大跨度高邊墻地下洞室分層間隔施工方法

劉保國，徐干成

（1. 北京交通大學 土建學院，北京 100044；2. 空軍工程設計研究局，北京 100068）

1 引 言

大跨度、高邊墻地下洞室的建設與應用在國外較為廣泛，如美國、日本、挪威、瑞典、韓國等國家的地下LPG庫、地下水封原油庫、水電地下廠房、地下核廢料儲存庫、地下大型場館及國防地下設施等領域。大跨度、高邊墻地下洞室因其斷面面積較大，無法實施全斷面一次開挖，通常需要縱向分層、橫向分塊分別進行開挖，層與塊之間不同的開挖順序構成不同的開挖方案。目前國際上除豎向圓桶狀LPG（liquefied petroleum gas，）庫采用PBM（pillar blasting method）法外[1]，其他一般水平向布置的、斷面跨度在18～22 m、高度在30～40 m的地下大型儲存庫普遍都采用自上而下正臺階開挖。圖1為挪威的Mongstad地下油庫正臺階開挖示意圖[2]。

圖1 挪威Mongstad 地下儲油洞開挖方法Fig.1 Excavation method for the oil caverns at Mongstad

隨著經(jīng)濟、國防等事業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)近幾年在大型地下洞室的開發(fā)和應用方面不斷增加，如我國近幾年集中建設的大型水電地下廠房、國防工程中一些大斷面地下洞室、正在建設和多處規(guī)劃的地下LPG庫、國家戰(zhàn)略石油地下水封巖洞儲備庫以及未來的核廢料儲存庫等。針對大跨度、高邊墻地下洞室的建設，如何合理安排工序、增加平行作業(yè)面且避免相互干擾、最大限度發(fā)揮人機效能、加快施工進度等方面也在不斷探索中，從我國起步較早的水電地下廠房建設來看，普遍采用自上而下的正臺階、橫向多導洞的施工方案。如溪洛渡水電站地下廠房最大開挖高度為75.6 m，共分10層施工，除頂拱層為12.1 m厚外，其余層厚為6～9 m。總體施工順序為從上至下[3]。龍灘水電站地下廠房最大開挖高度76.4 m，共分9層施工，總體施工順序為從上至下[4]。南方某水電工程大洞室，最大開挖高度76.85 m，由于頂拱層開挖支護周期長，采取了中間預留隔層，頂拱層與隔層以下同步開挖，最后清除隔層開挖方案[5]。此外，針對以大跨度、高邊墻洞室為主的洞室群的開挖方案及圍巖穩(wěn)定性，國內(nèi)不少學者利用數(shù)值方法[6－10]、神經(jīng)元網(wǎng)絡[11－12]、能量耗散理論[13]進行了施工方案優(yōu)化及圍巖穩(wěn)定性研究，這方面的研究多是針對不同洞室之間的開挖順序和圍巖穩(wěn)定。

本文結合某國防工程大跨度、高邊墻洞室的工程實踐，就同一斷面內(nèi)不同部位的開挖順序，闡述了中間預留隔層、隔層上中下同步開挖，最后再挖掉隔層的新的開挖順序方法，并用數(shù)值方法對這一開挖方法與傳統(tǒng)的自上而下開挖方法所引起的圍巖塑性破壞、周邊最大變形進行了模擬對比，證實了這一新的開挖方法在維護圍巖穩(wěn)定方面的可行性。對于大跨度、高邊墻地下洞室施工具有一定參考價值。

2 工程概況

洞庫工程所在區(qū)域地貌為構造剝蝕丘陵，形態(tài)渾圓，三面環(huán)海。山體巖性主要為粗粒花崗巖，屬燕山早期第一階段的產(chǎn)物。基巖表層為殘積土所覆蓋，厚度3.0 m左右。

洞庫圍巖屬微風化花崗巖，根據(jù)地質(zhì)勘察報告，巖體比較完整，巖體縱波波速一般大于5 km/s，飽和單軸抗壓強度一般大于 90 MPa，最高達135 MPa，巖體級別多為Ⅰ～Ⅱ級。洞庫最大埋深約180 m。

洞庫圍巖支護：初噴混凝土厚度為15 cm，二次模注混凝土厚度為60 cm，系統(tǒng)錨桿長度為6 m，環(huán)向間距為1 m，沿洞庫軸線方向間距為1.5 m，梅花形布置。

洞庫開挖跨度31 m，開挖高度46 m，軸向長度700多米，開挖橫斷面如圖2所示。

圖2 洞庫開挖橫斷面輪廓Fig.2 Excavation outline of the cavern

3 施工方案制定

如上所述，大跨度、高邊墻洞室的施工一般采用自上而下正臺階開挖，這種開挖布局在本工程中同樣也適用，然而由于本工程拱部要施作厚度80 cm的模注鋼筋混凝土結構和預應力錨索，施工周期較長，而第2層的開挖必須要等拱部鋼筋混凝土結構施工完畢后才能進行，因此，拱部支護結構的施工成為影響整體進度的一個關鍵點，并導致人機效率低下。為了充分利用人員、機械裝備，開辟平行作業(yè)面，加快施工進度，根據(jù)總體計劃安排，結合實際情況，對洞室開挖進行了優(yōu)化，提出了中間預留隔層、隔層上下同步開挖，最后再挖掉隔層的新的開挖方法，如圖3、4分別為這一開挖方案的橫斷面和縱斷面圖。

優(yōu)化后的洞室開挖共分6層，總體開挖方案是：A1、A2、A3同步開挖，然后再順序開挖隔層B1、C1、E1，完成整個洞室開挖。各層的開挖分敘如下：

（1）拱部通過增設的輔助導洞直接進入開挖，先采用臺車掘進開挖核心部分A2，預留兩側拱腳巖臺 a2，采用人工風槍鉆孔光面爆破。拱腳巖臺 a2開挖滯后核心部分10～15 m，整個拱部推進一定距離后，開始防水層和鋼筋綁扎作業(yè)，同時開始進行被覆混凝土和預應力錨索作業(yè)。

圖3 開挖橫斷面示意圖Fig.3 Excavation cross-section of cavern

圖4 開挖縱斷面示意圖Fig.4 Excavation profile of cavern

（2）A1層從外部支洞室直接進入，先形成 1#導洞，橫向擴展分別形成2#、3#導洞，1#、3#導洞水平向前推進，2#導坑以11%的坡度向下開挖到洞室底部A3層，斜坡道寬為7 m、高為7 m，標高從4.7 m下至-14.5 m，坡道長為180 m（垂直投影）。進入A3層，向前全斷面開挖20 m，作為出碴車輛回轉(zhuǎn)場地。接著分成兩個8 m寬、12 m高的導洞向前推進，中間預留4.4 m寬巖壁柱。向后以12 m寬、12 m高斷面開挖，斜坡道保留用于出碴。

（3）洞室拱部 A2層開挖及拱頂混凝土襯砌完成后，進行B1部的開挖，開挖高度為6.1 m，兩側預留4 m保護層（即b1部位）采用雙向聚能爆破控制技術，確保巖臺巖體的完整。

（4）洞室隔層巖板C1、E1采取預留光爆層、豎直鉆孔梯段爆破，預留光爆層厚度2 m，每次開挖長度20 m。預留光爆層采用風槍人工開挖，以便提高洞壁開挖平順度。其中E1部兩側巖臺（即e1部位）巖體滯后一定距離采取風槍人工開挖，確保巖臺巖體的完整。

（5）最后將預斜坡道爆破清除，從另一連接洞室底部的斜支坑出碴，完成整個洞室的開挖。

以上的開挖程序具有平行作業(yè)面多、相互干擾少、人員設備效率高、施工進度快的特點。通過現(xiàn)場監(jiān)控量測表明：拱頂下沉和高邊墻水平收斂均在50 d左右時間完全趨向收斂，圍巖穩(wěn)定。相比較自上而下逐層開挖可縮短工期約400余天。

4 洞室圍巖穩(wěn)定數(shù)值模擬

斷面內(nèi)不同的開挖順序?qū)е虏煌男遁d路徑，在洞壁出現(xiàn)塑性的變形和破壞過程中，不同的卸載路徑將導致不同的圍巖塑性區(qū)域分布和圍巖變形，為了進一步分析縱向預留隔層、隔層上中下同步開挖、最后清除隔層的開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響，本文采用FLAC2D對這一新的開挖方法引起的圍巖塑性破壞、圍巖變形以及支護結構受力進行了模擬計算，并與傳統(tǒng)的自上而下開挖方法進行了對比。

由于洞庫的軸線長度遠大于洞室的跨度和高度，因此，對兩種斷面開挖方案的圍巖應力、變形和塑性破壞可通過平面應變計算來對比分析。

計算中圍巖按Ⅱ級考慮，其物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 洞庫圍巖物理力學參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock

支護結構的計算參數(shù)如表2所示。

表2 支護結構的計算參數(shù)Table 2 Calculating parameters of support structure

對圍巖進行彈塑性計算，采用M-C準則，相關聯(lián)流動法則，用主應力表示M-C準則為

式中： Nφ= (1 + sinφ)/(1 - sinφ)，c、φ分別是材料的凝聚力和內(nèi)摩擦角，在輸入?yún)?shù)時給定。

拉破壞采用以下準則判斷：

式中：σt為材料極限抗拉強度，在輸入?yún)?shù)時給定。σt最大值不超過c/tanφ。

實際計算模型中每一點的應力狀態(tài)用式（1）、（2）聯(lián)合進行判斷，以決定該點為壓剪破壞或拉破壞。

如圖5、6所示，分別為計算模型和網(wǎng)格劃分，計算方案有兩種：方案1即本工程所采用的縱向預留隔層、隔層上中下同步開挖、最后清除隔層的開挖順序；方案2為傳統(tǒng)自上而下開挖，縱向共分6層，如圖7（a）、（b）。由于洞室所在山體為一渾圓狀孤山，沒有構造應力，計算中只考慮重力應力。具體模擬開挖計算過程為：

方案1：A1、A2、A3區(qū)域同時開挖、計算→B1區(qū)域開挖、計算→C1區(qū)域及巖柱開挖、計算→E1區(qū)域及及巖柱開挖、計算。

方案2：A～E區(qū)域依次開挖和模擬計算。

圖5 計算模型Fig.5 Calculating model

圖6 計算網(wǎng)格Fig.6 Calculating mesh

圖7 計算方案（單位：m）Fig.7 Calculating scheme (unit: m)

4.1 不同開挖方案圍巖塑性區(qū)對比

如圖8所示，分別為第一、二種開挖方案完成后圍巖塑性破壞區(qū)分布。

圖8 塑性區(qū)分布圖Fig.8 Distribution of plastic zones

圖9 洞室周邊圍巖垂直位移云圖Fig.9 Nephograms of vertical displacements of surrounding rock

經(jīng)統(tǒng)計計算可知，方案1圍巖塑性破壞區(qū)面積為 627.88 m2，方案 2圍巖塑性破壞區(qū)面積為655.37 m2。方案1對圍巖的擾動破壞小于方案2。

4.2 不同開挖方案圍巖變形對比

如圖9所示為兩種方案洞室周邊圍巖垂直位移分布圖。方案1洞室拱頂最大下沉值為16.34 mm；方案2洞室拱頂最大下沉值為16.71 mm；邊墻臺階處及底板有向上變形趨勢，但變形值不大。計算還表明：洞室高邊墻中間位置的水平收斂值方案1為3.19 mm，方案2為2.97 mm。

從上述洞室圍巖的變形來看，方案1比方案2拱頂下沉稍小，但邊墻的水平收斂稍大，主要原因是方案1中間隔層最后被開挖后，相當于中間的橫支撐突然拆除，易導致高邊墻的出現(xiàn)突然的收斂變形。因此，在方案1上中下同步施工過程中，要做好已開挖部位邊墻的支護工作后再開挖中間隔層。

4.3 不同開挖方案錨桿軸力比較

圖10所示分別第1、2種開挖方案中錨桿軸力圖。

圖10 錨桿軸力圖Fig.10 Axial force diagram of rock bolting

從圖10可見，洞室開挖完成以后，其左右邊墻、臺階和拱頂位置的錨桿軸力基本上都承受拉力作用，且在拱頂及臺階附近拉應力較大。方案1拱頂錨桿最大軸力為66.2 MN；方案2拱頂錨桿最大軸力71.1 MN，與兩種方案洞室拱頂下沉相對應。

4.4 兩種方案綜合比較

將上述兩種開挖方案圍巖塑性區(qū)面積、拱頂下沉、高邊墻水平位移及錨桿最大軸力匯總在一起，如表3所示。

表3 兩種方案綜合對比Table 3 Comprehensive comparison of two schemes

從表3數(shù)據(jù)可以得到方案2相對方案1各指標相對差百分比為

由以上相對差百分比來看，除邊墻水平位移外，方案2的其他指標均較方案1大，但相對差均不超過10%，表明大斷面、高邊墻洞室同一斷面內(nèi)中間預留隔層、隔層上中下同步開挖，最后再挖掉隔層的開挖順序是完全可行的，且在控制圍巖變形方面稍優(yōu)于自上而下的開挖順序。而在減少平行作業(yè)面相互干擾、充分發(fā)揮人機效能，從而加快施工進度方面則具有明顯的優(yōu)越性。

5 結論與討論

（1）對建設在穩(wěn)定巖體中的大跨度、高邊墻洞室，采取斷面內(nèi)縱向預留隔層、隔層上中下同步開挖、最后清除隔層的施工順序可有效避免自上而下開挖順序中多工作面相互干擾，有利于人機效率的提高，加快施工進度。該方法在某大跨度高邊墻地下洞室施工中得到成功應用，可作為類似大斷面洞室普遍適應的開挖順序方案。

（2）不同施工順序方案的數(shù)值模擬計算結果表明，自上而下順序開挖與縱向預留隔層、隔層上中下同步開挖、最后清除隔層兩種方案引起的圍巖變形、破壞區(qū)分布和錨桿受力相差不大，后者稍優(yōu)于前者。

縱向預留隔層、隔層上中下同步開挖、最后清除隔層的施工順序在以下條件下較適宜采用：①頂拱層開挖后，需要施做拱部支護結構，時間周期長；②洞庫圍巖需具有一定的強度和完整性，以保證隔層巖板的穩(wěn)定；③上中下同時開挖最好有獨立的外運出碴通道，可從不同標高施工平洞或斜坡道到達預定位置。

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