巨跨超扁平地下洞庫建設方法及實踐

劉永勝， 洪開榮， 卓 越， 楊朝帥， 宋超業， 劉龍衛

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458； 3. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司， 天津 300133)

0 引言

隨著完善交通體系建設、促進區域協調發展、推進軍民融合發展等國家重大戰略的提出，超大跨度公路隧道、地下車站，石油、天然氣戰略儲備洞庫，大型地下國防工程等相繼實施。以滿足國家重大需求為導向，地下空間開發逐步從淺層進入深部，規模從常規向超常規發展，大跨、巨跨地下空間也逐漸融入經濟、社會發展和國防建設的需求中。如最大開挖跨度為32.7 m、高跨比為0.6的京張高鐵八達嶺地下車站，海南某開挖跨度為44.4 m、高跨比為0.327的超大跨洞庫等。人類的工程活動對地下工程的跨度和規模提出了越來越高的要求，巨跨超扁平大型地下洞庫的建造挑戰越來越大，技術創新也越來越迫切。

張民慶等[1]、呂剛等[2-3]、劉建友等[4]研究了八達嶺長城站超大跨度隧道設計施工技術及隧道變形控制標準；羅基偉等[5]研究了超大跨度隧道預應力錨桿-錨索協同支護機制；劉輝等[6]研究了基于圍巖自承載理論的超大跨硐室設計方法；孫玉龍等[7]研究了基于過程荷載的超大跨扁平地下洞室圍巖壓力計算方法；于清浩等[8]研究了淺埋超大跨四線高鐵隧道開挖力學特性；吳濤等[9]研究了雙向8車道高速公路隧道施工力學行為；樊啟祥等[10]研究了白鶴灘水電站地下廠房洞室群施工技術。然而，上述研究的對象均為跨度在40 m以下的洞庫或隧道，對于跨度在50 m以上的洞庫，因缺乏實際依托工程，研究手段多以理論和數值模擬分析為主，而關于勘察設計、施工和運營維護等方面的工程技術問題則少有涉及。

巨跨地下洞庫具有跨度巨大、體型高大、扁平的特點，其支護結構的剛度與質量分布不均勻、承受荷載復雜，且洞室穩定性判識、設計理論、地質評估體系、開挖支護關鍵技術、運營維護與監測等均無可供參考的經驗和理論，致使其建設面臨極大的技術挑戰。本文對巨跨超扁平地下洞庫從建設理論、勘察、設計、施工及運營等方面進行系統探討，以期在巨跨超扁平洞庫關鍵地質參數選取及工程選址、設計方法的探索、施工方法的確定、監控量測方案的制定等方面做出有益探索。

1 現狀與難題

1.1 建設現狀

國外大跨度地下洞室的建設起步較早，20世紀80年代日本第二東明公路初期建設的3車道隧道斷面面積為113～117 m2，后來為了適應140 km/h的速度要求而規劃的3車道公路隧道，其斷面面積達到了170～200 m2，局部高達230 m2，開挖寬度達23 m。1994年開通的英法海峽隧道分叉處斷面的開挖寬度達21.2 m、開挖高度達15.4 m。挪威格喬維克城滑冰場跨度為61 m、高為25 m、長為91 m，是國內外已知最大的人工洞庫工程。在過去的30多年中，國外在大跨扁平隧道建設中積累了一定的經驗。

我國大跨度洞庫工程的建設起步較晚，早期主要集中在水電領域。近年來，大跨度地下洞庫和隧道工程建設發展較快，無論是數量、運用領域、建設規模，還是修建技術與建設速度，都已達到世界先進水平，應用范圍也已向交通、國防、民防、地下商業等領域拓展。典型超大跨洞室(隧道)如表1所示。

表1 典型超大跨洞室(隧道)

由表1可以看出，國內人工地下洞庫(隧道)最大跨度為48 m，跨度在50 m以上巨跨洞庫的建設缺乏經驗。巨能攀[11]收集了國內外600個洞庫工程的開挖尺寸資料，得知在已建洞庫工程中，跨度在20 m以上的占41.96%，跨度在25 m以上的占15.96%，跨度在10～25 m的占84.04%，跨度超過25 m的洞庫以及較差圍巖中跨度在20～25 m的洞庫工程占比較低。綜合分析交通隧道、水利隧道以及地下洞庫工程的跨度數據，結合勘察、設計和施工經驗，定義常規、大跨、超大跨以及巨跨地下洞庫劃分標準如表2所示。

表2 常規、大跨、超大跨以及巨跨地下洞庫劃分標準

1.2 存在的難題

1.2.1 地質及勘察方面

常規圍巖分級分類方法對洞室尺寸效應考慮不足，尺寸效應放大了地質條件對洞庫的影響，尤其是巖體結構面特征對洞庫穩定性的影響顯著。

1.2.2 設計方法方面

巨跨超扁平地下洞庫已超出了相關規范中理論分析模型與方法的適用范圍，也無可以適用的工程經驗可供借鑒，無論是相關理論，還是實踐，均帶有一定的探索性，非常有必要依托項目生產及時開展系統的設計方法研究。

1.2.3 開挖技術方面

為保證超大斷面洞庫施工過程的安全，在分部方式、開挖步距、支護體系施工、爆破累積損傷控制、爆破允許振動標準、配套工藝工裝等方面均具有極大的挑戰性，施工工藝和成套工裝均需重新研發。

1.2.4 二次襯砌施工方面

巨跨地下洞庫二次襯砌工程具有體積大、面積大、自重大、鋼筋密集等特點，混凝土澆筑質量、鋼筋混凝土的控裂、防水層的敷設、工裝配套等方面均無現成的經驗可供借鑒。

1.2.5 監測技術方面

因項目的特殊性，巨跨洞庫圍巖在建設期的穩定性判定指標很難以常規洞庫的收斂和變形指標來判識，需采用多指標判識方法。

2 巨跨超扁平地下洞庫理論探討

2.1 既有理論的分析

地下工程中有2大理論體系： 一種是“松弛荷載理論”，另一種是“現代支護理論”。按照普氏理論，無論圍巖強度大小、隧道跨度大小以及何種洞室形狀，只要有足夠的埋深，都會在拱頂發生塌落破壞并形成壓力拱，洞室隨之達到自穩狀態。這些結論只是在一定條件下才具有適用性，而在更多的情況下并不符合實際。對于巨跨超扁平洞庫而言(以跨度為70 m、Ⅲ級圍巖為例)，以普氏理論計算出來的圍巖松散壓力達350 kN，70 m跨度條件下，幾乎無法匹配這么大剛度的支護結構。因此，普氏理論在巨跨地下洞庫中無法應用。“現代支護理論”的核心內容是巖體自身有承載自穩能力，圍巖失穩有一個過程，如果在適當的時候提供給圍巖必要的支護，則圍巖仍能保持穩定。“松弛荷載理論”注重結果和對結果的處理，而“現代支護理論”注重過程和對過程的控制，即強調對圍巖自承能力進行充分的保護和利用。2大理論體系在原理和方法上有著不同的特點，前者對應荷載結構法，后者對應地層結構法。

新奧法原理在常規跨度的地下工程中運用非常廣泛，其核心理念是充分發揮圍巖的承載能力，因其結構的支護基礎是被動適應、變形協調，故變形控制為被動抵抗圍巖變形，支護時機上屬于伺機支護。新奧法支護體系為噴+錨+拱+網，屬于淺層、被動支護，支護力為面力。對于巨跨地下洞庫而言有2大難題： 一是因其尺寸巨大，若采用新奧法原理，圍巖釋放一定的變形，則需要剛度巨大的支護結構才能滿足圍巖和結構的協調變形，然而，對于巨跨洞室，現有的初期支護手段尚不能提供如此巨大剛度的抗力，因此，極易發生支護結構破壞的情況；二是以變形為前提的被動支護結構不能有效、及時地對圍巖進行預加固，容易造成圍巖不可逆轉的劣化，從而導致洞室圍巖失穩。

2.2 隧道解重構場理論

隧道開挖必然會造成圍巖賦存環境的改變，包括地應力、地下水與地溫等的變化，以及圍巖物理力學性能的變化，這種應力和介質特性的變化過程可稱為“解構”；采用各種支護手段使圍巖的劣化與賦存環境的變化可控的過程稱之為“重構”。由于修建隧道而發生變化的巖土體及其賦存環境統稱為隧道解重構場。

現有的隧道支護體系在洞周提供徑向約束，使洞室圍巖的力學特性在一定程度上有所改善,但由于支護抗力僅作用于洞壁表面，支護體系是被動抵抗圍巖的變形，本質上還是“被動支護”[12]。對于巨跨超扁平地下洞庫而言，支護理念宜由抗變轉變為控變，一是控制圍巖物理力學性能的劣化，二是主動地誘導圍巖的應力調整。隧道解重構場理論的核心理念是：“通過預應力錨索等主動支護手段，即時誘導圍巖應力場調整和控制圍巖介質的劣化來主動控制圍巖，實現支護體系對圍巖的主動支護”。該理論要求主動控制圍巖變形，實現立即支護，支護力為體積力。主動支護和被動支護應力狀態見圖1。

3 巨跨地下洞庫地質關鍵性參數及地質評判分析

3.1 關鍵性地質參數的遴選

運用正交試驗方法，對巖石強度、地下水、結構面間距、結構面傾角、計算摩擦角、地應力、洞庫跨度、高跨比、地震烈度等9個地質參數和幾何參數進行洞庫穩定性分析，得到了各參數的影響規律。正交試驗設計情況如表3所示。

表3 正交試驗設計情況

通過采用灰色系統關聯分析方法對影響巨跨超扁平地下洞庫圍巖分級與圍巖穩定性的影響因子進行多因素敏感性分析。首先,通過離散元(DEM)、極限平衡法等方法建立數學模型，以反算的方式研究結構面空間產狀、強度特征、初始地應力環境條件等巖體綜合工程地質特征的變化引起洞庫變形的范圍，從而確定地質參數的權重因子;其次,通過數理統計的方法確定關鍵地質參數與洞室穩定性的定量關系；最終,遴選出跨度、高跨比、節構面間距、結構面傾角、摩擦角、地應力是影響圍巖穩定性的顯著因素(見圖2)。

圖2 各參數權重值

3.2 選址原則

1)權重規律： 結構面產狀>地應力>跨度>高跨比>摩擦角。2)側壓力系數為1.5～3.0，且結構面傾角小于15°或大于45°、結構面走向與洞庫軸線夾角大于60°時，成洞穩定性好。

4 巨跨地下洞庫設計方法探討

4.1 設計方法的選擇

巨跨地下洞庫圍巖穩定性分析與設計方法一般包括定性分析和定量分析2類。為實現巨跨地下洞庫設計方法的科學化、精細化，通過引入具有嚴格物理力學意義的定量指標，實現巨跨地下洞庫定量化設計方法。通過數值分析，結合圍巖整體、塊體穩定分析法，為關鍵參數指標的定量化設計提供理論指導，同時緊密結合現場實測數據，做好反饋分析的動態設計。目前針對巨跨地下洞庫結構，國內外類似工程經驗極少，設計方法選擇上主要采用“以數值計算為主，類似大跨經驗為參考，施工監測動態反饋調整”相結合的綜合設計方法。

通過構建施工階段圍巖穩定性評估指標體系，以參數化形式確定在滿足指標體系條件下，大跨洞室能夠做到安全快速修建，為巨跨超扁平洞室安全修建提供理論保障。首先，確定施工階段巨跨地下洞庫圍巖穩定性評價項目，包括整體穩定性及局部穩定性2個評價項目，每個項目又分為變形指標(變形值及變形速率)、強度指標(剪切強度、塑性區等)、關鍵塊體的滑移形式和安全系數、支護結構承載力指標等若干子項目；然后，通過資料調研及理論分析，選取合適的巖石及結構面彈塑性本構、破壞準則，結合工程實測數據，對各子項目的指標控制值進行參數化評價；最后，根據整體及局部穩定性評價結果，對施工階段洞室結構安全狀態進行評價。巨跨地下洞庫圍巖穩定性評價流程見圖3。

圖3 巨跨地下洞庫圍巖穩定性評價流程

4.2 設計難點

巨跨超扁平地下洞庫的設計難點有： 1)巨跨超扁平地下洞庫采用預留中巖柱的分部開挖工法，中巖柱拆除后不確定風險高。2)穿越斷層破碎帶段存在較大塊體掉落風險，開挖后支護難度高、成洞風險大。3)洞內交叉段工序轉換復雜，對支護系統跟進及爆破振速要求高。4)洞口高邊坡施工，開挖及支護難度大，超小覆蓋層進洞風險高，質量要求極高。5)巨跨超扁平地下洞庫洞口段的設計難度極大。6)裂隙巖體中巨跨地下洞庫系統支護參數設計確定難度大。

4.3 設計原則

1)應采用主動、及時的噴+錨+網柔性支護體系。2)采用橫向分塊+豎向分層+預留中巖柱的開挖方法，明確開挖順序，保障工序順暢。3)細化系統支護參數的定量化設計，確保系統錨索+系統錨桿的支護方案安全合理，匹配現場施工工序。4)結合洞口仰坡設計，科學制定洞口段開挖支護設計方案，洞內、洞外支護相結合，保障洞口淺埋段安全成洞。5)二次襯砌采用貼壁式設計，不承擔水土壓力，只承擔圍巖殘余應變和不均勻沉降引發的內力。

5 巨跨地下洞庫工程建設實踐

巨跨超扁平地下洞庫的施工方法沒有可供參考的工程經驗，其施工過程的力學行為研究尤為重要。為保證超大斷面洞庫施工過程的安全，在分部方式、開挖步距、支護體系施工、爆破累積損傷控制、配套工藝工裝等方面均具有極大的挑戰性，需進行深入研究及探索，相關施工工藝工裝需重新研發。

5.1 工程概況

某巨跨地下洞庫工程圍巖巖體較完整，屬于硬質巖。圍巖局部有節理切割的大塊或巨塊體，整體Ⅱ級，局部Ⅲ級。地下水主要為地表降水向山體內滲流，水位在隧底以下。洞庫開挖跨度遠大于50 m，矢跨比0.21，側壓力系數約為2.67，屬于典型的巨跨超扁平地下洞庫工程，滿足3.2節的選址原則。

5.2 設計方案

洞庫采用噴+錨+網支護結構。噴射混凝土厚度20 cm，強度C25，鋼筋網φ8@15 cm×15 cm，網噴混凝土柔性太大，設計中不考慮其承載力；拱部和邊墻設計系統錨桿(6 m@2.4 m×1.2 m)，拱部設計預應力錨索18 m@4.8 m×4.8 m，錨固段長9 m。鋼絞線為9×25孔、fptk=1 860 MPa，錨索軸力設計值為1 500 kN。二次襯砌為離壁式結構，拱部混凝土截面厚度為120 cm，兩側邊墻厚度為2.0 m，底板厚度為2 m，混凝土強度為C60。巨跨超扁平地下洞庫設計施工圖見圖4。

巨跨地下洞庫采用分塊分幅開挖，在導洞開挖完成后立即采用預應力錨索和錨桿支護，對已開挖巖體進行及時主動支護。巖柱開挖前(成跨之前)，大部分部位形成了預加固，巖柱拆除瞬間，預應力加固體系發揮作用，抑制圍巖變形，維護圍巖穩定。

5.3 開挖方案

巨跨地下洞庫開挖方法的選擇必須考慮開挖工況圍巖的穩定性，分塊分幅開挖是必然的選擇。預留巖柱支撐法是根據圍巖質量等級和開挖跨度大小確定合理的開挖分割塊，同時相鄰分割塊之間預留原巖作為洞庫的支撐體系，確保不同施工階段的圍巖都處于安全穩定狀態。預留巖柱支撐法常用的有預留單巖柱支撐法、預留雙巖柱支撐法和預留多巖柱支撐法。

在開挖方法選擇方面，需重點考慮斷面分塊形式和尺寸以及臨時支撐的設計和拆除2個關鍵問題。

序號表示開挖順序，下同。

5.3.1 斷面分塊形式和尺寸

分塊數量越多,單個開挖部尺寸越小,支護結構施作越及時，洞庫穩定性越好，安全風險越低，但分塊數量多會導致工序復雜、圍巖擾動次數多、機械化作業效率低、進度慢，經濟性不高。平衡安全性和經濟性的矛盾，是開挖方法選擇的首要問題。

5.3.2 巖柱的設計與拆除

對于預留巖柱支撐，除了根據巖柱承受的圍巖荷載來確定巖柱個數、巖柱尺寸和巖柱加固參數外，拆除巖柱是整個施工的關鍵，設計合理的巖柱拆除方案、步序、進尺等，對施工安全有決定性影響。預留巖柱開挖法示意圖見圖5。

圖6 巨跨超扁平地下洞庫雙向對挖拆除巖柱支撐施工示意圖

5.4 殼體型大體積二次襯砌混凝土澆筑方案

5.4.1 澆筑難點

1)巨跨洞庫二次襯砌混凝土最大厚度可達2 m，單組混凝土澆筑量可達1 500 m3，屬大體積混凝土施工，對混凝土抗裂性能提出極高的要求。

2)二次襯砌鋼筋設置較為密集(主筋最小凈距僅約120 mm)，混凝土澆筑期間送料、振搗難度極大，極易產生大面積空洞。

3)巨跨地下洞庫拱部呈蟶殼形，拱部為水平狀，極其不利于混凝土填充，且無振搗條件。

5.4.2 控制方法

5.4.2.1 控裂方法

1)溫度控制。采取措施有效降低混凝土自身水化熱峰值，控制混凝土內外溫差及溫降梯度速率,防止溫度效應導致的開裂。

規劃區域位于渠北運西片中部，區域上游有排澇面積24.57km2，下游有排澇面積49.77km2，區域內排水河道既要保證上游澇水的安全下泄，又不能增加下游的排澇壓力，起到承上啟下的作用。

2)外部施加應力控制。提高支撐體剛度,盡量減小頂部水平段混凝土澆筑期間支架變形量；采取適當工藝加快封頂速度，在滿足水化熱控制基礎上盡量延長混凝土初凝時間,使支架變形在底部混凝土處于可塑狀態下完成,消除外部應力引起的開裂。

3)采用“先墻后拱”的方式進行二次襯砌施工。

5.4.2.2 不密實控制方法

采用自密實混凝土解決不密實難題，經大量配比和現場試驗分析，得出巨跨地下洞庫混凝土配合比，如表4所示。

表4 自密實混凝土配合比

表4中： 粉煤灰等級為Ⅰ級，檢測指標符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的相關要求；細骨料宜采用質地堅硬、級配良好、吸水率低、孔隙率較小的Ⅱ區中河砂；粗骨料宜選用粒性良好、質地堅固、線脹系數小、級配良好的碎石，級配采用5～10 mm、10～20 mm的單粒級配摻配使用，最大公稱粒徑不大于20 mm；減水劑采用聚羧酸高性能減水劑；改性劑采用增黏劑，技術指標符合TB 10424—2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》的相關要求。

5.5 防水層施工方案

巨跨地下洞庫宜修建在地下水位以上，設置防排水體系有2個目的： 一是保持洞室干燥，確保達到一級防水標準；二是疏排雨季通過裂隙滲透的地表降水。為此，巨跨洞庫設置了防水層+環向盲溝+縱向排水管(溝)+復合土工膜的完整防排水體系。

5.5.1 巨跨地下洞庫防水層施工重難點

1)大跨度、大面積防水層的快速鋪設以及搭接處理難題。2)系統錨桿密集穿透防水層，常規防水板無法實現防水要求。3)初期支護混凝土表層鋼纖維外露，易刺破防水層。

5.5.2 解決方案

通過現場工況適用性及材料性能對比,快凝瀝青橡膠噴涂防水材料具備較強的不透水性、斷裂伸長率、彈性恢復率、耐沖模及抗沖刺性能，且能與復合土工膜良好黏結；因此，巨跨地下洞庫采用“復合土工膜+3 mm厚瀝青橡膠防水涂層”方案可滿足防水要求。

5.6 監測方案

5.6.1 監控量測難點和要點

1)巨跨地下洞庫具有跨度巨大、結構扁平等特點，國內外沒有類似的工程監測經驗，施工期監控量測標準需要重新制定，運營期結構安全和圍巖穩定也需進行長期監測和評估。2)巨跨地下洞庫施工期和運營期監控量測項目需重新確定，如表5所示。3)采用分塊分幅的形式爆破開挖，應力場多次擾動、多次平衡，監控量測規律復雜。

表5 臨時監測項目和永久監測項目

5.6.2 監測規律分析

通過監測，得到了洞庫拱頂沉降規律，典型的拱頂沉降曲線見圖7。

圖7 典型的拱頂沉降曲線

由圖7可以看出： 1)沉降量的絕對值大，且隨著開挖工況的改變，變形曲線出現多次增幅和收斂。2)沉降速率大，為集中爆發型，且在同一洞庫斷面上變化明顯。

6 結論與建議

地下洞庫的跨度在不斷增大，也在不斷挑戰著地下洞庫的建設水平。本文的研究和實踐表明，50 m及以上巨跨地下洞庫是可以安全、快速修建的，得到的主要結論與建議如下。

1)巨跨超扁平地下洞庫成洞的關鍵是充分發揮圍巖的自穩能力，主動、及時的支護是保障圍巖穩定的關鍵。

2)巨跨超扁平地下洞庫尺寸效應給勘察設計和施工帶來了極大的影響。結構面產狀、地應力、跨度、高跨比、摩擦角是影響圍巖穩定的顯著因素。洞庫宜修建在地下水位以上。

3)巨跨超扁平地下洞庫應采用噴+錨+網柔性支護體系。支護參數的選取需以數值計算為基礎，并結合監控量測數據及時調整。

4)巨跨地下洞庫的開挖須采用“橫向間隔分塊、縱向梯次并進”的理念，確保開挖工況的穩定性。

5)巨跨地下洞庫的建設具有重大技術挑戰性，跨度在50 m以上的洞庫建設樣本稀缺，主動支護理論、巨跨洞庫設計方法以及洞庫運營期的穩定性和安全性均須進一步明確和確認，建議后續做進一步研究。本文提出的巨跨超扁平地下洞庫的定義及相關結論是在工程實踐的基礎上提煉總結而來，供各位同行商榷。