高地应力地下厂房的施工关键技术详解

根据地下厂房的基本特点，结合地下厂房的常规施工方法，针对地下厂房施工过程中的关键技术问题与相关的解决方法，从下几个方面进行探讨。

3.1　开挖过程中的应力释放

原始岩体在开挖后要进行应力释放，不同的应力条件、不同的开挖方法、开挖程序对应力释放影响不同，如何合理选择开挖方法，在开挖支护过程中对应力进行控制性释放，是高地应力条件下开挖施工的关键技术之一。

根据洞室开挖跨度、强度应力比、三维有限元分析的应力调整和集中结果，结合层状岩体的地质特点，可把洞室的高宽比作为一个控制分界点。

当洞室高宽比小于1时，主要的影响因素是原始地应力与岩层产状，这一时期，顺河向洞室与垂直河向洞室因原始地应力与岩层产状的组合，在对角线方向出现应力集中区，由于岩体强度应力比低，开挖后处于弹性极限或弹塑性分界，甚至已进入塑性状态。

当洞室高宽比大于1时，在高边墙和开挖区底部边角发生应力集中，边墙中部与各洞室交叉口部位松弛变形突出，高边墙的锚杆、锚索应力增加，因此施工中要及时支护。

根据多种施工方法的对比试验，采用分层、多次应力释放的办法，对围岩的影响最小，每次释放后，开挖区周围的应力场进行一次调整。采取的主要措施有：

（1）开挖采用小分层，减少开挖层应力集中度，让局部应力集中值小于岩体抗压强度。

（2）采用中、深孔提前完成预裂爆破。根据锦屏工程现场监测，在高应力条件下，预裂拉开的缝隙在爆破后应力作用下，很快闭合，这一过程应力释放完成约30%；在预裂完成到预裂面形成自由面这段时间再释放15%，周围岩体应力调整处于基本平衡状态；再挖开预裂面后再释放20%；在支护后到岩体变形稳定还有35%。

（3）针对岩壁吊车梁、洞室交叉口和厂房下部机坑等需要精细开挖部位，采取多分层与多分区结合的分区方式和超前预支护、开挖后快速强支护等结合的方式，充分保护岩体完整性，尽量保留原始应力。

3.2　开挖后支护总体程序

根据支护参数选择合理的开挖支护总体程序是施工的另一个关键技术。

3.1　主要针对开挖方法来控制应力释放，但在开挖完成后岩体的应力没有释放完成，应力释放时间所残留应力的比例与岩体的强度应力比、岩体产状、裂隙分布情况有直接关系，如何根据设计支护参数进行支护非常重要。

根据新奥法原理的三大要素，及时支护、有效控制岩体变形非常重要。锦屏一级水电站地下厂房特殊的地质条件，要求支护时间与支护参数必须有机结合，一方面适时完成支护，约束岩体松弛；另一方面结合支护材料的应力应变条件，保证支护材料在岩体变形过程中处于安全状态，保证建筑物永久安全与稳定。

（1）施工条件的形成方面。进行系统支护前，要形成必要的施工条件，大洞室的支护形式一般有喷混凝土、锚杆、锚索、对穿锚索，其中对穿锚索一般要在本开挖层或下一开挖层前完成支护，以保证进度与支护要求，这就要求在开挖本层时，对穿锚索的另一锚端洞室需要形成工作面，同时另一洞室的支护时间要求要与本洞室同步，才能同时保证两大洞室的安全。

（2）建筑物的支护时间要求方面。根据应力释放与调整要求，支护在开挖前完成是最理想状态，或者开挖后及时完成支护，保持岩体自身的应力条件，形成承载圈。(www.xing528.com)

（3）支护材料的安全方面。根据岩体时效变形明显的特点，由于岩体抗压强度低，一旦应力调整后的地应力达到岩石发生变形的基本条件或弹性极限后，岩体不能承载，只有通过破坏来增加承载面积，达到总体平衡，于是岩体受力向深层传递，不断调整，达到阶段平衡。这个过程中岩体发生变形，当岩体最终稳定的变形量与支护材料的应变最大值达到一致是最理想的状态。如果支护时间过早，支护体承担的变形量过大，一旦大于支护材料最大应变量，支护材料会发生破坏，造成建筑物不安全；如果支护时间过晚，岩体大量变形完成，松动深度过大，岩体发生破坏过多，则支护达不到效果，支护意义不大。

根据上述三个方面的分析，浅表层支护时间控制在开挖后0～15 d、深层控制在开挖后7～30 d最为合理。在支护设计时，要根据正常施工进度，通过三维有限元分析计算岩体强度应力比的变化情况，求出最大变形量、支护后到相对稳定期的总变形量，根据常规支护材料的应变能力，确定设计支护材料的有关参数，使支护材料、建筑物处于安全状态，同时在合理时间内完成支护工作。

针对多方面的不确定性，常规程序是开挖后4d内完成地质编录、断面测量、初喷完成，7 d内完成浅层锚杆，15 d内完成深层锚杆，30 d内完成锚索和复喷支护施工。对于无法确定最终岩体变形量时，锚索一次张拉按设计拉力的50%～80%初次锁定，安装锚索测力计，到变形相对稳定后，根据变形与测力计数据进行二次张拉。

3.3　岩体变形控制

由于岩体抗压强度低，应力调整通过松弛深度变化完成，如何控制松动圈深度和约束变形是施工的另一关键技术。

根据不同大小的洞室、围岩强度，在洞室开挖完成后，一般由洞室跨度的20%～35%深度的岩体来承担应力调整产生的山岩压力。对于地应力低、岩体强度高的围岩，开挖爆破引起的松动圈深度基本上是永久的松弛深度，不会发生较大的变化；对于岩体强度低、地应力高的围岩，由于常规承载圈的承载能力小于调整后的应力，岩体发生塑性变形，并向深层传递应力，以加大承载面积来达到平衡。在这一调整过程中，常规承载圈的破坏大小对于有效承载面积起着关键的作用。在岩体强度低、地应力高的条件下，局部岩体已完全压碎，其有效承载能力只是压碎后岩体的承载能力，压缩变形后由于不同深度岩体的相互约束的性能，应力向深层传递，浅层与深层岩体的总承载能力达到调整后的压力要求后基本平衡，在不断地传递和调整过程中，变形加大，岩体开裂、张开，使支护材料的承载力非线性增加，造成锚杆、锚索应力增加，对于支护材料不利。因此提高开挖后初始承载圈的承载能力，控制松弛深度是控制变形、保持岩体完整性、保护支护材料安全的关键。

约束变形对于大洞室施工可从两种途径来解决，一是改善承载圈应力调整后的绝对量值，让承载圈厚度加大、均匀，开挖调整后应力与岩体强度相适应；二是对承载圈岩体进行加固。

第一种途径是在大型洞室的顶部采用深层支护，让开挖后产生的应力和山岩压力传递到一定深度的岩体内，再从顶部这一深度的岩体向洞室两侧边墙的深层岩体传递，使两侧边墙原始岩体中应力传递相对均匀，则洞室顶拱的岩体压力可相对均匀地分布在洞室两侧围岩上，避免洞室浅层应力集中问题。这一问题在锦屏一级水电站地下厂房安装间顶拱得到很好的实践。

第二种途径是通过采取措施改善岩体初始质量，或在发生一定变形后，加固岩体质量，提高其承载能力，采取的措施如下：

（1）采用不同深度、不同形式的锚固支护和合理确定支护时机，尽可能约束岩体开挖后的三向应力条件，提高承载能力。

（2）针对开挖后的变形情况与施工时段，合理选择灌浆时间，对已发生变形开裂或压碎的岩体进行固结灌浆处理，提高完整性指标，提高浅层岩体总体承载能力。

3.4　安全监测

安全监测手段是指导开挖施工期动态设计与施工的又一关键技术。

衡量设计、施工效果的好坏和判断工程是否处于安全状态，较好的手段就是进行安全监测。安全监测仪器上可反应每一层开挖的变化、相邻洞室开挖对本洞室的影响情况、支护后的变形和应力变化情况、变形和应力与时间的关系等，通过大量的监测数据，结合地质情况综合分析，可找出相关规律，对设计与施工提供有力的数据支持。