部后从厂房侧反向开挖。系统支护方式和Ⅰ层一致。

（6）尾水扩散段预衬砌混凝土及加强支护：尾水扩散段开挖完成后，虽进行了系统支护，但由于该部位挖空率高，两条尾水扩散段之间岩墙厚度小于一倍洞径，且该部位位于洞室群最低位置，地应力较为集中，很容易产生围岩脆性开裂和塑性变形破坏。为最大限度抑制围岩的塑性变形，需对尾水扩散段进行预衬砌钢筋混凝土和预固结灌浆，并进行岩柱间及尾水扩散段顶部岩体加强支护处理。预衬砌混凝土为尾水扩散段边顶拱的一部分，可结合永久衬砌混凝土确定预衬砌厚度；加强支护包括尾水扩散段间岩柱对穿锚索，尾水扩散段顶拱反吊锚索和上仰预应力锚杆等。尾水扩散段预衬砌及加强支护布置见图3。

（7）主厂房与下部导洞导井贯通：在尾水扩散段锁口预应力锚杆、混凝土预衬砌、回填灌浆、预固结灌浆、对穿锚索、反吊锚索等工程施工完成后，再实施主厂房上部开挖面与导洞间导井的贯通。导井的贯通采用CM351钻机钻孔爆破开挖，相邻两个基坑采取错距开挖的方式进行，保证中隔墩的岩石稳定性。导井为尺寸3m×3m的方形井，首先在导井中心钻3～5个直径115mm的孔贯通导洞作为爆破临空面，周边按照1.5m×1.5m间距环向布置2排爆破孔，距导洞顶部0.5m，孔内连续装φ70药卷，孔口堵塞长度0.8m，环间毫秒微差爆破一次贯通。

（8）主厂房基坑开挖及支护：利用导洞作为出渣运输通道，以导井为中心临空面分区向外扩大开挖，周边预留保护层分层光面爆破。主爆孔采用CM351型钻机造孔，间排距2.0m×2.5m，孔径115mm，孔深8～15m，孔内连续装φ70药卷；保护层采取周边光面爆破分薄层开挖、边墙及时跟进支护的方式，光面爆破孔采用手风钻钻孔，孔深5.0m，孔径为42mm，间距50cm，间隔装φ25药卷，线装药密度控制在120～150g/m，根据岩石条件适当调整。

基坑边墙与尾水扩散段交叉口的支护：主要包括厂房下游边墙系统支护和锁口预应力锚杆支护，系统支护包括喷微纤维（或钢纤维）混凝土、砂浆锚杆和锚索。各种支护随着基坑保护层的开挖自上而下及时实施。

3.3 施工期监测与反馈分析

根据洞室布置及围岩情况布置监测断面，同一监测断面应布置多点位移计、锚索测力计、锚杆应力计、收敛监测断面等综合监测项目；同时，洞室交叉口段开挖爆破时，需进行爆破质点振动速度的监测，以便优化开挖方式和爆破联网、装药结构等参数。监测仪器的安装和监测需在具备条件后及时进行，初期监测频次要高，后期根据数据分析适当降低监测频次。通过监测数值模拟反演分析，对下一步支护及施工提出支护及开挖相关建议。

4 结语

我国西部地区，尤其是西南地区水电资源特别丰富，随着西南水电基地的建设，后期水电资源开发过程中，多数地下厂房施工将遇到类似高挖空率、不良地质段交叉口的施工。本项技术可推广应用于西南各大型水电基地地下厂房施工，可实现深埋、复杂地质条件下的水电站地下厂房与尾水扩散段交叉口的快速安全开挖支护。