地下廠房系統工程施工技術管理重點與對策研究

李世春

（中國水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650041）

1 引言

地下廠房系統工程是目前最為復雜的地下空間利用實例，其在有限的山體內集中布置了眾多洞室，大小洞室縱橫交錯，洞室（豎斜井）之間存在立體交叉、相貫、層疊的情況，形成龐大的地下洞室群，其廠區地下挖空率高，地下建筑物布置緊湊，結構復雜[1]，相鄰洞室間的關系緊密。 整個地下廠房系統工程施工內容多，工程量大，施工空間有限，施工技術復雜。 在施工過程中從技術管理的視角來看，其管理難度大，范圍廣，如何有效管理地下廠房系統工程的施工技術， 處理好進度、質量、安全、成本之間的相互關系是作為一個技術管理者必須考慮的問題。 本文就從技術管理的角度來分析、探討地下廠房系統工程施工的技術管理重點與對策， 以期為后續地下空間的開發和利用提供參考。

2 施工技術管理的總體思路

地下廠房系統工程施工主要包括了開挖支護、混凝土、金屬結構安裝、電器管路安裝、機電設備安裝等工作內容，其各工作內容之間相互關聯，相互制約，錯綜復雜而緊密。 從總體上來說， 地下廠房系統工程技術管理的核心內容就是要保證施工在技術上的可行性，確保施工的正常進行，同時兼顧其進度、安全、質量和成本等方面的問題。 因此，地下廠房系統工程施工的技術管理是一項綜合性的工作。

通過總結多個地下廠房系統工程的施工經驗， 地下廠房系統工程施工技術管理是有章可尋的， 其重點主要包括施工通道的設計與規劃、地下洞室圍巖穩定控制、防洪度汛問題及通風散煙問題等幾個方面的問題。

3 施工通道的設計與規劃

施工通道作為地下廠房系統工程施工的基礎條件， 其使用貫穿了包括開挖支護階段和混凝土施工階段的整個施工過程，合理的施工支洞設置可簡化施工程序、加快施工進度、節約施工投資[2]。 因此，地下廠房系統工程施工從技術管理的角度來說首先要考慮的就是通道的布置設計與規劃問題， 為地下廠房系統工程施工的可行性奠定基礎。

3.1 施工通道的設計

為滿足地下洞室的施工組織要求， 以保證均衡、 有序施工，在布置施工通道時，應滿足不同高程、不同洞室施工的特點與需要，做到地下洞室群按“平面多工序、立體多層次”的原則進行施工。 施工通道的布置主要考慮以下幾方面的內容：（1）優先利用設計規劃的永久洞室作為施工通道，或與永久洞室相互結合，以最大限度減少臨建工程，節省工程投資；（2）結合施工程序及進度計劃安排， 并根據地形地質條件及各洞室的相互關系，在確保安全的前提下，合理布置施工支洞，增加工作面或通道，保證工程進度，并兼顧安全、質量和成本；（3）如果設置施工支洞， 在考慮施工支洞縱坡、 轉彎半徑的情況下，按照支洞線路最短的原則，根據規范要求及現場實際，結合地質條件、水文條件以及與相鄰洞室的關系，布置施工支洞軸線走向；（4）同一高程上永久洞室較多的部位，施工支洞盡可能連通各相鄰洞室， 避免后期混凝土澆筑后對施工通道的影響，以滿足同一高程上的洞室施工的要求[3]。 即施工通道的布置不僅要考慮開挖支護階段的使用， 也要充分考慮混凝土澆筑后部分通道封閉時的使用情況。

施工支洞作為臨時性的建筑物， 在設計時主要考慮其適用性、安全性和經濟性。 從適用性方面來說，主要需考慮施工支洞的斷面尺寸及轉彎半徑等， 其斷面尺寸主要考慮施工設備通行、風水電布置、永久設備的運輸等的需要，保證在布置風水電管路的情況下設備亦能正常通行， 同時應考慮施工支洞承擔運輸任務的強度大小確定采用“雙行”車道還是“單行”車道；轉彎半徑主要考慮大型設備通行或運輸的需要。 從安全性方面來說，主要需考慮施工支洞穿過的地段，不同地質條件下的支護形式， 以及施工支洞坡度是否能保證施工設備通行的安全，設計時盡可能選擇地質條件好的地段，合理的支護形式及坡度，確保施工支洞在施工和運行過程中的安全。 從經濟方面來說，主要考慮施工支洞的長度、支護形式及數量等方面的問題，由于施工支洞是臨時建筑物，所以要求其長度盡可能短，支護形式盡可能簡單，數量盡可能少。

3.2 施工通道的規劃

在施工通道的使用規劃方面， 首先需要充分考慮施工工期以及各項目或工序之間的相互關系， 只有理清施工程序才能制定相應的施工方法，才能規劃施工通道的使用，確保施工的正常、有序進行。 如地下廠房的施工開挖支護階段是一個從上至下的過程，而混凝土施工階段又是一個從下至上的過程；對于某個工作面而言，開挖支護是一個從外向內的過程，而混凝土施工一般都是從內向外的過程； 各洞室之間亦存在著緊密的關系，施工過程中理清孰先孰后尤為重要。

其次， 施工通道承擔運輸任務的強度也是在施工通道規劃時必須考慮的內容。 在施工通道規劃時，盡可能均衡生產，讓每一個施工通道都能保證正常通行的需要， 避免過高的強度造成交通堵塞，對施工進度造成影響。 特別是在混凝土施工階段，部分通道封閉后，更應該提前規劃好施工通道，合理安排各項目的施工，確保施工通道的正常運行。

第三， 在施工通道規劃時， 盡可能同時采用多通道的方式，既可以分流運輸壓力，又可以保證在某通道堵塞或不能使用時還有其他通道可以使用。

4 地下洞室圍巖穩定控制

影響地下洞室穩定的因素很多，包括圍巖的穩定問題、支護的強度問題、地下水的影響等。 對于圍巖穩定問題，普遍認為當前的地下廠房圍巖變形分布特征和時效特征， 既與圍巖在開挖卸荷后所出現的巖體質量下降、圍巖強度減小、巖體蝕變現象有關， 也與圍巖內存在節理裂隙或斷層等不連續地質結構在開挖卸荷作用下易發生張開或錯動有關[4]。 地下洞室開挖后，巖體產生應力集中和彈塑性變形，高邊墻變形及洞室特殊部位圍巖穩定問題突出，控制不當會導致坍塌現象的發生，對施工人員及設備的安全帶來很大的威脅， 在經濟上也會帶來很大的損失。

地下廠房系統工程施工洞室穩定控制的重點部位很多，一般需要特別關注高邊墻、隧洞平交口、隧洞立體交叉部位、多條平行洞室、巖錨吊車梁部位等的穩定問題。

4.1 高邊墻開挖圍巖穩定控制

地下廠房系統工程中主廠房、 主變室等洞室往往垂直邊墻較高，其圍巖穩定問題突出，特別是在中部，圍巖變形往往最大，過大的圍巖變形直接影響著洞室的穩定。 因此，為確保地下廠房系統工程高邊墻的圍巖穩定， 在施工過程中一般采取以下對策。

1）地下水對圍巖的穩定有著直接的影響，為確保高邊墻的圍巖穩定，需盡早完成相應高程排水廊道的開挖，降低高邊墻圍巖裂隙水壓力和滲透變形，提高洞室邊墻圍巖穩定性。

2）采取控制爆破技術，薄層開挖、及時支護。 對于如主廠房、主變室、調壓室等大洞室，開挖遵循“施工分層、一次預裂、薄層開挖、隨層支護”的原則，減小邊墻自由變形高度，縮短松弛變形時間， 以有效控制高邊墻有害變形， 保證高邊墻的穩定。 對于洞室邊墻上的斷層帶及由結構面不利組合形成潛在的不穩定塊體，采取薄層開挖、隨層支護尤為重要。

對于地下洞室的開挖， 對質點爆破震動速度有著很高的要求，當質點爆破震動速度超過一定范圍后，對邊墻的影響就很大，同時爆破松動圈的范圍也會增大，對圍巖的穩定帶來不利影響。 為了有效控制爆破對圍巖的影響，主要是控制爆破單響藥量的大小，一般主要從以下幾個方面出發：（1）控制開挖分層的厚度。 開挖分層的大小直接影響著爆破單孔藥量的大小，開挖分層高度一般控制在6～8 m。（2）爆破網絡的設計。一方面需要考慮單響的起爆孔數， 另一方面需要考慮雷管的延時問題，避免爆破震動波波速疊加。（3）采用預裂爆破。對邊墻進行預裂爆破，增加爆破震動波的傳播路徑，加速震動波的衰減，減小震動波對高邊墻的影響。

3）在其他洞室與高邊墻洞室相貫部位，開挖遵循“先洞后墻，重點加固”原則，即在高邊墻洞室開挖至其他洞室高程之前，先將其他洞室開挖完成，并延伸至高邊墻洞室內≥2 m，然后進行交岔口的鎖口支護和洞口環向預裂， 避免高邊墻形成后開洞對邊墻造成破壞， 以確保在高邊墻洞開挖至其他洞室高程時的洞室穩定。

4.2 隧洞平交口部位圍巖穩定控制

在隧洞平交口部位，開挖必須按照“短鉆孔、弱爆破、多循環”的原則進行施工，并在隧洞平交口主洞開挖掌子面超過岔洞口30 m， 且完成平交口段主洞支護和岔洞口超前鎖口錨桿后方可開岔洞口，岔洞進口段2 倍洞徑（跨度）范圍內按“短鉆孔、弱爆破、多循環、及時支護”的原則開挖支護，并加強變形監測，根據開挖揭露的地質條件，必要時增加長錨桿、掛鋼筋網噴混凝土、鋼支撐、鋼筋混凝土鎖口等加強支護措施，加強范圍大于平交口應力影響區域（一般為平交口弧線外6 m 左右）。

4.3 隧洞立體交叉部位圍巖穩定控制

地下廠房系統工程洞室群布置密集， 縱橫交錯、 層疊布置，立體交叉部位眾多，圍巖的穩定問題突出，一般采取以下措施進行圍巖穩定控制。

1）立體交叉洞室，從進度安排上采取上、下洞室錯開時段施工，在先開挖洞室支護并達到設計強度后，再進行后序洞室的開挖，并采取控制爆破和加強支護措施，保證上、下洞室之間巖體穩定。

2）立體交叉段30 m 范圍內盡可能地錯開施工；當立體交叉的隧洞間巖體厚度小于大洞室直徑（或其他最大尺寸）的1.5倍而大于1 倍時，采取控制爆破措施；當立體交叉的隧洞間巖體厚度小于大洞室直徑（或其他最大尺寸）的1 倍時，除采取控制爆破措施外，同時需考慮隧洞交叉處結構加強支護、加強襯砌等措施。

3）先開挖洞室在上部時，當兩洞間巖體厚度＜1.0 倍大洞室直徑時，先在上部洞室底板向下打懸吊錨桿或錨筋束，必要時增加鋼筋混凝土錨板； 下部洞室立體交叉段開挖按 “短鉆孔、弱爆破、多循環、分部開挖、分區支護”的原則進行，并視地質條件及上覆巖體（巖板）厚度選用鋼支撐加超前錨桿或注漿小導管等強支護措施，必要時進行鋼筋混凝土襯砌。

4）先開挖洞室在下部時，則下部洞室的立體交叉段采用加密錨桿等措施先進行強支護或鋼筋混凝土襯砌； 上部隧洞開挖立體交叉段時，亦按“短鉆孔、弱爆破、多循環、分部開挖、分區支護”的原則進行施工。

4.4 多條平行洞室圍巖穩定控制

地下廠房系統工程中的壓力管道、母線洞、尾水連接洞、尾水隧洞等一般都為平行布置的洞室，洞室間巖體厚度小，為避免平行洞室開挖爆破震動對相鄰洞室未支護的頂拱圍巖及洞間巖墻穩定的不利影響，施工過程中采取平面上“分序、跳洞、錯距”的施工原則，相鄰洞室掌子面錯開距離不小于30 m，已開挖洞室同一部位的系統噴錨支護完成后才能進行相鄰洞室的開挖，開挖過程中嚴格控制一次起爆藥量，有效控制爆破震動速度，確保不影響相鄰洞室的施工安全。

4.5 主廠房巖壁吊車梁的圍巖穩定控制

主廠房的巖壁吊車梁的開挖是地下廠房施工中一個非常重要的部位，其開挖支護的質量，直接影響著洞室的穩定以及后期橋機的運行安全。 因此，巖壁吊車梁的開挖非常關鍵，一般采取以下對策。

1）為保證巖壁梁巖臺成型質量，首先從分層分塊入手，一般采用中部拉槽先行，兩側邊墻預留保護層開挖錯距跟進的方式進行開挖，其中中部拉槽超前邊墻保護層30 m 以上，兩側邊墻保護層錯距距離大于30 m。 為更有效地減少爆破震動對巖壁吊車梁巖臺附近巖體的擾動，中部拉槽可再分為兩薄層，邊墻保護層與中部拉槽的分界面進行施工預裂。 邊墻保護層的開挖采用手風鉆分層鉆孔爆破開挖，其開挖分層高度宜不大于2.5 m。 巖壁吊車梁開挖支護分層分塊示意如圖1 所示。

圖1 巖壁吊車梁分層分塊示意圖

2）巖臺三角體采用垂直巖臺軸線方向，分別沿巖臺斜面及上直墻面造孔，雙向小藥量光面爆破的方式開挖。

3）采用控制爆破技術進行開挖，開挖前精心進行爆破設計與試驗，爆破工藝性試驗結束后才能展開施工。 爆破參數經試驗確定后，嚴格控制一次起爆藥量，確保巖壁成型，保證巖壁的完整和穩定，盡量減小由于爆破而產生的巖石松動范圍。

4.6 地下洞室施工期安全監測

在地下廠房系統工程施工過程中為確保地下洞室的穩定，安全監測是必不可少的，在利用永久監測設施的同時，需要布置一定數量的臨時監測。 臨時監測的布置需要對地下廠房系統工程的地質情況進行分析研究，對斷層破碎帶、節理密集帶等不良地質部位， 以及洞室交叉口等部位設置臨時監測斷面（測點），在施工過程中獲取監測數據，結合永久監測數據，對地下洞室圍巖的變化情況進行分析，如出現變形速率加快或突變等情況，及時采取相應措施或調整施工方案。

5 其他方面的問題

地下廠房系統工程從施工技術管理的角度來看， 還需要關注通風散煙和防洪度汛方面的問題。

5.1 通風散煙問題

地下廠房系統工程地下洞室埋深大，工作面較為集中，直接通向外部的洞室少，通風路徑長，且線路曲折，同時地下廠房系統工程施工強度高、施工設備多、車流量大，施工通風散煙十分困難， 是影響職業健康安全， 制約施工進度的重要因素。 因此， 通風散煙是地下廠房系統工程施工必須關注的重點，在設置通風設備的同時，需要從施工方案上著手，盡快貫通與地面連接的洞室，為通風散煙創造條件，盡早形成自然通風，改善施工環境，節約通風費用。

5.2 防洪度汛問題

地下廠房系統工程臨近江河，且布置在地面以下，地下水一般都比較豐富，防洪度汛問題突出，洪水貫入地下洞室將帶來不可估量的損失。 因此，在施工過程中必須充分考慮防洪度汛問題，在施工中應該特別關注進出水口、通往地面的洞口以及地下水的排放問題。 對于進水口主要高度關注圍堰及導流的情況；對于出口一般采取在尾水隧洞預留巖塞，在尾水閘門等擋水設施具備擋水條件后再挖除預留巖塞； 對于通往地面的洞口，需設置擋水設施，避免洪水流入洞內；對于地下水的排放需要準備充足的抽排水設備并保證排水管路的暢通。

6 結語

地下廠房系統工程施工是一個系統性的、復雜的過程，從技術管理的角度來看，不僅需要關注施工技術的可行性，還必須兼顧進度、安全、質量和成本，因此，其技術管理的難度和幅度都很大。 但抓住施工通道的設計與使用規劃、地下洞室圍巖的穩定、通風散煙、防洪度汛等重點問題，可使工程施工技術管理事半功倍，為地下廠房系統工程的施工打下堅實的基礎，確保施工的順利進行。 地下廠房系統工程是目前地下空間開發利用的典型，其對施工重點與對策的總結，可為未來地下空間的開發利用提供借鑒。