一种地下洞室及地下洞室施工方法

摘要

本发明涉及地下水丰富、围岩地质条件差的大型地下洞室的施工方法，利用地下廊道进行超前排水、超前加固主洞室围岩、超前勘探、超前监测的多用途布置型式和方法，即在地下主洞室顶拱及和边墙周边布置多层地下廊道，主洞室开挖前先施工顶拱和边墙周边的廊道，利用施工后的地下廊道超前降低主洞室周边地下水水位，同时利用顶层廊道和边墙周边廊道对主洞室顶拱围岩进行预固结灌浆、预应力锚索钻孔施工和监测仪器的预埋。这种布置型式和方法，既可有效降低地下水对洞室围岩的影响，又可通过提前对主洞室进行灌浆加固围岩，缩短锚索施工时间发挥锚索及时支护作用，且通过超前预埋监测仪器，及时准确采集和掌握主洞室开挖过程中围岩的变形监测数据来指导设计与施工，有力保障了地下洞室施工期和运行期的安全稳定。

说明书

技术领域

本发明属于地下工程领域，涉及一种地下洞室及地下洞室施工方法，尤其涉及地下水丰富、围岩地质条件差的大型地下洞室及其施工方法。

背景技术

目前，针对地下水丰富、围岩条件较差的地下洞室施工，主要在地下洞室周边布置地下廊道进行永久排水；支护方面在采用锚喷支护的基础上，还需要布置预应力锚索来控制洞室围岩变形。常规的做法中，地下廊道的布置仅仅用作永久排水，而且地下廊道施工往往滞后于主洞室施工，不考虑超前降低主洞室周边的地下水水位，施工期主洞室围岩往往由于受地下水的影响而易出现塌方等现象；预应力锚索多采用端锚索，锚索施工和监测仪器的埋设往往要等主洞室开挖时，再行施工，这样锚索支护及时性差，监测仪器收集到的数据滞后，无法真实反映围岩变形的情况，常出现锚索支护不及时，导致主洞室开挖过程中出现围岩变形过大和失稳的情况发生，也常常由于监测仪器埋设滞后，无法及时掌握洞室围岩的变形情况，导致无法预判洞室围岩的稳定情况，而出现塌方现象，影响施工期安全，并造成工期延误。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种结构稳固的地下洞室及其施工方法。

本发明的技术方案为：一种地下洞室，包括主洞室，所述主洞室的拱顶设有灌浆加固区，灌浆加固区的上方设有灌排廊道，所述灌排廊道与灌浆加固区之间设有预应力锚索；所述主洞室的两侧分别设有多条由上至下依次排列周边廊道，所述多条周边廊道与主洞室的边墙之间设有预应力锚索。

一般地，灌浆加固区指向相应区域的岩层内注入灌浆水泥等物料，以起到加固该区域的作用。

本发明中，通过灌浆加固区的设置，可以保证主洞室拱顶区域围岩的强度，防止开挖时出现塌方事故；同时，在灌浆加固区上方设置灌排廊道，一方面可方便灌浆以形成灌浆加固区，另一方面，可方便地在灌排廊道和灌浆加固区之间设置预应力锚索，约束相应围岩的变形，提高主洞室的结构稳定性，同时预应力锚索对灌浆加固区产生牵引作用，降低灌浆加固区对主洞室边墙部位的压力；通过周边廊道及相关预应力锚索的设置，可以对主洞室边墙附近的围岩产生支护作用，限制围岩变形，以全方位提升主洞室的稳固程度，防止主洞室开挖及后续使用过程中出现塌方事故。

进一步地，所述主洞室拱顶上方设有两条灌排廊道，设置两条灌排廊道，对应的可多设置两条预应力锚索，以增大对拱顶围岩的约束力。

进一步地，所述灌排廊道上设有向灌排廊道上方延伸的排水孔幕。

进一步地，相邻所述周边廊道之间通过排水孔幕连通。

通过排水孔幕的设置，可降低主洞室周边地下水位，减小地下水对主洞室开挖的影响，利于主洞室的开挖稳定；开挖完成后，可对主洞室起到保护作用，减少水对主洞室的渗透。

进一步地，所述主洞室包括多个子洞室，相邻所述子洞室之间设有周边廊道，该周边廊道与相邻各子洞室的边墙之间分别设有预应力锚索，提高洞室边墙的稳固度。

进一步地，所述预应力锚索为预应力对穿锚索。

进一步地，所述灌排廊道与主洞室拱顶的距离为10~35m；所述周边廊道与主洞室边墙之间的距离为30~60m。优选地，所述灌排廊道与主洞室拱顶的距离为20~30m；所述周边廊道与主洞室边墙之间的距离为40~50m。

为了获得主洞室围岩变形等信息，所述周边廊道与主洞室的边墙之间埋设有监测仪；所述灌排廊道与主洞室拱顶之间埋设有监测仪。优选地，所述监测仪为多点位移计。

基于同一个发明构思，本发明还提供一种地下洞室的施工方法，包括如下步骤：

S1、在开挖主洞室之前，在待开挖主洞室拱顶上方挖设灌排廊道；同时，在待开挖主洞室的边墙两侧分别挖设第1层周边廊道，该周边廊道位于主洞室拱顶所跨越的深度范围内，在该周边廊道的上方挖设顶层廊道；

S2、分别在步骤S1中各顶层廊道和灌排廊道上设置向相应廊道上方的岩层延伸的排水孔幕，在顶层廊道与第1层周边廊道之间设置排水孔幕；

S3、通过灌排廊道对待开挖主洞室拱顶开挖线以上的围岩进行预固结灌浆施工，在主洞室拱顶上方获得灌浆加固区；

S4、通过周边廊道和灌排廊道对待开挖主洞室进行预应力锚索的造孔和预应力锚墩的施工；然后，开始开挖主洞室，待开挖到预应力锚索相应部位后，进行穿索并对预应力锚索进行张拉锁定；开挖主洞室的同时，在第1层周边廊道的下方挖设依次由上至下排布的第2层……第N层周边廊道，并在上、下相邻的周边廊道之间设置排水孔幕；其中，N为不小于2的正整数。

进一步地，对周边廊道和灌排廊道进行开挖施工时，通过周边廊道和灌排廊道提前预埋用于收集主洞室围岩地质信息的监测仪，如多点位移计。这样待主洞室开挖后可及时收集围岩变形等信息，可为评价和调整支护设计参数和施工措施提供依据，有效控制主洞室的围岩变形，确保主洞室开挖的安全稳定。

采用本发明的方法，步骤S1中超前开挖灌排廊道、顶层廊道和第1层周边廊道，并在步骤S2中设置相关排水孔幕，可以超前降低主洞室周边地下水位，减小地下水对主洞室开挖的影响，有利于主洞室的开挖稳定；步骤S3中，通过灌浆施工，可有效提高主洞室顶拱围岩的完整性和稳定性，避免主洞室开挖时顶拱围岩出现大的塌方和掉块；步骤S4中，在开挖主洞室之前便进行预应力锚索的造孔和预应力锚墩施工，待主洞室开挖到锚索相应部位一定距离后，可快速穿索和进行锚索的张拉锁定，可充分发挥锚索及时支护的功效，及时约束围岩的变形，对确保主洞室的开挖稳定十分有利。

对周边廊道、顶层廊道等地下廊道先行施工后，可收集地下廊道开挖揭露的地质情况，通过此推测出主洞室的围岩信息，有利于对支护参数和施工方案进行复核。

本发明在地下洞室构建过程中，利用地下廊道提前施工，并结合超前排水、超前对主洞室灌浆加固、超前勘探和超前监测的多用途布置型式和施工方法，实现对主洞室超前排水、超前灌浆加固、超前勘探和超前监测。这种布置型式和方法利用主洞室顶拱及周边布置多层地下廊道（顶层廊道、灌排廊道及周边廊道）且在主洞室开挖前先行施工完成，先利用施工后的地下廊道对待开挖主洞室区域及附近岩层进行超前排水，即通过廊道降低待开挖主洞室周边的地下水水位，有效地减小地下水对主洞室开挖的影响，保证主洞室的开挖稳定；再利用灌排廊道对主洞室进行预固结灌浆超前加固，提高主洞室顶拱围岩的完整性和稳定性，避免主洞室开挖时顶拱围岩出现大的塌方和掉块；然后再利用施工后的地下廊道提前对预应力锚索进行钻孔（锚墩）的施工，可充分发挥锚索支护的及时性，及时约束围岩的变形，确保主洞室的开挖稳定；最后再利用施工后的相关地下廊道收集地质信息和提前预埋监测仪器，推测出主洞室地质信息和及时获得监测数据可为评价和调整支护设计参数和施工措施提供依据，为有效地控制主洞室的围岩变形和确保主洞室开挖的安全稳定提供有利保障。

本发明的地下洞室结构稳固，运行期安全稳定；通过本发明的提供的施工方法，可实现对主洞室的安全稳定开挖，节省施工时间，有效保障地下洞室施工期和运行期的安全稳定。

附图说明

图1是本发明第一种实施方式的廊道及排水孔幕布置示意图。

图2是本发明第一种实施方式的主洞室顶拱预固结灌浆布置示意图。

图3是本发明第一种实施方式的预应力锚索布置示意图。

图4是本发明第一种实施方式的地下廊道监测器埋设情况示意图。

其中：1—顶层廊道；2—灌排廊道；3—周边廊道；4—排水孔幕；5—灌浆加固区；6—预应力锚索；7—监测仪器；8—主洞室；801、802-子洞室。

具体实施方式

为叙述方便，本发明中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

下面以某抽水蓄能电站的地下洞室构建为例来对本发明进行进一步说明，该电站地下厂房洞室围岩条件较差，围岩类别为Ⅲ～Ⅳ类，局部Ⅴ类，围岩比较破碎，且地下水十分丰富。

该地下洞室，包括主洞室8，所述主洞室8的拱顶设有灌浆加固区5，灌浆加固区5的上方设有灌排廊道2，所述灌排廊道2与灌浆加固区5之间设有预应力锚索6；所述主洞室8的两侧分别设有3条由上至下依次排列周边廊道3，第一层和第二层周边廊道3与主洞室8的边墙之间设有预应力锚索6。

其中，所述主洞室8包括洞室子801和子洞室802，各子洞室拱顶上方设有两条灌排廊道2（见图2）。

所述灌排廊道2上设有向灌排廊道上方延伸的排水孔幕4；相邻所述周边廊道3之间通过排水孔幕4连通（见图1）。

相邻所述子洞室之间设有一个周边廊道3，该周边廊道3与相邻各子洞室的边墙之间分别设有预应力锚索6（见图3）。

所述预应力锚索6为预应力对穿锚索。

所述周边廊道3与主洞室8的边墙之间埋设有监测仪7；所述灌排廊道2与主洞室8拱顶之间埋设有监测仪7（见图4）。

为提高厂房洞室围岩的整体稳定性，在厂房顶拱以上25m和距边墙45m周边布置4层地下廊道（由上至下依次为顶层廊道1及与顶层廊道平齐的灌排廊道2、周边廊道3），地下廊道布置充分考虑降低厂房地下水、又可对主厂房和主变洞顶拱围岩进行预固结灌浆、又方便预应力锚索的快速施工和提前预埋监测仪器等多方面综合作用，在地下廊道布置设计时充分考虑廊道的合适高程和位置，以及顶层灌排廊道断面尺寸等，地下廊道布置既要具备提前施工的条件，又要具备对主洞室顶拱进行预固结灌浆、预应力锚索6和监测器7的提前施工的条件和方法。该地下廊道多用途布置型式和方法，既成功解决了地下水对厂房开挖的影响，使厂房整个开挖过程基本处于干燥的环境施工，又通过预固结灌浆、预应力锚索及时支护和监测仪器提前预埋准确掌握厂房围岩变形数据，及时调整支护参数和施工措施，有效地控制厂房洞室围岩的变形，顺利保证了厂房洞室开挖过程的安全稳定。从实施效果来看，效果比较理想，主洞室开挖过程未出现塌方、掉块现象，工程进行十分顺利；运行期中，主洞室结构表现稳定，未出现异常现象。