地下水封洞库施工巷道明槽段施工方法探索

赵增祥，胡保宁，李世明

中石化胜利建设工程有限公司  山东东营  257011

【摘要】本文对地下水封洞库施工巷道明槽的开挖和边坡支护施工方法及工序衔接进行了探索。明槽边坡采用锚喷支护，土层采用机械开挖，强风化岩层采用小直径浅孔或潜孔钻爆破开挖；为提高功效，边坡支护和土石方爆破挖运需形成流水循环作业，爆破挖运是关键工序。研究成果对同类工程具有一定的借鉴意义。

【关键词】地下水封洞库;施工巷道明槽;光面爆破;三臂凿岩机钻爆;锚喷支护

1、引言

地下水封洞库是人为建造的一种用于储存油气的特殊地下工程，其构造特点是大跨度、高边墙、内部无衬砌。水封原理是洞库所处位置的围岩裂隙水压力必须大于储存油气的饱和蒸汽压力，因此，洞库的埋深比较大，一般在地下100m左右，地下水比较丰富，或人工注水，保证地下水压力满足水封的要求。

地下水封洞库一般由主洞室、竖井（进出油管道、排水管道以及电缆信号线等均在其中）、施工巷道和水幕系统组成。

国内大规模建设地下水封洞库也只有十几年的时间，许多方面还不成熟，众多的研究内容都是关于主洞室的开挖及其运行期的稳定性和地下水的渗透性问题，关于施工巷道的很少。施工巷道是地下水封洞库与地上的连接通道，便于建设期开挖施工时施工资源的进出调配和爆渣的运出。500万方的地下水封洞库一般有四条施工巷道，三条与主洞室平行，同一端有开口，从开口由地上入地下，到主洞室另一端后由连接巷道串通起来。

施工巷道明槽是施工巷道的入口，作为施工巷道在地面上的部分，直接连通地上与地下工程。明槽虽然是地上工程，施工比较方便，但其地质条件比较复杂，施工具有一定难度。

本文以国内某地下水封洞库为例对明槽的施工技术进行探索研究。

2、库区地质特性和明槽结构特点

2.1库区地质特性

该洞库库区属低山丘陵地貌，场地地势总体上西高东低，北高南低，高程在23.20～182.04m之间，山体多呈浑圆状，山形完整。山坡上多为林地和荒地。

该洞库的主体岩石为中粒二长花岗岩，表层有第四系冲洪积层、残坡积砂土、砂质粘土等，厚度一般1.0～1.5m，零星分布煌斑岩脉、花岗斑岩脉、石英脉、伟晶岩脉等岩脉。库区存在2条基本与主洞室垂直的断层以及4条破碎带和3条蚀变带。岩性单一，构造较复杂。库区地下水丰富，埋深较浅，以裂隙水为主。

明槽段地层为残坡积粘质沙土层或土岩夹杂的全风化层，基岩埋深较浅，为Ⅴ级围岩。

2.2明槽的结构特点和边坡支护设计

2.2.1明槽结构特点

本洞库有三条与主洞室平行的施工巷道和一条连接巷道，巷道高宽均为9m。根据地形地貌条件，①施工巷道明槽为弧线型，长约150m，②、③施工巷道明槽为直线型，长约80m。明槽长度不一样，主要与基岩埋深有关，基岩埋深较浅的明槽较短，基岩埋深较深且地表地质条件较复杂的明槽较长，①施工巷道明槽位于冲沟，以弧线进入山体；②、③施工巷道明槽位于山坡底，垂直山坡进入山体；明槽底宽13m，比施工巷道宽4m，主要在于施工巷道口需要安装相关的设备设施和设置排水池等；明槽底具有一定的坡降，一般为3～8°；明槽两侧设置边坡，根据边坡高度设置一级边坡和二级边坡，从明槽口到高差为3m位置设置一级边坡；从高差为3m位置到施工巷道入口处加设二级边坡及马道。一级边坡坡比为1：0.5，二级边坡坡比为1：1 ～1：0.8,马道宽度为2m。

2.2.2边坡支护设计

边坡以锚喷进行支护，锚杆采用φ25mm的螺纹钢筋，长4.5m，锚杆排距和间距均为2.0m，梅花形布置；锚杆间以钢筋网连接，钢筋网采用φ8的圆钢，绑扎间距为200×200mm，搭接长度不少于200mm，超过边坡预留部分不少于1m，在锚杆露出部分加以垫片将钢筋网绑扎锁住；边坡设置排水孔，排水孔为φ56的PVC管，安装间距为4000×4000mm（土质边坡的安装间距为2000×2000mm），梅花形布置，角度与水平面上倾10°；表层喷射12cm砂浆进行固护。

巷道口仰坡支护与上述基本一致。

巷道口支护以大管棚和超前小导管为主，根据围岩情况加设锁口锚杆。该项目①、③巷道口采用超前小导管和锁口锚杆进行支护；①巷道口的支护为2排超前小导管、2排锁扣锚杆，③巷道口均为1排，小导管和锁口锚杆间隔分布，排距和间距均为0.4m，最里一排为小导管，距洞壁0.15m，超前小导管和锁扣锚杆长均为6m，超前小导管为钢花管；距洞壁最近的第一圈小导管外倾5°～10°，第二圈小导管和锁扣锚杆均垂直岩面。②施工巷道口的支护为大管棚，大管棚在巷道口的组成为导向墙和导向管组成；导向墙长4m、厚60cm，为钢筋砼墙；导向管（φ168×6mm无缝钢管）预埋在导向墙中，环向间距0.4m；在导向墙和导向管施工完成后进行大管棚（钢花管φ133×6mm，长20m）施工。

3、明槽地表排水布置和不良地质处理

明槽周围地表设置截水沟，使明槽周围来水尽量少的汇入明槽；明槽底两侧设置排水沟，施工巷道入口处设置反坡及集水坑，在集水坑安置水泵及时将集水排出，尽可能使明槽段的来水不汇入施工巷道内。               

施工巷道①明槽段位于两山中间冲沟处，距北侧山坡近，且整体呈弧形。由于地势较低，北侧山坡、南侧山坡及两山之间冲沟的流水皆汇向明槽，呈现三面汇水的局面，必须对明槽及周边排水系统做特殊处理。处理方法一是从南侧山坡沿明槽边缘加设截水沟，设置挡水墙；二是北侧山坡沿山脚设置截水沟，和明槽重合部分靠山体一侧加设挡水墙，避免北侧山坡流水汇入明槽；三是汇水交汇点从南侧山坡到北侧山坡截水沟大片区域地面硬化，人工修坡，使来水汇入截水沟。

施工巷道②明槽段原地貌上有两个池塘，地下水位较高。明槽段开挖前用石头填筑池塘，清除底部淤泥，使之达到开挖条件。池塘填筑后在开挖过程中受池塘影响，土方开挖时渗水严重，导致土方地基承载力严重不足，出现“弹簧土”情况。此情况下需进行换填，使用碎石替换渗水的土方，并进行地基承载力检测，保证明槽底的承载力。

4、明槽施工的工序分析及设备资源优化

4.1施工流程

施工巷道明槽段施工采用“分层开挖，分层支护”的方法开挖，具体施工流程：清表→截水沟施工→土方分层开挖→分层支护→石方分层开挖→分层支护。每个循环测量放线、开挖及出渣、支护等工序形成流水作业，工序紧密衔接。施工时需要的人员和机具较多，需要注意交叉作业的安全风险，可在确保安全的情况下适当的交叉作业，缩短施工时间，减少工期。

4.2流水循环作业分析

土石方开挖与边坡支护是互为条件的，土石方爆挖达到一定深度、形成一定高度的边坡后才能进行边坡支护，而在一定范围内的边坡支护完成后才能进行下一层级的土石方爆挖，因此土石方爆挖和边坡支护施工形成了流水循环作业。如果土石方爆挖不跟进或边坡支护不紧紧跟随，则对局部工程工期甚至整体工期都会产生重大影响。

土石方开挖和边坡支护又包括多个小的工序，也必须形成流水循环作业。土石方开挖包括土石方爆破孔钻孔及装药起爆、石方爆渣挖运等工序；边坡支护包括锚杆孔钻孔、锚杆孔注浆及插锚杆、钢筋网铺设和喷射砼。各工序之间必须有序衔接，形成高效的流水循环作业，否则将严重影响工期。

4.3设备资源优化

施工是否形成合理的流水循环作业、是否高效取决于施工资源是否满足现场施工的要求以及现场如何合理的调配，由此必须对施工资源进行详细的分析，施工资源在满足基本条件的情况下分析其形成流水循环的最大工程量和尽可能短的循环时间，施工进度才能更快。

由于明槽的长宽不一样，其爆破开挖量也不一样，因此采用的爆破钻孔设备不完全相同，手持风钻、三臂凿岩机和潜孔钻机都有。手持风钻适合于空间狭小、零星岩石的钻孔爆破；三臂凿岩机能水平和倾斜钻孔爆破，适宜掌子面前场地平整、工程量不大或薄层岩层的钻孔爆破。由于其必须在掌子面上垂直或斜向钻孔，爆破后爆渣挖运时不能同时施工，但其机械化程度高，不需要空压供风系统，现场操作人员少，2～4人，安全风险低，健康环保，同时三臂凿岩机是边坡支护锚杆孔的钻孔设备，其高度可超过9m；潜孔钻能竖直钻孔爆破，钻孔深度可超过10m，其钻孔不在掌子面上，因此可在挖运爆渣的同时进行炮孔钻孔。三种钻孔方式各有优势，也有不足，在该项目上均有使用。              ①施工巷道明槽以潜孔钻为主，薄层和零星岩石以手持风钻钻爆；②、③施工巷道明槽均用三臂凿岩机钻爆。

5、土石方开挖方案及工效分析

5.1开挖分层设计

开挖分层的目的是为了各工序间做到无缝衔接，真正做到流水循环作业，最大限度提高施工效率。②、③施工巷道明槽短，开挖厚度小，①施工巷道明槽长约150m，开挖厚度巷道口处超16m，以①施工巷道明槽为例进行分层设计。分层依据一是考虑设计和地质因素，二是考虑设备资源因素。土石分界埋深约4m，而马道高程基本与土石分界线一致，将土石分界线作为开挖第一层的底；土方开挖后石方最厚处达12m，在巷道口仰坡20m范围，宜分三层开挖，钻爆设备即三臂凿岩机和潜孔钻均满足要求，挖装设备也满足要求。

5.2明槽土方开挖

明槽土方采用反铲挖掘机由明槽起点开始向巷道口开挖，根据开挖分层情况，土方开挖一次挖到底，并修理好边坡。在土方开挖完成后进行边坡支护。

5.2石方爆破方案及工效分析

第一层开挖完成且边坡支护完成后进行石方开挖。石方开挖以三臂凿岩机和潜孔钻进行钻爆。两种爆破方式都是主爆孔松动爆破、周边孔光面爆破。

三臂凿岩机钻爆：水平分层抬炮（布孔图见图1），每层厚即爆破孔排距0.8～1.0m，孔距1.0～1.2m。边坡壁和底板采用光面爆破，光爆孔孔距0.5～0.7m。炸药单耗每立方米300～450g，光爆孔线密度为每米300～400g，上层取小值，下层取大值。主爆孔连续不偶合装药，光爆孔不连续不偶合装药，不封塞。按从上往下的先后顺序起爆，其次是边坡光爆孔起爆，底板孔最后起爆。起爆后进行爆渣挖运。

若明槽宽15m，开挖厚5m，进尺5m，炮孔约100个，钻孔时间约3小时，装药联线起爆约2小时，钻爆用时约5小时。 爆破实方约375方，虚方即挖运方约600方，毎车装运约20方，每车挖运用时按8分钟计，挖运用时约4小时。 用三臂凿岩机钻孔每一个钻爆挖运循环用时约9小时。但其钻孔作业在一定空间内待爆渣清完后才能再次钻孔爆破，不能实现钻孔和挖运同时施工。

图1  三臂凿岩机钻爆布孔图

潜孔钻爆破：主体岩石钻孔直径90cm，孔深4.2m(超深0.2m)，孔间距1.5～2.0m，排距1.5m（孔深、孔距、排距可根据实际岩层厚度确定)，光爆孔径90mm，孔距0.8m，与边坡斜度一致。主爆孔与光爆孔间设一排缓冲孔，孔距1.0m，与光爆孔间距0.8m，其与竖向夹角为光爆孔的一半。炸药单耗为主体岩石每立方米200～400g，光爆孔炸药线密度为200～350cm，上层岩石取小值，下层岩石取大值。主体岩石爆破孔连续不偶合装药，堵塞长度不小于1.5m，光爆孔不连续不偶合装药，堵塞长度不小于1.0m。起爆网络为采用孔内延期，临近临空面的第一排孔为第一段，向保留岩体依次为第三排、第五排…...光爆孔最后起爆，可以雷管起爆，也可用导爆索起爆。

如开挖岩层长宽高与三臂凿岩机钻爆的一样，则炮孔约40个，每个钻孔时间平均按6分钟计，则钻孔用时4小时，装药连线用时约1.5小时，则钻爆用时5.5小时。

上述钻爆方量与多臂凿岩机钻爆方量一样，因此挖运时间亦为4小时。

潜孔钻是竖直钻孔，不需要爆渣挖运完成后进行，即爆渣挖运的同时可进行钻孔施工，这样石方爆挖的周期取决于钻爆（因其用时比挖运时间长），钻爆时间即是爆挖循环时间即5.5小时。

爆挖同等方量的岩层，潜孔钻爆挖比三臂凿岩机爆挖时间短，效率高。

洞口仰坡均采用缓冲孔和光面孔爆破，爆破参数同上。

5、明槽边坡支护

边坡支护层级与土石方开挖层级一致，马道上为一个支护层级，马道下以4m高为一个支护层级即每开挖一层支护一层；每层以10m长为一个支护单元，该单元钻孔完成后即进行注浆和安插锚杆，注浆和安插锚杆以三臂凿岩机的登高篮为操作平台进行施工；待五个单元的锚杆安插完成后进行钢筋网挂网施工；在五个单元的钢筋网施工完成后进行砼喷护作业。

根据设计图纸测量放线，以红色在边坡岩面标识锚杆孔位置；三臂凿岩机垂直岩面钻孔（孔径45mm），清孔后进行注浆；按设计要求配置砂浆；注浆管口插入孔底不小于10cm开始注浆，边注浆边拔注浆管，控制拔管速度，保证注浆管口埋入浆液液面下不小于50～80cm，在注浆管拔出孔口时必须保证孔口浆液饱满；在锚杆孔注浆饱满后插入锚杆，锚杆必须插入到位。边坡支护除锚杆外，还有排水孔，排水孔为φ56的PVC管。不同单元和上下两层的钢筋网间的搭接必须严格按照设计要求和规范规定进行施工，以保证边坡支护的整体性同时为保证喷射混凝土厚度符合设计要求的12cm，钢筋网片距边坡距离不够时需采用垫块，保证喷射厚度。钢筋网片绑扎完成后安装锚杆垫片，锚杆头部螺栓要上紧，确保将钢筋网片固定。验收合格后喷射混凝土施工。喷射混凝土采用C30湿喷料，混凝土罐车卸料，湿喷台车工作。喷射混凝土时喷头应垂直边坡，喷头距边坡1～2m。支护完成后进行下一循环开挖。

6、洞口仰坡支护

明槽开挖最后阶段是洞口处开挖支护，一方面是仰坡坡面支护，另一方面是施工巷道口支护。

6.1仰坡支护

6.1.1仰坡支护的加强

在施工巷道起拱线以上，仰坡设计支护方式为锚喷支护，锚杆为φ25螺纹钢，长6m，排距孔距均为2m。

②、③施工巷道口仰坡均按设计要求施工进行支护。

①施工巷道口仰坡因地质条件变差加强了支护方式。洞脸左侧由砂浆锚杆改为超前小导管φ50注浆，长4m，梅花型布置，间距1m×1m，注浆后管内插入长4.5m钢筋，以增强小导管强度；洞顶左侧马道平台增加斜拉锚杆，φ28mm，长度6m，梅花型布置2排，每排不少于4根，锚杆和排间距均为1m，角度60～65°，以此强化仰坡的稳定性（见图2）。

洞脸右侧将原设计的锚杆间距加密，由2m×2m改为1m×1m，其它参数不变（见图2）。

图2   施工巷道①开口仰坡和洞口加固图

6.1.2仰坡支护施工

洞脸右侧锚杆的施工方法同明槽边坡锚杆，但钻孔为水平方向，不是垂直岩面。

洞脸左侧超前小导管施工：测量放线，标识钻孔点位；以三臂凿岩机水平方向钻孔，孔径φ50mm，钻孔深度为4m；钻孔结束后按设计参数安装小导管；注浆前进行压水试验，压水压力为灌浆压力的80%，并不大于1MPa，压水时间为20min，压水试验过程中要观察掌子面有无渗漏，若有渗水需先封闭掌子面；压水试验完成后进行注浆，注浆由下到上，由内向外进行，并且分序，先注奇数孔，后注偶数孔。从止浆塞中向小导管注浆，浆液由稀到浓，压力由低到高缓慢提升。由于仰坡岩石质量差，裂隙多，在注浆过程中可能窜浆，此时需下降压力，并对穿浆处进行封堵，堵孔好后继续缓慢升压。重复前述步骤，直至达到终压条件，且无窜浆现象。屏浆10～15分钟后结束注浆。小导管注浆完成后在小导管中插入φ25mm的锚杆，长度4.5m，增加小导管刚度，提升其承载能力。

上述锚杆和超前小导管亦分层施工，即每层开挖完成后施工锚杆和小导管，挂钢筋网和焊接锚杆垫片，最后喷射混凝土覆盖岩面。

洞顶左侧马道平台斜拉锚杆施工。由于马道平台空间小，锚杆孔采用人工手风钻钻孔。注浆和安插锚杆施工同上述同类工程。

6.2洞口加固施工

洞口以大管棚导向墙或超前小导管和锁口锚杆进行加固，①、③施工巷道口为超前小导管加锁扣锚杆加固，②施工巷道口为大管棚导向墙加固。

6.2.1大管棚导向墙施工

图3大管棚导向墙施工断面图

（1）施工流程：测量放线→拱脚土石方开挖→架设Ⅰ18工字钢拱架→安装φ168导向管→安装导向墙内模→施工导向墙钢筋→安装导向墙外模→浇筑砼→混凝土养护。

导向墙施工布置见图3。

（2）施工：测量放线洞轴线和洞口开挖轮廓线，然后进行开挖。导向墙两侧拱脚基坑土方采用人工开挖，石方采用小药量弱爆破进行开挖。土石方开挖完成后，安装洞

口三榀Ⅰ18号工字钢拱架，间距为1.5m，焊接牢固，并打设锁脚锚杆；用全站仪将长为4.0m长的φ168×6mm导向管按照设计0°的外插角，中到中环距0.4m精确定位，用φ25连接钢筋与工字钢牢固焊接为一整体，导向管在导向墙两端向外伸出10cm，与拱架空隙采用钢板焊接牢固，确保导向管稳固、方向准确，前端焊接法兰盘；人工绑扎导向墙钢筋，钢筋分内外两层，钢筋主筋采用φ20螺纹钢，纵向间距20cm，层间距为50cm，纵向连接钢筋采用φ16螺纹钢，间距20cm，钢筋保护层厚度为5cm，在导向墙钢筋与导向管接触处采用点焊连接，无接触面的采用扎丝绑扎连接；模板安装，采用5cm厚木模板，模板采用内外夹φ25钢筋，通过对拉或支顶的方式固定，内模采用10×10cm方木间距50×50cm支垫牢固；最后浇筑导向墙砼并按规范要求进行养护。

6.2.2超前小导管和锁口锚杆施工

（1）超前小导管和锁口锚杆布设

按设计要求起拱线以上180度范围内为2排超前小导管和锁口锚杆（见图2）。

①施工巷道口左侧开挖后岩石破碎，再加一排超前小导管，即开挖线外1.35m（左侧1/4圈）处加一排超前小导管，小导管φ50，长6.0m，拱部环向间距400mm。②、③施工巷道口的加固按设计要求不变。超前小导管注浆完成后在小导管内安插长6.0m、φ25钢筋，以强化巷道口的稳定性。

（2）超前小导管和锁口锚杆

小导管采用壁厚3.5mm的无缝钢管制作，在小导管的前端做成约10cm长的尖锥形，管壁上每隔30cm梅花型钻眼，眼孔直径8mm，为注浆的外泄孔。

巷道口超前小导管施工方法同洞脸左侧超前小导管；锁口锚杆施工方法同洞脸右侧

锚喷支护锚杆。

因支护设计的合理性和施工的有效性，明槽和巷道口开挖的过程中没有出现较大的位移和沉降变形，完全符合相关规范和设计要求。

7、结语

7.1 施工巷道明槽段作为施工巷道的地面部分，开挖受原始地貌影响较大，需综合考虑。

7.2 施工巷道明槽段截排水需要全面考虑，根据现场地形增加排水设施，减轻施工巷道内的排水压力。

7.3 施工巷道明槽段分层开挖支护，建议采用潜孔钻钻爆开挖，三臂凿岩机钻孔支护，此时开挖支护效率最高。

7.4 施工巷道入口处岩石质量差，裂隙多，应进行超前支护及加强支护，保证支护质量，确保施工巷道入口处安全。

7.5 边坡在开挖时严格控制开挖坡比，并建议设置沉降观测点，及时进行边坡沉降观测。

参考文献：

[1] 汪旭光.爆破设计与施工[M].北京：冶金工业出版社，2015.

[2] 于亚伦.工程爆破理论与技术[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[3] 顾毅成.爆破工程施工与安全[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[4] 张永哲.爆破器材经营与管理[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[5] 吴子骏.工程爆破操作员读本[M].北京：冶金工业出版社，2004.

[6] 爆破安全规程GB 6722-2003[S].

[7] 工程岩体分级标准GB/T 50218-2014[S].

[8] 公路隧道施工技术规范JTG/T 3660-2020[S].

[9] 地下水封石洞油库设计标准GB/T 50455-2020[S].

[10] 地下水封石洞油库施工及验收规范GB/T 50996-2014[S].

[11] 石油天然气建设工程施工质量验收规范地下水封石洞油库工程SY/T 7475-2020[S].