地下厂房顶拱层开挖与支护.docx

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地下厂房顶拱层开挖与支护

XXX地下厂房顶拱层开挖与支护

1概述

XXX水电站位于XX省XX县与XX县交界的XX河干流上，是XX河上游XX峡至XX峡河段规划的大中型水电站中紧接XX峡水电站的第二个梯级电站。

属大（Ⅰ）型一等工程，永久性主要水工建筑物为一级建筑物。

工程的主要任务是发电。

大坝建成后将形成10.79亿m3的水库，电站装机容量4200MW（6×700MW）。

该电站主厂房属特大型地下厂房，宽30m，长311.75m，高74.84m。

主要赋存岩体为微风化~新鲜花岗岩，中粗粒结构，块状构造，岩石强度高，岩体致密坚硬。

以构造裂隙为主，断层规模一般不大，陡缓断裂多属Ⅲ~Ⅳ级结构面，部分陡倾断层为Ⅱ级。

根据实测结果显示，地下厂房系统存在较高的地应力场，且应力分布均匀。

厂房顶拱为三心拱，横断面跨度为30m，纵向由厂左0+034.00～厂右0+277.75，全长311.75m。

厂房开挖共分九层进行施工，顶拱层分层高度为10m，高程为EL2270.5～EL2260.5m，支护形式有系统锚杆、喷CF30钢纤维砼及预应力锚索支护等。

其中锚杆支护包括普通砂浆锚杆和预应力锚杆，规格有Φ28L=4.5m、Φ32L=4.5m、Φ32L=6m、Φ32L=9m四种，梅花型间隔布置，间排距1.5×1.5m；钢纤维砼喷层厚度15cm；预应力锚索有1500KNL＝20m、25、30m，2000KNL＝20m四种。

2开挖施工

地下厂房顶拱开挖跨度为30m，长311.75m，高10m，开挖断面面积为***m2。

开挖采用分区分块的施工方法。

2.1施工顺序

由于厂房跨度较大，围岩应力较高，从施工质量控制、施工安全及施工进度方面考虑，将厂房顶拱分三区进行开挖，具体见图1。

施工顺序为先开挖中导洞，后开挖两侧墙。

中导洞开挖支护完成之后进行侧墙刻槽开挖，上、下游侧刻槽选在不同位置同时进行，根据现场需要每侧刻2～3各槽，刻槽完毕后，以刻槽位置为临空面分别向左、右两端进行扩挖施工，以增加工作面，加快施工进度。

侧墙扩挖时，根据开挖揭露的围岩情况及应力应变监测情况，在适当位置预留岩柱，以确保顶部围岩的稳定，预留岩柱的开挖待顶拱层系统支护完成后进行。

另外，为了确保两端墙开挖质量，在端墙部位预留3m保护层，保护层开挖在侧墙扩挖完后进行。

2.2施工方法

2.2.1中导洞开挖

中导洞开挖断面尺寸为10×10m，断面面积为***m2。

采用全断面开挖，独头掘进的方式，系统锚杆跟进支护。

开挖钻孔采用气腿式手风钻配作业台车造孔，造孔深度3～3.5m，楔型掏槽，人工装药，非电毫秒延期雷管微差爆破，顶拱光爆成型，爆破后采用反铲进行安全处理，开挖进尺为3.0m/循环。

对节理、裂隙发育，地质条件较差部位，采用缩短开挖进尺，减小单响药量的方法开挖，必要时打超前锚杆。

2.2.2侧墙开挖

（1）侧墙刻槽开挖

厂房顶拱侧墙刻槽开挖纵向宽度为10m，采用先进行下部掏槽，后开挖保护层的方法，保护层厚度为1.5m。

刻槽开挖在横断面上共分十块，详见图2。

每块开挖为1个循环，Ⅰ、Ⅲ、Ⅶ块开挖采取在各块中下部掏槽，上部压顶的方法，掏槽方式为楔型掏槽，掏槽孔为水平孔，上部压顶孔根据实际情况部分为水平孔，部分为下斜孔，钻孔深度根据每块厚度决定；保护层开挖根据设计轮廓线造斜向孔，为了减少超挖，孔深控制在1.5m左右。

开挖钻孔均采用气腿式手风钻配作业台车造孔，人工装药，非电毫秒延期雷管微差爆破，周边采用光面爆破，爆破后采用反铲进行安全处理。

（2）侧墙扩挖

侧墙扩挖采取全断面一次成型的开挖方法。

开挖采用气腿式手风钻配作业台车造水平孔，人工装药，非电毫秒延期雷管引爆孔内炸药的微差爆破，设计轮廓线周边采用光面爆破，爆破后采用反铲进行安全处理。

开挖进尺为3.5～4.0m/循环，在地质条件较差地段开挖循环进尺调整为1.5～2.5m/循环。

2.2.3预留岩柱开挖

根据厂房顶拱开挖监测结果显示，局部位置应力应变较大，为了确保顶拱围岩稳定和施工安全，厂房顶拱上下游共预留5个岩柱，每个岩柱厚10～15m。

由于预留岩柱开挖时，除岩柱占压部位外，其余支护包括锚索已施工完毕，为了保护锚索锚墩，须控制飞石和振动，因此预留岩柱开挖采用气腿式手风钻配作业台车造孔，人工装药，接力爆破，孔内采用Ms15非电雷管，排间调差用Ms3，孔间调差用Ms2，单孔装药量为0.9～1.1kg，最大单响为2.5kg。

周边采用光面爆破，开挖进尺为2m/循环。

2.2.4保护层开挖

为了确保端墙开挖质量，在厂房左右端墙分别预留了3m保护层。

厂右端部预留保护层开挖采用从厂中刻槽至右端设计轮廓面，再向上、下游侧进行开挖，顶部及端部均采用光面爆破。

左端保护层开挖采用从主厂房上支洞向上、下游造水平孔爆破，再从上向下造垂直孔爆破的方法，厂房顶拱及左端部均采用光面爆破。

造孔采用气腿式手风钻配作业台车，人工装药，非电毫秒延期雷管引爆孔内炸药的微差爆破。

2.3爆破设计

（1）掏槽孔

中导洞及侧墙刻槽开挖掏槽孔均采用垂直楔形掏槽方式，共布置两排，排距为2.2～2.5m，每排4～5个孔，间距为40～50cm。

侧墙扩挖无掏槽孔。

（2）爆破孔

为充分利用炸药爆能，提高破碎效果，降低大块便于清碴和装运，爆破孔采用宽孔距、小排距、排形与环形布孔相结合的技术，确保前排孔爆破后，后排的每个孔均处于多面临空状态。

中导洞及刻槽开挖爆破孔间距为80～100cm，排距为70～85cm；侧墙扩挖爆破孔间距为100～120cm，排距为80～100cm。

（3）周边控制爆破

为了获得较完整平顺的开挖轮廓，降低爆轰波对周壁围岩的损害，厂房顶拱层所有周边炮孔均采用光面爆破，其参数如下：

①光爆孔孔距

光爆孔孔距视开挖轮廓线曲率、岩石类别等确定，Ⅱ~Ⅲ类围岩设计开挖轮廓线光爆孔间距为45~50cm。

②光爆孔抵抗线依孔距确定，炮孔密集系数为0.75~0.85，初拟Ⅱ~Ⅲ类围岩周边光爆孔抵抗线为60~70cm。

③线装药密度

Ⅱ~Ⅲ类围岩周边孔线装药密度暂定为80~120g/m，具体根据现场实际情况作适当的调整。

④周边孔钻孔要求间距均匀符合规定值，外插角相等，炮孔相互平行，深度一致。

⑤周边孔使用低爆速炸药，采用导爆索串联间隔装药，不偶合系数不小于2.0，确保爆破效果。

（4）炸药单耗

中导洞开挖炸药单耗为0.9～1.1kg/m3，侧墙扩挖炸药单耗为0.5～0.68kg/m3。

3锚杆支护施工

厂房顶拱层锚杆支护包括普通砂浆锚杆和预应力锚杆两种。

3.1普通砂浆锚杆施工

普通砂浆锚杆规格分四种：

Φ28、L=4.8m；Φ32、L=4.8m；Φ32、L=6m；Φ32、L=9m。

普通锚杆施工采用“先注浆后插杆”的施工程序，其施工工艺流程为：

造孔→清孔→注浆→插杆→封孔→锚杆密实度检测

造孔：

采用H175三臂液压台车进行造孔，Φ28锚杆孔径为φ43mm以上，Φ32锚杆孔径为φ47mm以上。

造孔前应根据设计图纸对锚杆孔位进行测量放样，造孔严格按放样孔位开孔，孔位偏差应小于10cm，造孔深度达到设计要求，孔深偏差不大于5cm。

清孔：

锚杆注浆前，均应对锚杆孔采用高压风加水进行清洗，将孔内的岩粉、岩泥、积水等杂物清除干净。

注浆：

顶拱锚杆注浆采用液压升降平台车作为工作平台，麦斯特注浆机注浆，注浆管采用φ30mm的PE管。

注浆前，先将注浆管插入孔底，开始注浆，注浆过程中，注浆管缓缓地从孔底拉出，直至距孔口60cm左右时结束注浆。

插杆：

锚杆杆体采用人工配液压升降平台车在注浆结束后立即插入。

锚杆杆体严格按设计长度要求下料，使用前应经过调直、除锈、去污等处理。

封孔：

杆体插入后采用木楔在锚杆孔口封堵，防止砂浆溢出和锚杆从孔内滑出。

3.2预应力锚杆施工

厂房顶拱层预应力锚杆规格为Φ32，间排距3×3m，L=9.0m，外露0.2m。

其锚固段为快凝锚固剂，自由段为注水泥砂浆形式。

其施工工艺流程为：

造孔→清孔→锚固段速凝卷灌注→插杆→封口→张拉→自由段水泥浆灌注。

造孔：

预应力锚杆采用H175三臂液压台车造孔，孔径为φ76mm。

造孔前测量放出锚杆孔位，孔位偏差不大于10cm，孔向偏差不大于1°～3°，孔深8.8m，孔深偏差不大于5cm，原则上孔深不宜小于设计值。

清孔：

锚杆孔在打入锚固剂前，均应采用高压风加水进行清洗，将孔内岩屑、岩泥、积水等吹出孔外。

锚固段速凝卷灌注：

采用锚固剂风枪将锚固剂（8604-K3）打入孔底。

锚固剂输送管（1″PE管）插入孔内距孔底50cm左右开始打入锚固剂，每打入一卷锚固剂，输送管向孔外拉出5cm左右，直至打入80支左右（锚固段长度为2.0m）结束。

锚固剂浸泡时间控制在2.5分钟时间左右，浸泡直观效果原则以药卷中心留有黄豆颗粒大小的白蕊，或药卷在水中不冒或冒小量气泡为止。

锚固剂喷枪工作风压控制在0.5～0.6Mpa左右，在喷枪风管输入端安装压力表进行风压控制。

插杆：

在锚固段药卷打入结束后立即进行锚杆杆体插入。

插杆采用1.0～1.5吨液压升降平台车或8T汽车吊配合，人工将锚杆杆体插入孔底，锚杆杆体端部加1.5mφ40钢管辅助送杆。

插杆前应对锚杆杆体加工：

锚杆底部应削尖；在距锚杆底部2.0m处设止浆环；每3m设对中环一个，对中环采用φ6.5圆钢与锚杆杆体焊接。

封口：

锚杆杆体插入结束后，立即采用木楔进行锚杆孔口封口，防止锚杆从孔内滑出。

木楔应完全打入孔内，不得留出孔外，以免影响锚杆孔口钢垫板安装，

锚杆张拉。

张拉：

在锚固剂灌入完毕后10小时左右，开始进行锚杆张拉，张拉力施加值顺序依次为：

第一次张拉力为设计值的30％，持荷5分钟后进行第二次张拉（张拉力为设计值的50％），持荷5分钟后进行第三次张拉（张拉力为设计值的80％），持荷5分钟后进行第四次张拉（张拉力为设计值的100％），持荷5分钟后进行第五次张拉（张拉力为设计值的115％）结束张拉。

每张拉一次均应量测锚杆杆体的伸长值，并作好原始记录。

张拉采用TG-1000型扭力扳手。

自由段注浆:

在张拉结束后开始对锚杆自由段注浆施工。

砂浆严格按照试验室出具的配合比进行配制，现场应有称量设备，并应挂牌施工。

注浆采用3SNS注浆泵或风动注浆机进行注浆。

孔内注浆应饱满，原则以回浆管回浆为止。

4喷混凝土施工

厂房顶拱钢纤维喷射砼设计强度等级为CF30，抗拉强度大于3.2Mpa，抗折强度为4.0～4.5Mpa，韧度系数R30/10≥70，与Ⅱ类围岩的粘结力大于1.0Mpa，与Ⅲ类围岩的粘结力大于0.6Mpa。

喷层厚度为15cm，分层进行喷射，第一层喷5cm厚，第二层喷10cm厚，第二层一般应在锚杆安装完毕且排水施工完成后进行。

4.1施工程序

钢纤维喷射混凝土施工程序见下图。

4.2施工工艺流程图

湿喷混凝土施工工艺流程见下图。

4.3施工方法

钢纤维喷射混凝土采用湿喷法，选用湿喷机和湿喷台车进行喷射施工。

喷射混凝土自下而上分段分片依次进行，一次喷射厚度5cm，后一层在前一层终凝后进行，且在二次喷射前先用风、水清洗喷射面，第一层初喷5cm厚钢纤维砼作业紧跟开挖作业施工，第二层喷10cm厚，分2次喷射至设计厚度。

喷射前对喷射面进行检查，清除开挖面的浮石、墙脚的石碴和堆积物，用高压风水枪冲洗受喷面，对遇水易潮解泥化的岩层，应采用高压风清扫岩面，埋设控制喷射混凝土厚度的标志，并对施工机械设备，风、水管路和电线等进行全面检查和试运行，在受喷面滴水部位埋设导管排水。

喷嘴与岩面的距离为60~100cm，太多太近都会增加回弹量。

喷射方向尽量与受喷面垂直，若受喷面被钢筋网覆盖时，可将喷嘴稍加偏移，但不宜小于70°。

一次喷射厚度不宜超过5~7cm，如果喷护厚度超过7cm，则需要进行二次喷护。

第二次喷射至设计厚度，两层喷射的时间间隔为30~60min。

喷射作业分片进行，一般为2m长、1.5m宽的小片。

为防止回弹物附着在未喷的围岩面上而影响喷层与岩面的粘结力，按照从下往上施喷的方法，呈“S”形运动；喷前先找平受喷面的低凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，每圈压至前面半圈，绕圈直径约30cm，力求喷出的混凝土层面平顺光滑。

5预应力锚索施工

厂房顶拱层预应力锚索为1500KN级和2000KN级无粘结锚索，设计长度分别为20、25、30m。

5.1预应力锚索施工工艺流程：

5.2施工工艺及方法

锚索施工严格执行设计施工图纸和施工技术要求以及部颁《水工锚固施工规范》要求。

5.2.1施工主材

（1）钢绞线

采用符合美国ASTMA416—87a标准的1860MPaφ15.24mm光面及无粘结钢绞线。

（2）水泥

采用业主指定的P.O.42.5MPa普硅水泥。

（3）锚具

采用柳州欧维姆建筑机械有限公司生产的OVM15系列锚具。

（4）施工主材进厂抽检项目：

①钢绞线力学性能试验；

②锚具硬度试验；

③C35（7d）垫座砼及C20封锚砼配合比试验；

④M35（7d）纯水泥浆配合比试验。

5.2.2钻孔

钻孔是锚索工程中的主要工序，锚索施工进度主要取决钻孔进度。

根据厂房地层条件，本工程拟采用潜孔冲击钻进成孔。

对边墙端头锚索和对穿锚索采用YG-60型、YG-80型锚固工程钻机，配VHP750型1.2MPa/21m3中风压空压机。

对于1500kN锚索，使用钻具为DHD350冲击器+直径φ131mm钻头，对于2000kN锚索，使用钻具为DHD360冲击器+直径φ152mm钻头，钻杆直径φ89mm，钻杆长度1500mm。

（1）钻机定位

应根据设计孔口高程、倾角计算钻机实际工作高度，做为钻孔垫层高度及脚手架工作平台搭设高度参考依据；利用钻机前部准心和动力头上部准心是否与测量放样方位线重合以确定钻机方位及钻机移动依据；采用地质罗盘仪测量，水平尺校核，用钻机微调螺杆调节；另外为保证钻孔时钻机稳固及钻孔精确，可在地面打风钻孔，埋设锚筋或钢管，利用钻机支撑架加固钻孔。

（2）钻进过程控制

开孔时要严格控制钻机开孔误差，对冲击器和钻头应有一个支撑和限制，以达到设计控制点。

由于钻杆自身重量及钻具由多根钻杆连接而成，钻孔时会对精度有很大影响。

因此为提高钻孔精度，钻孔过程中，加强钻具的导向作用，根据以往钻孔经验，在钻杆薄弱环节安装钻杆扶正器进行孔道纠偏。

并随时检测钻进过程中孔斜误差。

（3）特殊地层钻进

当钻孔局部遇到极为破碎、基本无胶结能力破碎岩层时，钻孔很难自稳，随时塌孔。

采用局部固结注浆措施通过碎石层。

第一步，正常钻孔，到遇到破碎层时再钻进1m～2m后停钻，记录破碎层开始的位置。

第二步，在达到破碎层前安装止浆装置，仅对破碎层部分进行0.8～1.0Mpa的压力注入速凝水泥浆，使注浆液体在破碎层内扩散范围尽可能大，固结碎石。

第三步，在注浆4～8小时后再进行钻孔，通过碎石固结段，尔后重复第一步和第二步，直到通过破碎岩层。

（4）洗孔

钻孔完毕，应将水管深入孔底，通过大流量水流，从孔内向孔外进行冲洗，直至回水清净延续5～10分钟，结束后应观察孔内失水情况，若有较明显失水的钻孔应进行全孔固结灌浆。

固结灌浆应采用全孔一次灌浆。

扫孔作业在2d后进行，扫孔后应清洗干净并进行简易压水试验，压水试验合格后，对钻孔进行全孔高压风吹干吹净，做好孔口保护。

（5）钻孔资料

钻孔过程中应做好钻孔原始记录，包括钻进速率、返风、返岩粉情况、地质情况等。

钻孔完毕后应对其进行收集、整理，做好分析孔道质量依据。

本工程对钻孔有如下设计要求：

①孔位误差不大于20cm；

②开孔倾角及方位角不大于±1。

。

③孔斜偏差不大于3%，对穿孔孔斜偏差不大于1%；

④有效孔深不得欠深，超深不超过20cm。

5.2.3锚索制作

本工程所设计的锚索有1500kN和2000kN两种，分别由10根和14根φ15.24mm、1860Mpa钢绞线制成。

钢绞线切断采用砂轮切割机，要求切口整齐无散头现象，下料长度为L=L孔深+L垫座砼厚+L顶长+L锚厚+20cm。

组装时按图纸要求组装钢绞线、对中隔离支架、灌浆管和充浆膨胀式止浆环。

检查钢绞线编号位置和隔离支架间距合格后在内锚固段两隔离支架中间用14#铅丝将所有钢绞线捆扎在一起。

对组装好的锚索应妥善存放，并登记、挂牌，表明锚索编号、长度等。

存放点要求严格防潮、防水、防污染。

5.2.4锚索安装

锚索在向岩孔内安装就位前，要重新检查锚索各部的位置是否正确，捆扎是否牢固，还要检查是否有损坏，对损坏的地方要进行修补，经检查合格的锚索方可向孔内安装。

锚索安装前要求使用探孔器对岩孔重新检查，发现塌孔、掉块时应进行处理。

锚索安装采用人工辅以机械方式进行，锚索曲率半径应大于3m，安装推送过程用力要均匀，以免损坏锚索配件。

如果发现锚索送入岩孔内困难必须将锚索抽出时，要对抽出锚索的损坏部分进行修复。

5.2.5锚索灌浆

锚索灌浆是锚索施工的关键技术之一，锚固段灌浆的饱满程度决定了锚索是否可施加设计承载力的预应力，自由段灌浆的饱满程度以及锚固段与自由段注浆

的连续性决定了锚索的使用寿命。

其主要工艺流程如下：

灌浆采用P.O.42.5普通硅酸盐水泥,浆液采用纯水泥浆，浆液标号M35（7d）,水灰比为0.35～0.4，掺适量的早强剂和膨胀剂。

对下倾锚索，一期注浆采用底部灌浆法，即进浆管在钻孔底部，水泥浆由孔底下压入。

灌浆浆液应搅拌均匀，随搅随用，浆液应在初凝前用完，并严防石块，杂物混入浆液。

灌浆压力0.3～0.5MPa，灌浆须一次完成。

回浆管置于孔口或止浆环处，开始灌浆时敞开回浆管，排出气体、水和稀浆，当设置于锚索止浆环前端回浆管排出的浆液与注入浆液的稠度一致时，关闭出浆口,屏浆30min即可结束。

对上仰锚索，回浆管置于孔底，进浆管置于在孔口或止浆环处。

5.2.6张拉锁定

灌浆达到规定强度，即可进行张拉。

张拉前要计算每个锚索的理论伸长值。

为保证张拉控制力准确性，在张拉前对张拉设备系统进行率定。

安装工作锚具时锥形孔及夹片表面应保持清洁，工具锚夹片可涂少量润滑剂以便卸锚。

工具锚与工作锚的孔位必须一致，不允许在千斤顶内发生钢绞线交叉现象。

锚索正式张拉前，先单根预张拉，预紧力为30kN，对钢绞线逐根对称张拉，以使各部位接触紧密，每根钢绞线完全平直。

张拉时，所有钢绞线一起整体分级张拉至设计锁定吨位时进行锁定。

分级张拉过程：

1500kN:

预张拉→400kN→800kN→1000kN→1100kN（锁定）；

2000kN:

预张拉→600kN→1200kN→2000kN→2200kN（锁定）。

每级张拉完毕、稳压及升级前均应测量伸长值并记录，张拉过程中，达到每一级张拉力后稳定5分钟即可进行下一级张拉，达到最后一级张拉力后稳定10分钟即可锁定，张拉时，升荷速率每分钟不超过设计应力的1/10，卸荷速率每分钟不超过设计应力的1/5。

张拉控制载荷以压力表读数为准，锚索理论伸长值与实测伸长值比较，若实测伸长值大于理论伸长值10%或小于5%，或压力表读数增加而伸长值不变，或伸长值增加而压力表读数不变，应立即停止张拉，查明原因，采取措施予以调整后，方可继续张拉。

5.2.7封孔回填灌浆

锚索补偿张拉3d后，经检验当锚索应力达到稳定的设计值时，用与锚索灌浆相同的材料进行回填灌浆，灌浆压力不小于0.8MPa。

5.2.8锚头保护

锚索张拉锁定合格后，卸去工具锚及千斤顶，用砂轮切割机切断锚头外露的

钢绞线，切口位置至外锚具的距离100mm，然后浇筑C20二期砼。

6结论与体会

厂房顶拱开挖支护施工直接影响到厂房施工总工期，合理安排厂房顶拱层的施工程序至关重要，且厂房跨度较大，