刘保国，徐干成

（1. 北京交通大学 土建学院，北京 100044；2. 空军工程设计研究局，北京 100068）

1 引 言

大跨度、高边墙地下洞室的建设与应用在国外较为广泛，如美国、日本、挪威、瑞典、韩国等国家的地下LPG库、地下水封原油库、水电地下厂房、地下核废料储存库、地下大型场馆及国防地下设施等领域。大跨度、高边墙地下洞室因其断面面积较大，无法实施全断面一次开挖，通常需要纵向分层、横向分块分别进行开挖，层与块之间不同的开挖顺序构成不同的开挖方案。目前国际上除竖向圆桶状LPG（liquefied petroleum gas，）库采用PBM（pillar blasting method）法外[1]，其他一般水平向布置的、断面跨度在18～22 m、高度在30～40 m的地下大型储存库普遍都采用自上而下正台阶开挖。图1为挪威的Mongstad地下油库正台阶开挖示意图[2]。

图1 挪威Mongstad 地下储油洞开挖方法Fig.1 Excavation method for the oil caverns at Mongstad

随着经济、国防等事业的发展，国内近几年在大型地下洞室的开发和应用方面不断增加，如我国近几年集中建设的大型水电地下厂房、国防工程中一些大断面地下洞室、正在建设和多处规划的地下LPG库、国家战略石油地下水封岩洞储备库以及未来的核废料储存库等。针对大跨度、高边墙地下洞室的建设，如何合理安排工序、增加平行作业面且避免相互干扰、最大限度发挥人机效能、加快施工进度等方面也在不断探索中，从我国起步较早的水电地下厂房建设来看，普遍采用自上而下的正台阶、横向多导洞的施工方案。如溪洛渡水电站地下厂房最大开挖高度为75.6 m，共分10层施工，除顶拱层为12.1 m厚外，其余层厚为6～9 m。总体施工顺序为从上至下[3]。龙滩水电站地下厂房最大开挖高度76.4 m，共分9层施工，总体施工顺序为从上至下[4]。南方某水电工程大洞室，最大开挖高度76.85 m，由于顶拱层开挖支护周期长，采取了中间预留隔层，顶拱层与隔层以下同步开挖，最后清除隔层开挖方案[5]。此外，针对以大跨度、高边墙洞室为主的洞室群的开挖方案及围岩稳定性，国内不少学者利用数值方法[6－10]、神经元网络[11－12]、能量耗散理论[13]进行了施工方案优化及围岩稳定性研究，这方面的研究多是针对不同洞室之间的开挖顺序和围岩稳定。

本文结合某国防工程大跨度、高边墙洞室的工程实践，就同一断面内不同部位的开挖顺序，阐述了中间预留隔层、隔层上中下同步开挖，最后再挖掉隔层的新的开挖顺序方法，并用数值方法对这一开挖方法与传统的自上而下开挖方法所引起的围岩塑性破坏、周边最大变形进行了模拟对比，证实了这一新的开挖方法在维护围岩稳定方面的可行性。对于大跨度、高边墙地下洞室施工具有一定参考价值。

2 工程概况

洞库工程所在区域地貌为构造剥蚀丘陵，形态浑圆，三面环海。山体岩性主要为粗粒花岗岩，属燕山早期第一阶段的产物。基岩表层为残积土所覆盖，厚度3.0 m左右。

洞库围岩属微风化花岗岩，根据地质勘察报告，岩体比较完整，岩体纵波波速一般大于5 km/s，饱和单轴抗压强度一般大于 90 MPa，最高达135 MPa，岩体级别多为Ⅰ～Ⅱ级。洞库最大埋深约180 m。

洞库围岩支护：初喷混凝土厚度为15 cm，二次模注混凝土厚度为60 cm，系统锚杆长度为6 m，环向间距为1 m，沿洞库轴线方向间距为1.5 m，梅花形布置。

洞库开挖跨度31 m，开挖高度46 m，轴向长度700多米，开挖横断面如图2所示。

图2 洞库开挖横断面轮廓Fig.2 Excavation outline of the cavern

3 施工方案制定

如上所述，大跨度、高边墙洞室的施工一般采用自上而下正台阶开挖，这种开挖布局在本工程中同样也适用，然而由于本工程拱部要施作厚度80 cm的模注钢筋混凝土结构和预应力锚索，施工周期较长，而第2层的开挖必须要等拱部钢筋混凝土结构施工完毕后才能进行，因此，拱部支护结构的施工成为影响整体进度的一个关键点，并导致人机效率低下。为了充分利用人员、机械装备，开辟平行作业面，加快施工进度，根据总体计划安排，结合实际情况，对洞室开挖进行了优化，提出了中间预留隔层、隔层上下同步开挖，最后再挖掉隔层的新的开挖方法，如图3、4分别为这一开挖方案的横断面和纵断面图。

优化后的洞室开挖共分6层，总体开挖方案是：A1、A2、A3同步开挖，然后再顺序开挖隔层B1、C1、E1，完成整个洞室开挖。各层的开挖分叙如下：

（1）拱部通过增设的辅助导洞直接进入开挖，先采用台车掘进开挖核心部分A2，预留两侧拱脚岩台 a2，采用人工风枪钻孔光面爆破。拱脚岩台 a2开挖滞后核心部分10～15 m，整个拱部推进一定距离后，开始防水层和钢筋绑扎作业，同时开始进行被覆混凝土和预应力锚索作业。

图3 开挖横断面示意图Fig.3 Excavation cross-section of cavern

图4 开挖纵断面示意图Fig.4 Excavation profile of cavern

（2）A1层从外部支洞室直接进入，先形成 1#导洞，横向扩展分别形成2#、3#导洞，1#、3#导洞水平向前推进，2#导坑以11%的坡度向下开挖到洞室底部A3层，斜坡道宽为7 m、高为7 m，标高从4.7 m下至-14.5 m，坡道长为180 m（垂直投影）。进入A3层，向前全断面开挖20 m，作为出碴车辆回转场地。接着分成两个8 m宽、12 m高的导洞向前推进，中间预留4.4 m宽岩壁柱。向后以12 m宽、12 m高断面开挖，斜坡道保留用于出碴。

（3）洞室拱部 A2层开挖及拱顶混凝土衬砌完成后，进行B1部的开挖，开挖高度为6.1 m，两侧预留4 m保护层（即b1部位）采用双向聚能爆破控制技术，确保岩台岩体的完整。

（4）洞室隔层岩板C1、E1采取预留光爆层、竖直钻孔梯段爆破，预留光爆层厚度2 m，每次开挖长度20 m。预留光爆层采用风枪人工开挖，以便提高洞壁开挖平顺度。其中E1部两侧岩台（即e1部位）岩体滞后一定距离采取风枪人工开挖，确保岩台岩体的完整。

（5）最后将预斜坡道爆破清除，从另一连接洞室底部的斜支坑出碴，完成整个洞室的开挖。

以上的开挖程序具有平行作业面多、相互干扰少、人员设备效率高、施工进度快的特点。通过现场监控量测表明：拱顶下沉和高边墙水平收敛均在50 d左右时间完全趋向收敛，围岩稳定。相比较自上而下逐层开挖可缩短工期约400余天。

4 洞室围岩稳定数值模拟

断面内不同的开挖顺序将导致不同的卸载路径，在洞壁出现塑性的变形和破坏过程中，不同的卸载路径将导致不同的围岩塑性区域分布和围岩变形，为了进一步分析纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层的开挖方法对围岩稳定性的影响，本文采用FLAC2D对这一新的开挖方法引起的围岩塑性破坏、围岩变形以及支护结构受力进行了模拟计算，并与传统的自上而下开挖方法进行了对比。

由于洞库的轴线长度远大于洞室的跨度和高度，因此，对两种断面开挖方案的围岩应力、变形和塑性破坏可通过平面应变计算来对比分析。

计算中围岩按Ⅱ级考虑，其物理力学参数如表1所示。

表1 洞库围岩物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of surrounding rock

支护结构的计算参数如表2所示。

表2 支护结构的计算参数Table 2 Calculating parameters of support structure

对围岩进行弹塑性计算，采用M-C准则，相关联流动法则，用主应力表示M-C准则为

式中： Nφ= (1 + sinφ)/(1 - sinφ)，c、φ分别是材料的凝聚力和内摩擦角，在输入参数时给定。

拉破坏采用以下准则判断：

式中：σt为材料极限抗拉强度，在输入参数时给定。σt最大值不超过c/tanφ。

实际计算模型中每一点的应力状态用式（1）、（2）联合进行判断，以决定该点为压剪破坏或拉破坏。

如图5、6所示，分别为计算模型和网格划分，计算方案有两种：方案1即本工程所采用的纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层的开挖顺序；方案2为传统自上而下开挖，纵向共分6层，如图7（a）、（b）。由于洞室所在山体为一浑圆状孤山，没有构造应力，计算中只考虑重力应力。具体模拟开挖计算过程为：

方案1：A1、A2、A3区域同时开挖、计算→B1区域开挖、计算→C1区域及岩柱开挖、计算→E1区域及及岩柱开挖、计算。

方案2：A～E区域依次开挖和模拟计算。

图5 计算模型Fig.5 Calculating model

图6 计算网格Fig.6 Calculating mesh

图7 计算方案（单位：m）Fig.7 Calculating scheme (unit: m)

4.1 不同开挖方案围岩塑性区对比

如图8所示，分别为第一、二种开挖方案完成后围岩塑性破坏区分布。

图8 塑性区分布图Fig.8 Distribution of plastic zones

图9 洞室周边围岩垂直位移云图Fig.9 Nephograms of vertical displacements of surrounding rock

经统计计算可知，方案1围岩塑性破坏区面积为 627.88 m2，方案 2围岩塑性破坏区面积为655.37 m2。方案1对围岩的扰动破坏小于方案2。

4.2 不同开挖方案围岩变形对比

如图9所示为两种方案洞室周边围岩垂直位移分布图。方案1洞室拱顶最大下沉值为16.34 mm；方案2洞室拱顶最大下沉值为16.71 mm；边墙台阶处及底板有向上变形趋势，但变形值不大。计算还表明：洞室高边墙中间位置的水平收敛值方案1为3.19 mm，方案2为2.97 mm。

从上述洞室围岩的变形来看，方案1比方案2拱顶下沉稍小，但边墙的水平收敛稍大，主要原因是方案1中间隔层最后被开挖后，相当于中间的横支撑突然拆除，易导致高边墙的出现突然的收敛变形。因此，在方案1上中下同步施工过程中，要做好已开挖部位边墙的支护工作后再开挖中间隔层。

4.3 不同开挖方案锚杆轴力比较

图10所示分别第1、2种开挖方案中锚杆轴力图。

图10 锚杆轴力图Fig.10 Axial force diagram of rock bolting

从图10可见，洞室开挖完成以后，其左右边墙、台阶和拱顶位置的锚杆轴力基本上都承受拉力作用，且在拱顶及台阶附近拉应力较大。方案1拱顶锚杆最大轴力为66.2 MN；方案2拱顶锚杆最大轴力71.1 MN，与两种方案洞室拱顶下沉相对应。

4.4 两种方案综合比较

将上述两种开挖方案围岩塑性区面积、拱顶下沉、高边墙水平位移及锚杆最大轴力汇总在一起，如表3所示。

表3 两种方案综合对比Table 3 Comprehensive comparison of two schemes

从表3数据可以得到方案2相对方案1各指标相对差百分比为

由以上相对差百分比来看，除边墙水平位移外，方案2的其他指标均较方案1大，但相对差均不超过10%，表明大断面、高边墙洞室同一断面内中间预留隔层、隔层上中下同步开挖，最后再挖掉隔层的开挖顺序是完全可行的，且在控制围岩变形方面稍优于自上而下的开挖顺序。而在减少平行作业面相互干扰、充分发挥人机效能，从而加快施工进度方面则具有明显的优越性。

5 结论与讨论

（1）对建设在稳定岩体中的大跨度、高边墙洞室，采取断面内纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层的施工顺序可有效避免自上而下开挖顺序中多工作面相互干扰，有利于人机效率的提高，加快施工进度。该方法在某大跨度高边墙地下洞室施工中得到成功应用，可作为类似大断面洞室普遍适应的开挖顺序方案。

（2）不同施工顺序方案的数值模拟计算结果表明，自上而下顺序开挖与纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层两种方案引起的围岩变形、破坏区分布和锚杆受力相差不大，后者稍优于前者。

纵向预留隔层、隔层上中下同步开挖、最后清除隔层的施工顺序在以下条件下较适宜采用：①顶拱层开挖后，需要施做拱部支护结构，时间周期长；②洞库围岩需具有一定的强度和完整性，以保证隔层岩板的稳定；③上中下同时开挖最好有独立的外运出碴通道，可从不同标高施工平洞或斜坡道到达预定位置。

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