崩积地层地下阀室开挖与支护方案研究

杨谦YANG Qian

（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100025）

1 概述

在FAN 水电站输水隧道施工过程中，针对崩积层内高压钢管段，围绕蝴蝶阀室开挖难度大，开展崩积地层地下阀室开挖与支护方案研究，并给出具体的开挖与支护方案。隧洞立面布置见图1。

图1 蝶阀室至隧洞出口纵剖面开挖支护图

在组织开展地下工程开挖作业时，围岩类别是一项重要的控制性客观条件。对于处于崩积层的地下结构物来说，无论是开挖，还是支护，国内早已开展相应应的研究工作，许多成熟的技术、经验等都可以参考、借鉴。比较典型的诸如开钻先导孔，检查围岩地质结构，确定开挖线路；开挖进尺作业中，浅孔、密孔、少药量弱爆破等是比较常用的作业方式，具体作业方式结合实际情况进行选择；应用快速脚手架搭设技术；支护选型方面，主要采用锚喷方式进行支护，对于临时支护甚至可以采用钢拱架或者混凝土衬砌方式等。开挖W蝶阀室时，对于Ⅴ类围岩地质结构，在夹泥崩积地层中开挖空间结构物，空间结构的长、宽、高尺寸为15.8m、7.1m、14m，施工作业过程中，需要具备丰富的施工技术经验。

对于FAN 水电站蝶阀室，施工作业过程中，需要依托上述常用技术，也可以应用小断面导洞开挖等开挖技术。

在实际作业过程中，崩积地层地下阀室开挖与支护的难点主要表现为：

①对于地下工程，在组织开展开挖作业时，不可预见情况也较为常见。

②对于夹泥崩积地层，Ⅴ类围岩是较为常见的地质结构点，这种地质结构的施工难点在于堆积体松散、裂隙高度张开大等。对于崩积体岩块，其抗压强度一般在8.2～15.6MPa 之间，这些情况在一定程度上严重影响开挖方式、支护方式和作业安全。

③崩积地层地下阀室开挖与支护现场坐落在埃塞俄比亚境，严重缺乏施工设备和材料，能够进行熟练作业的工人更是少之又少，毫无挑选的余地。基于上述分析，崩积地层地下阀室开挖与支护方案的研究更具有推广价值。

2 研究技术路线及技术方案

2.1 总体思路及技术性能指标

技术方案总体思路：本项目主要是利用价值工程原理对技术方案进行技术经济评价，通过增加少量投入（C）实现方案功能（F）：保证安全和发电按计划进行，避免重大损失。

在技术性能指标方面，主要包括：无人员伤亡，围岩和结构物不存在诸如变形、垮塌、渗漏等地质危害。

2.2 技术方案

2.2.1 选址设计

阀室位置的初步确定，需要结合地质补勘的实际情况，如果地质条件较为恶劣，在这种情况下，需要采用地下洞室的开挖方式，再结合勘探孔进行确定，如果在高压管线线路上进行施工作业，一般最后确定变换蝶阀室的位置。综合分析经济效益、社会效益，本项目中的W 蝶阀室开挖作业，比较常用的方式就是选在地下崩积层（colluvium）中进行施工作业。

2.2.2 确定开挖线路

在开挖作业现场，对于开挖线路的确定，需要收集、处理地质条件资料、水文资料等数据信息，同时综合分析施工前后安全性、蝶阀室上游盲端洞室开挖等。为了确保开挖作业的安全性，开挖路线需要经过设计方、施工方的现场讨论最后确定，在本项目开挖作业中，最终的开挖路线为从靠山体侧向，采用小断面挖斜井作业方式，直接开挖到设计顶部高程，然后再向下回挖。与外侧开挖作业方式相比，在靠近山体侧方，岩体风化较轻，开挖到构造物顶部后，再挖外侧山体，这种开挖作业方式，需要具有良好的围岩稳定性。针对导洞进口端的外侧位置，在悬空岩体下方设置直径250cm 的钢管立柱，借助钢管立柱对构造物进行支护，提升裂缝切割体的稳定性。

2.2.3 确定开挖进尺、循环支护方式

对于单循环开挖尺来说，根据全断面形成前后可以分为全断面形成之前的分段成拱循环掏槽进尺和全断面形成后的全断面开挖循环进尺。在开挖标准化、开挖步骤方面，对于循环开挖方式来说，需要根据阀室开挖开工之前的实际情况，如岩体和材料、工艺特性等，在开挖蝶阀室前进行探索。

灵活采用冗余设计和设计变更，通过价值计算，采用临时支护冗余措施（管棚，固结灌浆和6 管立柱支撑等）的费用累计约1.1 万元人民币，但产生的直接工期效益至少310 万元人民币，价值功能系数近300，因此该方案立即被接受。

2.3 实施技术方案的工艺

2.3.1 技术控制与质量保证

在对地下工程进行开挖作业时，为了保障开挖作业的安全性，在尊重客观实际的基础上，严格遵守规程规范要求，对开挖作业质量进行严格控制，确保工程质量的安全性，并且如期完成，对于崩积层地下空间开挖作业来说更是如此，只有这样开挖作业安全才有保障。

①阀室开挖与支护。

严格按照《FAN 项目地下工程技术规范》（W-TS-C-06R1）相关规定要求组织开展阀室开挖与支护作业，该规范符合美国《岩芯勘探钻孔与取样标准惯例》（ASTM D 2113）、USACE EM-1110-2-2901“岩石中的隧洞和竖井”、中国《爆破安全规程》等规范要求。其中：

在导洞与蝶阀室顶部之间，一般采用分段爆破的方式进行开挖作业，分段开挖钻孔进尺一般控制在1.0-1.2m之间，单项爆破宽度控制在1.5-2.0m 之间。爆破作业完成之后，需要对岩面进行封闭处理，经常采用的方式为安全喷射混凝土方法，然后采用焊接钢拱架加长部分的方式进行跟进处理。在开挖导洞前期，需要综合分析材料、岩石、工艺特性等指标参数，对标准化的循环工艺流程进行明确。具体如图2 所示。

图2 标准化掏槽成拱流程图

对于导洞，在形成全断面拱架后，对城门洞型阀室需要采用全断面开挖与支护方式进行处理。在钻孔进尺标准方面，全断面进尺长度控制在1.0-1.2m 之间，采用“八”字掏槽方式，处理方式一般采用炸药、电雷管进行爆破。施工作业现场，需要结合围岩的实际情况，一般采用分段联网方式管控，单次装药量不超过128kg。每次完成爆破后，对岩面进行封闭处理，常用的方式为全喷射混凝土工艺，然后采用焊接钢拱架加长部分进行跟进处理方式。

②按照《FAN 项目钻孔与灌浆技术规范》（W-TS-C-04）要求，开展回填灌浆、超前管棚灌浆作业，质量控制要求，水泥净浆水灰比0.5∶1，采用麦氏注浆机进行注浆作业。

③严格遵守《W 混凝土工程技术规范》W-TS-C-05 要求开展喷射混凝土、回填混凝土作业，该规范等同于美国ACI318 规范等，并且材料执行美国ASTM C33 等系列规范。

干喷混凝土采用C30 级配合比。人工砂与水泥配比一般为1∶1，采用人工方式拌制喷混凝土。人工砂细度控制在3.6～3.85，并且没有小石。

水泥选用OPC425 水泥，速凝剂含量控制在2%。

喷枪与喷面之间的距离控制在60-100cm 之间，偏差控制在±20cm。初喷作业方式一般采用安全喷混凝土施工技术。

为了提高混凝土的喷射质量，对于混凝土的每次喷射，需要取大板进行强度检测。

设计强度方面，回填混凝土为1500psi，施工时控制在5000psi，为提高混凝土的早期强度，减少等待混凝土的凝固时间，确保施工进度。

④执行按照《FAN 项目安全检测规程》W-TS-C-011要求进行安全检测，该规范与美国陆军工程师团EM1110-2-1908《土石坝及堤防观测仪器》中的部分要求类似，设置了3 只多点位移计，以及6 只锚杆应力计。

2.3.2 安全措施

①开工前需要对开挖方案进行开会讨论，人员涉及操作工、技术员等相关责任人，如果出现地质问题，需要相关方组织专家进行会诊。在作业施工现场，严格按照开挖顺序进行开挖，并做好支护保护工作，并对每一个作业人员进行交底，防止危险源向下一道工序转移，例如模板工、混凝土操作工等工种，注意锚杆标识，防止意外攀爬造成安全隐患。

②管理措施落实方面，指定专人负责检查。发现问题立即解决。

③封闭防护方面，保证钻孔作业人员安全施工作业。

④作业面通风换气方面，加强通风换气管理（用直径60cm 的风带处理），保证空气新鲜度等。

⑤照明方面，安装规定数量的灯具，保证作业现场清晰明亮。

⑥场内电线具有良好的绝缘性，避免出现较多接头的电线，出现潜在安全隐患。

⑦完成爆破作业后，做好扬尘清理工作，对于掌子面需要做好安全排险工作。

⑧对于开挖面，在作业现场需要做好喷护封闭工作。

⑨前期开挖作业中，做好安全防护标准化工作，最大限度规避潜在风险。

⑩作业现场应急管理，安排专车、急救人员24 小时值班。

11○施工安全无法保证时，需要制定完善的设计变更措施，确保施工作业顺利进行。

3 施工实践

崩积地层地下阀室开挖与支护项目，项目周期为2010 年9 月到2011 年1 月，项目工期4 个多月。在对W蝶阀室进行开挖作业时，先后历经4 次塌方，没有造成任何安全损失，这一切充分证明这些综合措施具有重要的推广意义和示范作用。

①项目施工作业现场，2011 年12 月份，在FAN 项目蝶阀室开挖作业现场，首次使用安全喷射混凝土施工技术。在蝶阀室顶部约12m2的位置，最大高度约8m 的塌方首次出现，在塌方体中，风化砂岩（sandstone）破碎的现象出现在露出的崩积层（colluvium）中，并且伴随着掉块额出现，在一定程度上严重影响开挖作业的安全性，同时在对混凝土进行喷涂作业时，出现的掉块会二次引发塌方现象。在塌方体上游墙面位置出现破碎的岩石，出现两条平行的破碎裂隙，裂隙开度约为1-40cm。

②蝶阀室顶部首次出现塌方后，利用原有的钢拱架进行防护，避免塌方扩大，按照施工方案，需要设置6 管立柱群，采用原木封顶与钢拱架防护相互结合的方式进行处理，对于塌方后出现的脱空面，一般采用喷混凝土的方式，进行封闭处理，然后再结合管棚支护、网喷混凝土等方式进行二次加固。

项目发生大塌方现象后，经过专家组、施工方等多方论证，最终综合分析可行性、经济型等指标，确认采用冗余支护设计方式进行塌方处理。开挖作业现场出现塌方后，阀室顶部出现10m×10m×8m 的塌方空洞，并且周围伴随出现围岩浮石，块石下落随时可能发生。基于此，需要提前设置钢拱架，一般利用6 根钢管作为支撑系统，其中2 根作为冗余立柱，这2 根立柱的作用是均衡其他构件的受力，避免围岩再次垮塌。从实际效果来看，这种设计方式，无论是支撑结构，还是受力结构，都具有较强的科学性、合理性，在后续开挖作业中，如果这2 根立柱出现损坏，其余4 根同样具有支护、支架功能，不会对支护功能产生影响。

③利用高空喷射混凝土技术进行喷射作业时，需要在作业现场搭建脚手架，安装高空混凝土喷射装置，利用喷枪沿着指定方向喷射混凝土。

④在塌方、掉石较为频繁的作业现场，为了确保开挖作业安全，一般缩小钢拱架间距、优化浇筑封顶混凝土等。

⑤完成最后一个爆破作业后，大面积塌方出现在阀室顶部1200m2位置，经过讨论研究，最终决定重新布置蝶阀室结构物，缩减拱架间距的方式，消除安全隐患。

4 本研究项目的有益效果

崩积地层地下阀室开挖与支护是在崩积层（colluvium）地质环境极为恶劣的条件实施的，具有较强的示范作用和推广价值，尤其恶劣环境下组织开挖作业，利用上述开挖作业方式，可以有效降低作业风险，为施工作业提供参考依据。

5 结语

崩积地层地下阀室开挖与支护研究是综合分析开挖作业出露围岩的实际情况，优化开挖作业施工参数，组织实施的一系列实践活动，从某种意义上说，这一研究主要针对特殊危险地层组织开挖作业的总结，开挖作业现场，由于施工作业人员采用上述技术方案，取得良好的经济效益和社会效益，尤其是整个施工过程未发生人身伤害、财产损失等现象，为施工作业单位树立良好的社会形象。基于此，该项目研究在建筑行业具有广阔的推广意义和发展前景。