水利工程施工——地下建筑工程

第六章地下建筑工程教学目的和要求：地下工程有许多自身特点。

要求学生了解地下工程施工的基本特点，掌握必要的洞室开挖、衬砌施工、锚喷支护等主要工程施工。

重点与难点：1.洞室开挖，地下工程施工程序2.衬砌施工、锚喷支护等教具与参考：1.水利施工图片2.[1]梁炯均. 锚固与注浆手册. 北京：中国电力出版社，1999[2]杨康宁主编. 水利水电工程施工技术.北京：中国水利水电出版社，1995[3]张正宇主编. 现代水利水电工程爆破. 北京：中国水利水电出版社，2003主要教学方法：讲解法演示法地下建筑工程施工，受地质、水文地质、建筑物型式及施工条件的影响较大，其施工方法与露天作业有很大的差别，因而往往是整个枢纽工程中控制施工进度的工程项目。

本章主要结合平洞的施工，介绍地下建筑工程施工中的几个主要问题，如洞室开挖、衬砌施工和喷锚支护。

第一节地下建筑工程的施工程序教学目的和要求：介绍地下工程的施工程序，要求学生掌握不同工程的开挖方法。

熟悉相应的开挖机械重点与难点：平洞和地下厂房的开挖施工教具与参考：工程图片主要教学方法：讲授法启迪法地下建筑工程，按其工作性质可分为过水的和不过水的两大类；常见的型式有平洞、斜洞和竖井，大型洞室。

一、平洞的施工程序平洞施工方法有二种，即常用的钻眼爆破法及全断面掘进法（TBM法）。

本章重点介绍钻眼爆破法施工，其主要施工工序是钻孔、装药、爆破、通风散烟、清撬、出碴、检查及测量放线，在地质条件较差地段，应增加锚杆支护、混凝土衬砌、灌浆等工序，同时还需进行排水、照明、供水、供电、供风等辅助工作，保证平洞施工的顺利进行。

因此，钻爆法施工有以下几个特点：1、施工作业空间狭小，工序多，交叉作业多，施工干扰大。

在长隧洞施工中，由于施工进度的要求，还需开挖施工支洞以增加工作面，增加了工程造价。

2、洞线地质条件直接决定平洞的施工方法。

岩石是成洞开挖的对象，又是成洞后支护的对象，在施工中应充分了解洞周的围岩性质，根据不同围岩类别，采取不同的开挖方法和支护措施，发挥围岩的自承稳定能力，加快施工进度，节省工程造价。

3、平洞施工基本上不受外界气候影响，但施工条件差，粉尘及有害气体不易排出，因此，在施工中必须严格遵守安全操作规程，制定相应的安全技术措施，确保施工人员生命安全。

二、平洞的开挖程序平洞开挖的基本要求是：开挖断面尺寸必须符合设计要求，尽可能减少超欠挖；控制装药量，尽量减小对洞周围岩的破坏，以提高围岩的自稳能力，同时使爆落的岩块大小适度，以便于出碴；合理布置炮孔位置、炮孔数量和炮孔深度，以提高爆破效果，加快施工进度，降低工程造价。

因此，必须根据洞线地质条件，平洞型式和断面尺寸、施工条件及施工机械设备，选择合理的平洞开挖方法。

1、全断面开挖法图6-1 全断面开挖方法（单位m）ⅠⅡⅢⅣ—开挖及衬砌程序全断面开挖是指平洞的设计断面一次性钻孔爆破成型。

平洞的衬砌或支护，可在全洞贯通后进行，也可在掘进相当距离后进行。

当地质条件较好，围岩坚固稳定，不需要临时支护或仅需局部支护的大小断面平洞中，又有完善的机械设备，均可采用全断面开挖方法，如图6-1所示。

全断面开挖的特点是，洞内工作面较大，有利于机械化施工。

例如云南省鲁布革水电站引水隧洞，开挖直径8.8 m，围岩稳定性好，采用全断面开挖，月进尺243.7m，日平均进尺9.36m，最高日进尺14.6m，最高月进尺曾达到357m。

图6-2 全断面台阶法掘进示意图Ⅰ—上台阶；Ⅱ—下台阶1—上台阶钻孔；2—扒落石碴；3—出碴后再钻孔当缺乏大型施工机械设备而无法进行全断面开挖时，可采用断面分层开挖方法。

即将工作面分为上下两层，上层超前2~4m，上下层同时爆破的掘进方法。

如图6-2所示。

具体施工顺序是爆破散烟及安全检查后，清理上层台阶的石碴，进行上层工作面的钻孔，同时出碴，清碴后下层工作面钻孔，钻孔完成后，上下层炮孔同时装药，一起爆破，保持上下工作面掘进深度一致。

2、导洞开挖法导洞开挖法就是在平洞中先开挖一个小断面的洞作为先导，称为导洞，然后扩大至整个设计断面，根据导洞与扩大开挖的次序可分为导洞专进法和导洞并进法。

导洞专进法是待导洞全线贯通后再开挖扩大部分；导洞并进法是待导洞开挖一定距离（一般为10~15m ）后，导洞与扩大部分的开挖同时前进。

根据导洞在整个断面中的不同位置，可分为上导洞、下导洞、中导洞、双侧导洞等开挖方法。

（1）导洞开挖法导洞布置在断面下部中央，开挖后向上向两侧底部扩大至全断面。

其施工顺序是，先开挖下导洞，并架设漏斗棚架，然后向上拉槽至拱顶，再由拱部两侧向下开挖。

上部岩碴可经漏斗棚架装车出碴，所以又称为漏斗棚架法，如图6-3所示。

其优点是出渣线路不必转移，排水容易，工序之间施工干扰小。

但遇地质条件较差时，施工不够安全。

适用于基本稳定围岩中的大断面隧洞或机械化程度较低的中小断面平洞。

（2）上导洞开挖法导洞布置在断面顶拱中央，开挖后由两侧向下扩大的开挖方法。

其施工顺序如图6-4所示。

即先开挖顶拱中部，再向两侧扩拱，及时衬砌顶拱，然后再转向下部开挖衬砌。

此法适用于稳定性差或不稳定围岩的平洞。

其优点是：先开挖顶拱，可及时作好顶拱衬砌，下部施工在拱圈保护下进行，比较安全。

缺点是需重复铺设风、水管道及出碴线路，排水困难，施工干扰大，衬砌整体性差。

尤其是下部开挖时影响拱圈稳定，所以下部岩体开挖时常采用马口开挖法。

如图6-5所示。

其原理是使拱圈不是由岩体承担，就是由衬砌后的边墙承担。

图6-4 紧水滩水电站 图6-5 马口开挖顺序右岸导流隧洞的开挖 （a ）对开马口；（b ）错开马口1—上导洞；1、2、3、4、6—开挖顺序； 1—拱圈中心线；2—隧洞中心线Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ—衬砌顺序 ①~②—开挖顺序（3）中心导洞辐射孔法导洞布置在断面中央，导洞全线贯通后向四周辐射钻孔开挖的方法。

此法适用于围岩基本稳定，不需临时支护，且具有柱架式钻机的大中断面的平洞。

其优点是：利用柱架式钻机，可以一次钻完四周辐射炮孔，钻孔和出渣可平行作业。

缺点是：导洞和扩大并进时，导洞部分出碴很不方便。

所以一般待导洞贯通后再扩大开挖。

其施工顺序如图6-6所示。

（4）双导洞开挖双导洞开挖有上下导洞和双侧导洞两种开挖法。

上下导洞法适用于洞周围岩稳定性好，但缺少大型开挖设备的较大断面平洞。

下导洞出碴排水，上导洞扩大并对顶拱衬砌，为了便于施工。

上下导洞用斜洞或竖井连通。

双侧导洞法适用于围岩稳定性差，地下水较严重，断面较大需要边挖边支护的平洞。

双导洞的施工顺序如图6-7所示。

3、导洞的形状和尺寸图6-6 中导洞开挖 图6-7 双侧导洞施工顺序（a ）横断面；（b ）纵断面 1、3、5、6、8、9—开挖顺序1—导洞；2—四周扩大部分；3—柱架；4—钻孔；5—石碴 Ⅱ、Ⅳ、Ⅶ、Ⅹ—衬砌顺序导洞一般采用上窄下宽的梯形断面，这种形状施工简单，受力条件较好，可利用底角布置风、水等管线。

导洞断面尺寸是根据出碴运输要求，临时支护型式和人行安全的条件确定。

一般底宽为2.5~4.5m（其中人行通道宽取0.7m），高度为2.2~3.5m。

二、地下厂房的施工程序在地下建筑物中，除了平洞以外，还有大断面地下厂房。

水电站地下厂房的特点是，跨度大、边墙高，相邻洞室距离近，交叉洞口多，例如四川雅安小关子电站的地下厂房，跨度17.618.7m，高度37.58m，长度89.65m，与厂房直接相通的洞室就达16条，如图6-8 和图6-9所示。

因此，大型洞室的施工，常采用先拱部后底部，先外缘后核心，由上而下、上下结合，留岩墙岩柱，跳格开挖，跳格衬砌支护等施工方法。

应用变高洞为低洞，变大跨度小跨度的原理，保证厂房周边围岩的稳定。

根据围岩的稳定强度，有以下几种施工方法：图6-9 主厂房开挖程序示意图（1）先拱后墙分层施工施工时先开挖顶拱及拱座，顶拱衬砌或支护后，再开挖中下部，衬砌或支护边墙和底板。

如图6-10所示。

这种方法适用于基本稳定围岩及有大型机械的条件。

（2）先墙后拱预留中心岩柱方法 先开挖边墙两侧导洞，衬砌边墙后再开挖顶拱，衬砌顶拱，中部岩体最后开挖，如图6-11 所示。

这种方法适用于围岩稳定性较差的情况。

若围岩稳定性差，采用上法不能解决围岩稳定时，可采用肋墙肋拱法施工。

其施工顺序是，先开挖上下侧壁导洞，沿导洞跳格开挖并衬砌边墙（称为肋墙），然后利用上部侧壁导洞，跳格开挖并衬砌顶拱（称为肋拱），再挖除肋拱肋墙间的岩体，完成肋拱肋墙全部衬砌，最后挖除中部岩体，衬砌底板。

如图6-12所示。

三、竖井和斜井的施工程序竖井和斜井是水电站地下厂房中常见的建筑物，竖井和斜井高度较高，断面相对较小，井线与水平夹角大于75°的为竖井；井线与水平夹角为40~75°的为斜井；洞线与水平夹角为6~40°的为斜洞。

由于竖井和斜井具有各自的特点，其施工方法分述如下：图6-10 先工后墙分层施工 图6-11 先墙后拱预留核心岩柱1、3—开挖顺序 1、2、4—开挖顺序；5—岩柱 Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ—衬砌顺序 Ⅲ、Ⅴ、Ⅵ—衬砌顺序1、竖井竖井施工特点是竖向作业，即竖向开挖、竖向出碴和竖向衬砌。

竖井的另一特点是与水平隧洞相通，因此，可先挖通与竖井相连通的水平通道，为竖井施工创造条件。

一般竖井施工有全断面法和导井法。

（1）全断面法自上而下全断面竖井开挖法与隧洞的全断面施工类似。

但由于是竖向作业，施工困难，进度较慢，适用于采用普通钻爆法开挖的小断面竖井。

采用全断面竖井开挖，应注意做好竖井锁口，确保提升安全，做好井内外排水防水设施。

注意观测围岩情况，采取相应措施确保安全施工。

全断面竖井开挖，也可采用深孔爆破法，即按设计要求，断面炮孔一次钻孔，再自下而上分层爆破(或一次爆破)，由下部平洞出碴。

此法适用于深度不大、围岩稳定的竖井。

施工时要控制钻孔的偏斜，偏斜率应小于0.5%，同时还应控制装药量, 特别是周边炮孔的装药量。

（2）导井法 即在竖井中部先开挖导井（断面积4~5m2），然后扩大的施工方法。

导井有自上而下和自下而上的开挖方法。

前者可用普通钻爆法，也可用大钻机施工，如图6-13所示；后者常用吊罐法（也称吊篮法）或爬罐法施工。

扩大开挖也可自上而下逐层下挖，也可自下而上倒井上挖。

扩挖的石碴，经导井落至井底，由井底水平通道运出洞外，如图6-14所示。

目前常用爬罐开挖导井，爬罐实际上是一个带有驱动机构，可以沿着特制轨道上下爬升的吊笼，吊笼上有一作业平台，可进行放线、钻孔、装药、安全处理等作业，其工作与避炮情况，见图6-15所示。

图6- 14 吊罐法开挖竖井图6-13 大钻机开挖竖井 （a ）自下而上开挖导井;（b ）自上而下扩挖导井（a ）钻导井；（b ）导井扩大；（c ）扩挖竖井 1—开挖面；2—起吊吊罐吊罐通过纲缆中心孔；3—通过 1—钻架；2—钻杆；3—初钻钻头；4—扩孔钻头；5—混 风、水管的边孔；4—吊罐；5—吊罐安全洞；6—钢轨凝土井口；6—吊车；7—钢轨；8—安全罩；9—水平通道 导架；7—集碴漏斗；8—挡板；9—安全罩；10—吊车2、斜井 倾角大于48°的斜井，施工条件与竖井相近，可按竖井方法施工。