楊謙YANG Qian

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京 100025）

1 概述

在FAN 水電站輸水隧道施工過(guò)程中，針對(duì)崩積層內(nèi)高壓鋼管段，圍繞蝴蝶閥室開(kāi)挖難度大，開(kāi)展崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)方案研究，并給出具體的開(kāi)挖與支護(hù)方案。隧洞立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 蝶閥室至隧洞出口縱剖面開(kāi)挖支護(hù)圖

在組織開(kāi)展地下工程開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，圍巖類(lèi)別是一項(xiàng)重要的控制性客觀(guān)條件。對(duì)于處于崩積層的地下結(jié)構(gòu)物來(lái)說(shuō)，無(wú)論是開(kāi)挖，還是支護(hù)，國(guó)內(nèi)早已開(kāi)展相應(yīng)應(yīng)的研究工作，許多成熟的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)等都可以參考、借鑒。比較典型的諸如開(kāi)鉆先導(dǎo)孔，檢查圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定開(kāi)挖線(xiàn)路；開(kāi)挖進(jìn)尺作業(yè)中，淺孔、密孔、少藥量弱爆破等是比較常用的作業(yè)方式，具體作業(yè)方式結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇；應(yīng)用快速腳手架搭設(shè)技術(shù)；支護(hù)選型方面，主要采用錨噴方式進(jìn)行支護(hù)，對(duì)于臨時(shí)支護(hù)甚至可以采用鋼拱架或者混凝土襯砌方式等。開(kāi)挖W蝶閥室時(shí)，對(duì)于Ⅴ類(lèi)圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在夾泥崩積地層中開(kāi)挖空間結(jié)構(gòu)物，空間結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)、寬、高尺寸為15.8m、7.1m、14m，施工作業(yè)過(guò)程中，需要具備豐富的施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

對(duì)于FAN 水電站蝶閥室，施工作業(yè)過(guò)程中，需要依托上述常用技術(shù)，也可以應(yīng)用小斷面導(dǎo)洞開(kāi)挖等開(kāi)挖技術(shù)。

在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)的難點(diǎn)主要表現(xiàn)為：

①對(duì)于地下工程，在組織開(kāi)展開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，不可預(yù)見(jiàn)情況也較為常見(jiàn)。

②對(duì)于夾泥崩積地層，Ⅴ類(lèi)圍巖是較為常見(jiàn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)點(diǎn)，這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)的施工難點(diǎn)在于堆積體松散、裂隙高度張開(kāi)大等。對(duì)于崩積體巖塊，其抗壓強(qiáng)度一般在8.2～15.6MPa 之間，這些情況在一定程度上嚴(yán)重影響開(kāi)挖方式、支護(hù)方式和作業(yè)安全。

③崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)現(xiàn)場(chǎng)坐落在埃塞俄比亞境，嚴(yán)重缺乏施工設(shè)備和材料，能夠進(jìn)行熟練作業(yè)的工人更是少之又少，毫無(wú)挑選的余地?；谏鲜龇治?，崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)方案的研究更具有推廣價(jià)值。

2 研究技術(shù)路線(xiàn)及技術(shù)方案

2.1 總體思路及技術(shù)性能指標(biāo)

技術(shù)方案總體思路：本項(xiàng)目主要是利用價(jià)值工程原理對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，通過(guò)增加少量投入（C）實(shí)現(xiàn)方案功能（F）：保證安全和發(fā)電按計(jì)劃進(jìn)行，避免重大損失。

在技術(shù)性能指標(biāo)方面，主要包括：無(wú)人員傷亡，圍巖和結(jié)構(gòu)物不存在諸如變形、垮塌、滲漏等地質(zhì)危害。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 選址設(shè)計(jì)

閥室位置的初步確定，需要結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘的實(shí)際情況，如果地質(zhì)條件較為惡劣，在這種情況下，需要采用地下洞室的開(kāi)挖方式，再結(jié)合勘探孔進(jìn)行確定，如果在高壓管線(xiàn)線(xiàn)路上進(jìn)行施工作業(yè)，一般最后確定變換蝶閥室的位置。綜合分析經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，本項(xiàng)目中的W 蝶閥室開(kāi)挖作業(yè)，比較常用的方式就是選在地下崩積層（colluvium）中進(jìn)行施工作業(yè)。

2.2.2 確定開(kāi)挖線(xiàn)路

在開(kāi)挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)于開(kāi)挖線(xiàn)路的確定，需要收集、處理地質(zhì)條件資料、水文資料等數(shù)據(jù)信息，同時(shí)綜合分析施工前后安全性、蝶閥室上游盲端洞室開(kāi)挖等。為了確保開(kāi)挖作業(yè)的安全性，開(kāi)挖路線(xiàn)需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)方、施工方的現(xiàn)場(chǎng)討論最后確定，在本項(xiàng)目開(kāi)挖作業(yè)中，最終的開(kāi)挖路線(xiàn)為從靠山體側(cè)向，采用小斷面挖斜井作業(yè)方式，直接開(kāi)挖到設(shè)計(jì)頂部高程，然后再向下回挖。與外側(cè)開(kāi)挖作業(yè)方式相比，在靠近山體側(cè)方，巖體風(fēng)化較輕，開(kāi)挖到構(gòu)造物頂部后，再挖外側(cè)山體，這種開(kāi)挖作業(yè)方式，需要具有良好的圍巖穩(wěn)定性。針對(duì)導(dǎo)洞進(jìn)口端的外側(cè)位置，在懸空巖體下方設(shè)置直徑250cm 的鋼管立柱，借助鋼管立柱對(duì)構(gòu)造物進(jìn)行支護(hù)，提升裂縫切割體的穩(wěn)定性。

2.2.3 確定開(kāi)挖進(jìn)尺、循環(huán)支護(hù)方式

對(duì)于單循環(huán)開(kāi)挖尺來(lái)說(shuō)，根據(jù)全斷面形成前后可以分為全斷面形成之前的分段成拱循環(huán)掏槽進(jìn)尺和全斷面形成后的全斷面開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺。在開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)挖步驟方面，對(duì)于循環(huán)開(kāi)挖方式來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)閥室開(kāi)挖開(kāi)工之前的實(shí)際情況，如巖體和材料、工藝特性等，在開(kāi)挖蝶閥室前進(jìn)行探索。

靈活采用冗余設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)變更，通過(guò)價(jià)值計(jì)算，采用臨時(shí)支護(hù)冗余措施（管棚，固結(jié)灌漿和6 管立柱支撐等）的費(fèi)用累計(jì)約1.1 萬(wàn)元人民幣，但產(chǎn)生的直接工期效益至少310 萬(wàn)元人民幣，價(jià)值功能系數(shù)近300，因此該方案立即被接受。

2.3 實(shí)施技術(shù)方案的工藝

2.3.1 技術(shù)控制與質(zhì)量保證

在對(duì)地下工程進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，為了保障開(kāi)挖作業(yè)的安全性，在尊重客觀(guān)實(shí)際的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵守規(guī)程規(guī)范要求，對(duì)開(kāi)挖作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保工程質(zhì)量的安全性，并且如期完成，對(duì)于崩積層地下空間開(kāi)挖作業(yè)來(lái)說(shuō)更是如此，只有這樣開(kāi)挖作業(yè)安全才有保障。

①閥室開(kāi)挖與支護(hù)。

嚴(yán)格按照《FAN 項(xiàng)目地下工程技術(shù)規(guī)范》（W-TS-C-06R1）相關(guān)規(guī)定要求組織開(kāi)展閥室開(kāi)挖與支護(hù)作業(yè)，該規(guī)范符合美國(guó)《巖芯勘探鉆孔與取樣標(biāo)準(zhǔn)慣例》（ASTM D 2113）、USACE EM-1110-2-2901“巖石中的隧洞和豎井”、中國(guó)《爆破安全規(guī)程》等規(guī)范要求。其中：

在導(dǎo)洞與蝶閥室頂部之間，一般采用分段爆破的方式進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，分段開(kāi)挖鉆孔進(jìn)尺一般控制在1.0-1.2m之間，單項(xiàng)爆破寬度控制在1.5-2.0m 之間。爆破作業(yè)完成之后，需要對(duì)巖面進(jìn)行封閉處理，經(jīng)常采用的方式為安全噴射混凝土方法，然后采用焊接鋼拱架加長(zhǎng)部分的方式進(jìn)行跟進(jìn)處理。在開(kāi)挖導(dǎo)洞前期，需要綜合分析材料、巖石、工藝特性等指標(biāo)參數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的循環(huán)工藝流程進(jìn)行明確。具體如圖2 所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化掏槽成拱流程圖

對(duì)于導(dǎo)洞，在形成全斷面拱架后，對(duì)城門(mén)洞型閥室需要采用全斷面開(kāi)挖與支護(hù)方式進(jìn)行處理。在鉆孔進(jìn)尺標(biāo)準(zhǔn)方面，全斷面進(jìn)尺長(zhǎng)度控制在1.0-1.2m 之間，采用“八”字掏槽方式，處理方式一般采用炸藥、電雷管進(jìn)行爆破。施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，需要結(jié)合圍巖的實(shí)際情況，一般采用分段聯(lián)網(wǎng)方式管控，單次裝藥量不超過(guò)128kg。每次完成爆破后，對(duì)巖面進(jìn)行封閉處理，常用的方式為全噴射混凝土工藝，然后采用焊接鋼拱架加長(zhǎng)部分進(jìn)行跟進(jìn)處理方式。

②按照《FAN 項(xiàng)目鉆孔與灌漿技術(shù)規(guī)范》（W-TS-C-04）要求，開(kāi)展回填灌漿、超前管棚灌漿作業(yè)，質(zhì)量控制要求，水泥凈漿水灰比0.5∶1，采用麥?zhǔn)献{機(jī)進(jìn)行注漿作業(yè)。

③嚴(yán)格遵守《W 混凝土工程技術(shù)規(guī)范》W-TS-C-05 要求開(kāi)展噴射混凝土、回填混凝土作業(yè)，該規(guī)范等同于美國(guó)ACI318 規(guī)范等，并且材料執(zhí)行美國(guó)ASTM C33 等系列規(guī)范。

干噴混凝土采用C30 級(jí)配合比。人工砂與水泥配比一般為1∶1，采用人工方式拌制噴混凝土。人工砂細(xì)度控制在3.6～3.85，并且沒(méi)有小石。

水泥選用OPC425 水泥，速凝劑含量控制在2%。

噴槍與噴面之間的距離控制在60-100cm 之間，偏差控制在±20cm。初噴作業(yè)方式一般采用安全噴混凝土施工技術(shù)。

為了提高混凝土的噴射質(zhì)量，對(duì)于混凝土的每次噴射，需要取大板進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。

設(shè)計(jì)強(qiáng)度方面，回填混凝土為1500psi，施工時(shí)控制在5000psi，為提高混凝土的早期強(qiáng)度，減少等待混凝土的凝固時(shí)間，確保施工進(jìn)度。

④執(zhí)行按照《FAN 項(xiàng)目安全檢測(cè)規(guī)程》W-TS-C-011要求進(jìn)行安全檢測(cè)，該規(guī)范與美國(guó)陸軍工程師團(tuán)EM1110-2-1908《土石壩及堤防觀(guān)測(cè)儀器》中的部分要求類(lèi)似，設(shè)置了3 只多點(diǎn)位移計(jì)，以及6 只錨桿應(yīng)力計(jì)。

2.3.2 安全措施

①開(kāi)工前需要對(duì)開(kāi)挖方案進(jìn)行開(kāi)會(huì)討論，人員涉及操作工、技術(shù)員等相關(guān)責(zé)任人，如果出現(xiàn)地質(zhì)問(wèn)題，需要相關(guān)方組織專(zhuān)家進(jìn)行會(huì)診。在作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)，嚴(yán)格按照開(kāi)挖順序進(jìn)行開(kāi)挖，并做好支護(hù)保護(hù)工作，并對(duì)每一個(gè)作業(yè)人員進(jìn)行交底，防止危險(xiǎn)源向下一道工序轉(zhuǎn)移，例如模板工、混凝土操作工等工種，注意錨桿標(biāo)識(shí)，防止意外攀爬造成安全隱患。

②管理措施落實(shí)方面，指定專(zhuān)人負(fù)責(zé)檢查。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題立即解決。

③封閉防護(hù)方面，保證鉆孔作業(yè)人員安全施工作業(yè)。

④作業(yè)面通風(fēng)換氣方面，加強(qiáng)通風(fēng)換氣管理（用直徑60cm 的風(fēng)帶處理），保證空氣新鮮度等。

⑤照明方面，安裝規(guī)定數(shù)量的燈具，保證作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)清晰明亮。

⑥場(chǎng)內(nèi)電線(xiàn)具有良好的絕緣性，避免出現(xiàn)較多接頭的電線(xiàn)，出現(xiàn)潛在安全隱患。

⑦完成爆破作業(yè)后，做好揚(yáng)塵清理工作，對(duì)于掌子面需要做好安全排險(xiǎn)工作。

⑧對(duì)于開(kāi)挖面，在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需要做好噴護(hù)封閉工作。

⑨前期開(kāi)挖作業(yè)中，做好安全防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，最大限度規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

⑩作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急管理，安排專(zhuān)車(chē)、急救人員24 小時(shí)值班。

11○施工安全無(wú)法保證時(shí)，需要制定完善的設(shè)計(jì)變更措施，確保施工作業(yè)順利進(jìn)行。

3 施工實(shí)踐

崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)項(xiàng)目，項(xiàng)目周期為2010 年9 月到2011 年1 月，項(xiàng)目工期4 個(gè)多月。在對(duì)W蝶閥室進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，先后歷經(jīng)4 次塌方，沒(méi)有造成任何安全損失，這一切充分證明這些綜合措施具有重要的推廣意義和示范作用。

①項(xiàng)目施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，2011 年12 月份，在FAN 項(xiàng)目蝶閥室開(kāi)挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，首次使用安全噴射混凝土施工技術(shù)。在蝶閥室頂部約12m2的位置，最大高度約8m 的塌方首次出現(xiàn)，在塌方體中，風(fēng)化砂巖（sandstone）破碎的現(xiàn)象出現(xiàn)在露出的崩積層（colluvium）中，并且伴隨著掉塊額出現(xiàn)，在一定程度上嚴(yán)重影響開(kāi)挖作業(yè)的安全性，同時(shí)在對(duì)混凝土進(jìn)行噴涂作業(yè)時(shí)，出現(xiàn)的掉塊會(huì)二次引發(fā)塌方現(xiàn)象。在塌方體上游墻面位置出現(xiàn)破碎的巖石，出現(xiàn)兩條平行的破碎裂隙，裂隙開(kāi)度約為1-40cm。

②蝶閥室頂部首次出現(xiàn)塌方后，利用原有的鋼拱架進(jìn)行防護(hù)，避免塌方擴(kuò)大，按照施工方案，需要設(shè)置6 管立柱群，采用原木封頂與鋼拱架防護(hù)相互結(jié)合的方式進(jìn)行處理，對(duì)于塌方后出現(xiàn)的脫空面，一般采用噴混凝土的方式，進(jìn)行封閉處理，然后再結(jié)合管棚支護(hù)、網(wǎng)噴混凝土等方式進(jìn)行二次加固。

項(xiàng)目發(fā)生大塌方現(xiàn)象后，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家組、施工方等多方論證，最終綜合分析可行性、經(jīng)濟(jì)型等指標(biāo)，確認(rèn)采用冗余支護(hù)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行塌方處理。開(kāi)挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)塌方后，閥室頂部出現(xiàn)10m×10m×8m 的塌方空洞，并且周?chē)殡S出現(xiàn)圍巖浮石，塊石下落隨時(shí)可能發(fā)生?；诖?，需要提前設(shè)置鋼拱架，一般利用6 根鋼管作為支撐系統(tǒng)，其中2 根作為冗余立柱，這2 根立柱的作用是均衡其他構(gòu)件的受力，避免圍巖再次垮塌。從實(shí)際效果來(lái)看，這種設(shè)計(jì)方式，無(wú)論是支撐結(jié)構(gòu)，還是受力結(jié)構(gòu)，都具有較強(qiáng)的科學(xué)性、合理性，在后續(xù)開(kāi)挖作業(yè)中，如果這2 根立柱出現(xiàn)損壞，其余4 根同樣具有支護(hù)、支架功能，不會(huì)對(duì)支護(hù)功能產(chǎn)生影響。

③利用高空噴射混凝土技術(shù)進(jìn)行噴射作業(yè)時(shí)，需要在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)搭建腳手架，安裝高空混凝土噴射裝置，利用噴槍沿著指定方向噴射混凝土。

④在塌方、掉石較為頻繁的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，為了確保開(kāi)挖作業(yè)安全，一般縮小鋼拱架間距、優(yōu)化澆筑封頂混凝土等。

⑤完成最后一個(gè)爆破作業(yè)后，大面積塌方出現(xiàn)在閥室頂部1200m2位置，經(jīng)過(guò)討論研究，最終決定重新布置蝶閥室結(jié)構(gòu)物，縮減拱架間距的方式，消除安全隱患。

4 本研究項(xiàng)目的有益效果

崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)是在崩積層（colluvium）地質(zhì)環(huán)境極為惡劣的條件實(shí)施的，具有較強(qiáng)的示范作用和推廣價(jià)值，尤其惡劣環(huán)境下組織開(kāi)挖作業(yè)，利用上述開(kāi)挖作業(yè)方式，可以有效降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為施工作業(yè)提供參考依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

崩積地層地下閥室開(kāi)挖與支護(hù)研究是綜合分析開(kāi)挖作業(yè)出露圍巖的實(shí)際情況，優(yōu)化開(kāi)挖作業(yè)施工參數(shù)，組織實(shí)施的一系列實(shí)踐活動(dòng)，從某種意義上說(shuō)，這一研究主要針對(duì)特殊危險(xiǎn)地層組織開(kāi)挖作業(yè)的總結(jié)，開(kāi)挖作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于施工作業(yè)人員采用上述技術(shù)方案，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，尤其是整個(gè)施工過(guò)程未發(fā)生人身傷害、財(cái)產(chǎn)損失等現(xiàn)象，為施工作業(yè)單位樹(shù)立良好的社會(huì)形象?；诖?，該項(xiàng)目研究在建筑行業(yè)具有廣闊的推廣意義和發(fā)展前景。