专利名称：地下洞室特大穹顶开挖施工方法
技术领域：
本发明涉及地下洞室开挖施工领域，特别是一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法。
背景技术：
在地下洞室工程中，设计有穹顶型，即顶拱呈球形曲面状地下洞室，例如水电站的调压井。对于中小型类穹顶型洞室，通常拱跨(即穹顶直径)小于12m，穹顶部位的施工方法主要有导洞法、十字开挖法、扇形条块法、环形中柱法等，但针对特大穹顶型地下洞室的穹顶部位，例如拱跨20米以上的穹顶，若采用这些施工方法，存在作业空间狭窄、各工序相互干扰大、爆破孔装药量控制难度较大、围岩易变形不稳定、施工操作极不方便、顶拱开挖成形质量不易控制等缺点，难以采用大型开挖、支护设备，因此工效低，工期不易保证，施工成本大。《中国水利水电施工》2011.第一期第24-27页记载了《惠州抽水蓄能电站尾水调压井穹顶开挖施工》，采用了沿圆周钻水平孔的方法进行开挖施工，获得了良好的开挖成型效果。但是采用该方法时，操作空间相对狭窄，不利于采用大型施工设施，例如钻爆台车等，且当拱跨较大时，例如达到20m甚至30m时，洞室穹顶的高度较高，施工不方便，工作效率低。《山西建筑》2008年I月第3期152-153页记载了《小湾电站左岸拌合系统料仓竖井穹顶爆破施工》，采用了以廊道对称分部分块的施工方案，存在的问题是，当洞室穹顶的直径变大，例如达到30米时， 此时洞室穹顶的高度较高，施工较为困难，且施工危险性增大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，可以实现多个工作面同时施工，且作业空间较大，适于采用大型开挖、支护设备施工，降低了施工难度和安全风险，且各工序相互干扰小，顶拱开挖成形质量易于控制，工效较高，而施工成本较低。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，包括以下步骤:
一、将穹顶洞室和与之连接的导洞按上下分层；
二、将穹顶洞室以导洞为轴对称地分为多个片区；
三、开挖上层的导洞，导洞开挖完毕后对其顶拱部位按设计要求进行系统支护；以穹顶洞室的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，当单个片区开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施；
四、开挖下层的导洞，当导洞开挖完毕后，对其侧墙按设计要求进行系统支护；以穹顶洞室的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，各片区开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施；
通过上述步骤安全高效实现地下洞室特大穹顶开挖施工。步骤二中，划分的上层片区数量多于下层片区的数量。步骤四中，各个片区外与穹顶设计轮廓线之间还设有环形的保护层，保护层在内部片区开挖完成后再施工。步骤三和四中，同时施工的工作面不得超过两个。步骤三和四中，爆破时采用单片区独立爆破，严禁多个作业面同时实施爆破。步骤三中，上层开挖采用钻爆台车配合人工手风钻钻孔，钻孔孔径为Φ42±3πιπι，采取掏槽开挖，主爆破孔钻水平孔，邻近穹顶顶拱轮廓线区域的周边孔尽可能沿轮廓线方向手风钻钻孔，采用光面爆破法。所述的光面爆破中，崩落孔孔距以1±0.lm，周边孔孔距以0.5±0.05m，开挖循环进尺控制在1.5±0.15m。步骤四中，下层开挖采用潜孔钻机钻孔，配合梯段爆破法。步骤四中，穹顶洞室内的下层导洞还设有一段预留斜坡，其中靠近导洞的出口一端较高，所述的预留斜坡坡度为12%土 1%。步骤四中，所述的预留斜坡最后开挖施工，或与穹顶洞室下部的井身部分一起开挖施工。本发明提供的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，与现有技术相比具有以下有益效果:
1、将地下洞室岩体按照“化整为零，分部开挖”的原则进行分层、分区，从而减小了开挖跨度，降低了施工难度和安全风险。2、同一层岩体遵循“左、右斜对角错十字片区同时施工”的原则，并依照确定的先后顺序开挖施工，两个工作面可同时作业，各工序相互干扰小，有利于提高工效、降低工程施工成本。3、邻近穹顶轮廓线区域的周边孔，采用沿轮廓线环向平行钻孔方式，既有利于方便作业人员操作，也易于保证穹顶轮廓线一次开挖的成形质量。4、穹顶下层导洞开挖完成后，由于上层穹顶的支护已经完成，其两侧的岩体开挖时，作业空间更大，易于采用大型开挖支护设备，并结合梯段爆破法施工，有利于进一步提高工作效率。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
图1为本发明中穹顶洞室的纵剖面结构示意图。图2为图1的A-A剖视示意图，图中显示的是上层的分片区示意图。图3为本发明中上层片区的开挖顺序及掘进方向示意图。图4为本发明中上层导洞开挖的示意图。图5为图4的B-B剖视示意图。
图6为图1的C-C剖视示意图，图中显示的是下层的分片区示意图。图7为本发明中下层片区开挖的纵剖面示意图。图8为本发明中下层片区开挖顺序及掘进方向示意图。图中:分层线1，导洞2，第二层3，第一层4，预留斜坡5，保护层6，系统支护7，穹顶洞室8。
具体实施例方式如图1 8中，一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，包括以下步骤:
一、将穹顶洞室8和与之连接的导洞2按上下分层；具体如图1中所示，本例中将穹顶洞室8和导洞2分为两层。如图1中所示的以分层线I为界的第一层4和第二层3。设计中的施工顺序是先开挖第一层4，再开挖第二层3，从而施工高度被控制在便于施工的范围内。本例中，导洞2的上、下两层高度大致相等。二、将穹顶洞室8以导洞2为轴对称地分为多个片区；具体如图2、6中所示，图2中，被分为9个片区，图6中被分为6个片区，例如图2中的1-1 1-5’片区，图6中的I1-1 I1-4’片区。从图中可以看出，优化的方案，如步骤二中，划分的上层片区数量多于下层片区的数量。这是因为下层片区即第二层3施工时，上层片区即第一层4已开挖且完成了顶拱的系统支护7，安全风险相对较小，作业空间更大，因此可以划分为较大的片区，便于采用潜孔钻机钻孔，配合梯段爆破法，以进一步加快施工进度。三、开挖上层的导洞2，导洞2的宽度和高度一般按照穹顶跨度的1/4 1/3控制。先开挖上层导洞2，导洞沿中心线将穹顶对称地分为左右两部分；导洞开挖施工中，当掌子面进入穹顶区域后，其顶拱开挖线沿着穹顶设计轮廓线呈弧形逐渐变化，具体如图4中所示；当导洞开挖完毕后，对顶拱及侧墙部位，按设计要求实施系统支护7，此处穹顶区域的侧墙除外。在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施。系统支护和临时支护的施工工序及方法参照现有的常规方法实施。以穹顶洞室8的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，具体为如图3中所示的开挖顺序及掘进方向，依次同时施工1-2和1-2’、1-3和1-3’、1-4和1-4’及1-5和1-5’。即以竖向轴线交错对称或者称为类似以竖向轴线旋转对称的两个片区同时施工，由此错十字交错施工方法，确保同时施工的两个片区互不干扰，尤其是施工设备及运输互不干扰。采用逐步远离竖向轴线的施工方式配合分层开挖的施工方式，进一步确保了开挖施工安全，且施工效率高，尤其是便于工程车辆的调度。同时施工的工作面不得超过两个，当前序片区开挖完成并对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护后，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施，再依次施工后续片区，直至穹顶第一层4全部施工完毕。步骤三中，上层开挖采用钻爆台车配合人工手风钻钻孔，钻孔孔径为Φ42±3πιπι，采取掏槽开挖，主爆破孔钻水平孔，邻近穹顶顶拱轮廓线区域的周边孔尽可能沿轮廓线方向手风钻钻孔，采用光面爆破法。所述的光面爆破中，优选的崩落孔孔距以1±0.1m为宜，连续装直径Φ 32mm乳化药卷；周边孔孔距以0.5±0.05m为宜，选用Φ 25mm乳化药卷，间隔装药，线密度优选以110 130g/m为宜,或者实际爆破参数可根据现场爆破试验进一步确定。如图3中，箭头指向为优选的掘进方向，开挖循环进尺控制在1.5±0.15m。四、开挖下层的导洞2，并向穹顶内延伸，当下层的导洞2开挖完成后，对导洞2的侧墙按设计要求进行支护，此处穹顶区域的侧墙除外。以穹顶洞室8的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，具体为图8中所示的开挖顺序及掘进方向，依次同时施工I1-2和I1-2’、I1-3和I1-3’，即以竖向轴线交错对称的两个区同时施工，同时施工的工作面不得超过两个。各片区采用潜孔钻机钻孔，钻孔孔径为Φ90±9πιπι，孔间距以2±0.2m为宜；采用梯段爆破法，优选的连续装直径Φ 70mm乳化药卷，或者实际爆破参数可根据现场爆破试验确定。 在本步骤中，优化的方案，各个片区外与穹顶设计轮廓线之间还设有环形的预留保护层6 (即图6中I1-4片区)，预留保护层6在内部片区开挖完毕之后再施工，由此方案，利于顶拱曲面结构的成型。步骤四中，穹顶洞室8内的下层导洞2还设有一段预留斜坡5，即如图7中所示的I1-5，其中靠近导洞2的出口一端较高，所述的预留斜坡5坡度为12%±1%，预留斜坡5的设置，既有利于机械设备通行，也减小了导洞的设计深度，节省了导洞的开挖工程量。I1-4、I1-5区参照步骤三中所述的钻爆方法即光面爆破法实施，其中所述的预留斜坡5即I1-5片区最后开挖施工，或与穹顶洞室8下部的井身部分一起开挖施工。当预留保护层6开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施。通过上述步骤安全高效实现地下洞室特大穹顶开挖施工。尤其需要注意的，在步骤三和四中，爆破时应采用单片区独立爆破，严禁多个作业面同时实施爆破，进一步的，各个爆破作业面也是以导洞为对称轴单独交错作业，以进一步确保施工安全，例如图5所示的优选爆破顺序为(I)—(2)……(18)。
权利要求
1.一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是包括以下步骤: 一、将穹顶洞室(8)和与之连接的导洞(2)按上下分层； 二、将穹顶洞室(8)以导洞(2)为轴对称地分为多个片区； 三、开挖上层的导洞(2)，导洞(2)开挖完毕后对其顶拱部位按设计要求进行系统支护；以穹顶洞室(8)的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，当单个片区开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施； 四、开挖下层的导洞(2)，当导洞(2)开挖完毕后，对其侧墙按设计要求进行系统支护；以穹顶洞室(8)的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，各片区开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护，在开挖过程中，对局部地质条件较差的地段，可随机采取临时支护措施； 通过上述步骤安全高效实现地下洞室特大穹顶开挖施工。
2.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤二中，划分的上层片区数量多于下层片区的数量。
3.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤四中，各个片区外与穹顶设计轮廓线之间还设有环形的预留保护层(6)，预留保护层(6)在内部片区开挖完成后再施工。
4.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤三和四中，同时施工的工作面不得超过两个。
5.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤三和四中，爆破时采用单片区独立爆破，严禁多个作业面同时实施爆破。
6.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤三中，上层开挖采用钻爆台车配合人工手风钻钻孔，钻孔孔径为Φ 42±3mm，采取掏槽开挖，主爆破孔钻水平孔，邻近穹顶轮廓线区域的周边孔尽可能沿轮廓线方向手风钻钻孔，采用光面爆破法。
7.根据权利要求6所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:所述的光面爆破中，崩落孔孔距以1±0.Im,周边孔孔距以0.5±0.05m,开挖循环进尺控制在1.5±0.15m。
8.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤四中，下层开挖采用潜孔钻机钻孔，配合梯段爆破法。
9.根据权利要求1所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤四中，穹顶洞室(8)内的下层导洞(2)还设有一段预留斜坡(5)，其中靠近导洞(2)的出口一端较高，所述的预留斜坡(5)坡度为12%±1%。
10.根据权利要求9所述的一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，其特征是:步骤四中，所述的预留斜坡(5)最后开挖施工，或与穹顶洞室(8)下部的井身部分一起开挖施工。
全文摘要
一种地下洞室特大穹顶开挖施工方法，包括以下步骤一、将穹顶洞室和与之连接的导洞按上下分层；二、将穹顶洞室以导洞为轴对称地分为多个片区；三、开挖上层的导洞，并支护，以穹顶洞室的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，当单个片区开挖完毕后，对穹顶顶拱按设计要求进行系统支护；四、开挖下层的导洞，并支护，以穹顶洞室的竖向轴线为轴交错对称开挖各个片区，并逐步远离该竖向轴线，各片区开挖完毕后，对穹顶顶拱进行系统支护；通过上述步骤安全高效实现地下洞室特大穹顶开挖施工。本发明的分层、分区，左右斜对角错十字片区同时施工的方法，在确保施工质量和安全的同时，大幅提高了工效，降低了工程施工成本。
文档编号E21D9/00GK103174429SQ20131006556
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月1日 优先权日2013年3月1日
发明者周厚贵, 王博, 李友华, 孙昌忠, 黄应军, 黄家权, 李英 申请人:河海大学, 中国葛洲坝集团股份有限公司