CN107869351B - 一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，包括：在溶洞空腔清挖阶段：对空腔岩面喷射混凝土进行封闭在溶洞空腔内架设安全防护钢棚；利用高压水冲洗清挖后的掌子面；在右岸下层灌浆平洞穿越溶洞新开洞口阶段：对溶洞内新开洞口进行锁口；对溶洞上游掌子面进行防护；对右岸下层灌浆平洞已成洞段进行灌浆作业防护；在右岸下层灌浆平洞及溶洞空腔衬砌阶段：对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；对溶洞空腔进行结构性衬砌封闭。本发明提供的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，通过分阶段采取的有效安全防护措施，能够有效防止溶洞空腔处理期间安全事故的发生，保障施工人员的安全作业。

Description

一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法

技术领域

本发明涉及溶洞空腔安全防护技术领域，尤其涉及一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法。

背景技术

溶洞是地表水和地下水对溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的地下溶蚀现象，给隧道施工带来不安全和不稳定因素，因此对溶洞空腔处理进行安全防护是一项非常重要的工作。

例如，隘口水库位于重庆市秀山土家族苗族自治县隘口镇，水库大坝位于岑龙河与凉桥河汇合口下游500米处的平江河上。隘口水库枢纽工程主要由高86.2m的沥青砼心墙堆石坝、宽16米开敞式溢洪道、高55.10m岸边斜卧式取水塔及引水隧洞等组成。水库枢纽工程施工过程中，在大坝右岸揭示出多个大型溶洞，并形成相互连通的大型连续溶洞群。其中，右岸K6溶洞的揭示的空腔部分，宽度约6～8m，长度约18～20m，高度约15～20m，为典型的高狭型溶洞空腔。

K6溶洞最先于右岸中层灌浆平洞开挖时揭示，呈现为环洞向溶蚀宽缝；在右岸下层灌浆平洞开挖至下灌右0+062处呈现为一高狭型溶蚀空腔；在右岸上层平洞进口段底板开过程中，在其底板下部发现13个密集连通型小型溶洞，经地勘人员分析确定为K6溶洞的一部分。由于K6溶洞贯穿右坝肩，贯穿右岸帷幕线，对右岸坝肩的稳定及大坝防渗具有极大的危害。

对于溶洞空腔的清挖施工，最为危险的应为洞顶掉块及掌子面掘进过程中出现的坍塌等现象，严重威胁到溶洞清挖施工人员及设备的安全，而溶洞处理充填物的清挖一方面是为了后期处理充填置换混凝土的需要，另一方面则主要为清除松动体，排除危险岩块、充填物等，该阶段也是溶洞内施工最为危险的时段，其安全防护措施受现场条件制约，往往较难制定。

由于溶洞处理所包含内容较多，空腔充填与深孔固结灌浆相结合进行，按照灌浆规范要求，灌浆范围30m内不可进行爆破作业，因而对K6溶洞空腔的处理包含了其范围以外至少30m(下灌右0+081～0+116段)右岸下层灌浆平洞的爆破开挖。同时由于大坝填筑施工的需要，前期对右岸下层灌浆平洞进口段(下灌右0+000～0+060段)已完成混凝土衬砌，在下层平洞下灌右0+081～0+116段的开挖过程中，同时必须考虑对已完洞段(下灌右0+000～0+060段)内作业的安全防护。

因此，制定合理、科学、有效的针对高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，旨在解决岩溶发育地区类似大型溶洞空腔处理过程中的施工安全保护的问题。

为达到上述目的，本发明所述方法包括以下步骤：

在溶洞空腔清挖阶段：

步骤101、对空腔岩面喷射混凝土进行封闭；

步骤102、在溶洞空腔内架设安全防护钢棚；

步骤103、利用高压水冲洗清挖后的掌子面；

在右岸下层灌浆平洞穿越溶洞新开洞口阶段：

步骤201、对溶洞内新开洞口进行锁口；

步骤202、对溶洞上游掌子面进行防护；

步骤203、对右岸下层灌浆平洞已成洞段进行灌浆作业防护；

在右岸下层灌浆平洞及溶洞空腔衬砌阶段：

步骤301、对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

步骤302、对溶洞空腔进行结构性衬砌封闭。

优选地，所述步骤101包括：

为探挖溶洞空腔开设施工支洞，开挖施工支洞揭示溶洞空腔后，先采用装载机对坍塌堆积入施工支洞内的泥渣进行清理，清出能够进入溶洞空腔作业的洞口；

采用高压风自施工支洞向溶洞空腔内对洞内岩面的堆渣进行清理；

从施工支洞向溶洞空腔内部方向，对已开挖的溶洞空腔顶板逐步喷射混凝土，对岩面进行封闭；

检查溶洞空腔内顶部岩体稳定情况，根据需要局部增设随机锚杆；

对于岩面状况不能进行施工的，在喷射混凝土后，局部进行挂网二次喷射混凝土。

优选地，所述步骤102包括：

随溶洞发育形状在溶洞顶部架设安全防护钢棚，所述钢棚两端固定在溶洞两侧壁上，悬空架设；

采用I14工字钢焊接拼装形成所述钢棚的骨架，所述骨架的下部设置有八字型斜撑，所述八字型斜撑的支点分别位于所述骨架两端各三分之一处；

通过双锚杆将所述骨架和所述八字型斜撑固定在岩壁上，所述双锚杆的间距根据溶洞岩壁发育情况进行调整；

对于不适合安装锚杆的岩壁，依据溶洞内地形，在洞壁上部的岩石平台上竖向安装锚杆；

在所述骨架顶部铺设双层竹架排和单层胶合板，所述双层竹架排和所述单层胶合板之间采用铅丝和钢筋双股绑扎，利用钢筋形成防滑条；

所述钢棚随溶洞空腔清挖掌子面的掘进向前延伸；

溶洞空腔清挖过程中，现场实时进行巡查和排查。

优选地，溶洞空腔内架设的所述钢棚包括：连接筋，I14工字钢横梁，I14工字钢斜撑，第一钢板，由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架、位于所述纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架上的双层竹架排和单层胶合板、第二钢板，第一双排固定锚杆，I14工字钢支座，固定锚杆，第二双排固定锚杆；

所述连接筋通过所述第一双排固定锚杆连接所述I14工字钢横梁，所述I14工字钢横梁设置在所述连接筋的两侧，所述I14工字钢支座设置在所述I14工字钢横梁的下面，所述形成的骨架、所述双层竹架排和所述单层胶合板设置在所述连接筋的上面，所述I14工字钢斜撑设置在所述I14工字钢横梁之间，并通过所述第一钢板连接所述连接筋，所述固定锚杆设置在所述I14工字钢支座上，所述第二双排固定锚杆设置在所述I14工字钢斜撑上，所述第二钢板设置在所述第二双排固定锚杆和所述I14工字钢斜撑之间。

优选地，所述步骤103包括：

将高压水引至所述钢棚的棚顶；

在所述棚顶利用高压水自上而下沿残留岩块缝隙及边缘对夹泥层进行冲洗切割，使泥渣顺开挖面自由滑落，直至不稳定岩块滑动塌落及上部无松动块体；

在所述钢棚的保护下，利用反铲挖掘机探挖的方式对下部可控范围内松动岩块进行清挖；

在溶洞空腔临近施工支洞的围岩处设集水坑，利用泥浆泵通过管道将冲洗泥水自施工支洞排出洞外。

优选地，所述步骤201包括：

新开洞口前，在洞顶预设范围内设置两排锁口锚杆；

平洞开挖时，先在平洞口支立多个拱架进行支撑；所述拱架采用I14型钢加工制作，所述拱架的底座及节间采用钢板进行焊接；

多个所述拱架之间采用钢筋拉结，并通过双锚杆固定于岩石壁上；

在所述拱架外侧设置钢筋网，并回填浆砌块石或混凝土；

喷射混凝土，以使洞顶与所述拱架内表面相齐平。

优选地，所述步骤202包括：

在距溶洞上游掌子面预设距离处设置袋装土重力式挡渣墙进行防护；

采用钢筋焊接钢筋笼，外包钢丝网，并内置潜水泵排除溶洞上游掌子面渗水。

优选地，所述步骤203包括：

在开挖面处设置挡渣墙，所述挡渣墙分为两段式结构，下部为袋装土挡墙，上部为钢骨架防护网；

所述袋装土挡墙为梯形断面，采用袋装土堆码形成；

所述钢骨架防护网采用双钢管按平洞衬砌断面加工成弧形钢骨架，并铺设双层菱形钢板网进行封闭形成，所述钢骨架防护网周边采用膨胀螺栓固定在衬砌混凝土面上，底部固定在所述袋装土挡墙内；

在开挖过程中，每次爆破后即时检查所述挡渣墙的挡渣性及所述钢骨架防护网的稳定性和受损程度，发现损坏及时加固或修复。

优选地，所述步骤301包括：

结合基岩面清理、钢筋制作安装、模板制作安装，对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

对于基岩面清理，采取调整施工顺序的方法，先直接进行两侧衬砌边壁基础的清理，待边壁顶板衬砌形成安全封闭体后，再进行底板清理浇筑。

优选地，所述步骤302包括：

沿施工支洞方向浇筑混凝土边墙，顶部浇筑混凝土顶板；

在所述混凝土顶板埋设工字钢梁，在所述工字钢梁上部铺设钢模板；

在两边墙过右岸下层灌浆平洞顶部处设暗梁，两边墙均直接与溶洞上游掌子面相抵；

在所述混凝土顶板底部设置单层双向钢筋；

将施工支洞临近右岸下层灌浆平洞端的设计轴线由弧型调整为折线型；

在临近溶洞上游掌子面处预先设置由型钢和竹架排护栏形成的围挡，对两边墙进行基础清理时，先行完成大面积立模后，局部打开所述围挡，清理后即刻立模浇筑。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述方法，通过分阶段采取的有效安全防护措施，能够有效防止溶洞空腔处理期间安全事故的发生，保障施工人员的安全作业。

2、本发明所述方法在保障施工环境安全的同时，也将溶洞空腔处理分为上下两部分作业面，使上部空腔回填得以及时完成，为中层平洞至下层平洞间溶洞深孔固结灌浆处理施工及早开始创造了条件，赢得了后续施工的时间。

3、本发明所述方法通过在安全防护中合理引入型钢，并从缩小溶洞空腔断面入手，采取多种防护措施并举的方案，有效解决了溶洞空腔施工中的安全防护问题。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程图；

图2是本发明实施中右岸K6溶洞典型剖面图；

图3是本发明实施例中，溶洞空腔内设置所述钢棚的结构示意图；

图4是本发明实施例中，所述钢棚的右侧支座的剖视图。

图中：1、连接筋；2、I14工字钢横梁；3、I14工字钢斜撑；4、第一钢板；5、由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架；6、第二钢板；7、第一双排固定锚杆；8、I14工字钢支座；9、固定锚杆；10、第二双排固定锚杆。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明所述方法包括以下步骤：

在溶洞空腔清挖阶段：

步骤101、对空腔岩面喷射混凝土进行封闭；

步骤102、在溶洞空腔内架设安全防护钢棚；

步骤103、利用高压水冲洗清挖后的掌子面；

在右岸下层灌浆平洞穿越溶洞新开洞口阶段：

步骤201、对溶洞内新开洞口进行锁口；

步骤202、对溶洞上游掌子面进行防护；

步骤203、对右岸下层灌浆平洞已成洞段进行灌浆作业防护；

在右岸下层灌浆平洞及溶洞空腔衬砌阶段：

步骤301、对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

步骤302、对溶洞空腔进行结构性衬砌封闭。

进一步地，所述步骤101包括：

为探挖溶洞空腔开设施工支洞，开挖施工支洞揭示溶洞空腔后，先采用装载机对坍塌堆积入施工支洞内的泥渣进行清理，清出能够进入溶洞空腔作业的洞口；

采用高压风自施工支洞向溶洞空腔内对洞内岩面的堆渣进行清理；

从施工支洞向溶洞空腔内部方向，对已开挖的溶洞空腔顶板逐步喷射混凝土，对岩面进行封闭；

检查溶洞空腔内顶部岩体稳定情况，根据需要局部增设随机锚杆；

对于岩面状况不能进行施工的，在喷射混凝土后，局部进行挂网二次喷射混凝土。

进一步地，所述步骤102包括：

随溶洞发育形状在溶洞顶部架设安全防护钢棚，所述钢棚两端固定在溶洞两侧壁上，悬空架设；

采用I14工字钢焊接拼装形成所述钢棚的骨架，所述骨架的下部设置有八字型斜撑，所述八字型斜撑的支点分别位于所述骨架两端各三分之一处；

通过双锚杆将所述骨架和所述八字型斜撑固定在岩壁上，所述双锚杆的间距根据溶洞岩壁发育情况进行调整；

对于不适合安装锚杆的岩壁，依据溶洞内地形，在洞壁上部的岩石平台上竖向安装锚杆；

在所述骨架顶部铺设双层竹架排和单层胶合板，所述双层竹架排和所述单层胶合板之间采用铅丝和钢筋双股绑扎，利用钢筋形成防滑条；

所述钢棚随溶洞空腔清挖掌子面的掘进向前延伸；

溶洞空腔清挖过程中，现场实时进行巡查和排查。

优选地，溶洞空腔内架设的所述钢棚包括：连接筋，I14工字钢横梁，I14工字钢斜撑，第一钢板，由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架、位于所述纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架上的双层竹架排和单层胶合板、第二钢板，第一双排固定锚杆，I14工字钢支座，固定锚杆，第二双排固定锚杆；

所述连接筋通过所述第一双排固定锚杆连接所述I14工字钢横梁，所述I14工字钢横梁设置在所述连接筋的两侧，所述I14工字钢支座设置在所述I14工字钢横梁的下面，所述形成的骨架、所述双层竹架排和所述单层胶合板设置在所述连接筋的上面，所述I14工字钢斜撑设置在所述I14工字钢横梁之间，并通过所述第一钢板连接所述连接筋，所述固定锚杆设置在所述I14工字钢支座上，所述第二双排固定锚杆设置在所述I14工字钢斜撑上，所述第二钢板设置在所述第二双排固定锚杆和所述I14工字钢斜撑之间。

进一步地，所述步骤103包括：

将高压水引至所述钢棚的棚顶；

在所述棚顶利用高压水自上而下沿残留岩块缝隙及边缘对夹泥层进行冲洗切割，使泥渣顺开挖面自由滑落，直至不稳定岩块滑动塌落及上部无松动块体；

在所述钢棚的保护下，利用反铲挖掘机探挖的方式对下部可控范围内松动岩块进行清挖；

在溶洞空腔临近施工支洞的围岩处设集水坑，利用泥浆泵通过管道将冲洗泥水自施工支洞排出洞外。

进一步地，所述步骤201包括：

新开洞口前，在洞顶预设范围内设置两排锁口锚杆；

平洞开挖时，先在平洞口支立多个拱架进行支撑；所述拱架采用I14型钢加工制作，所述拱架的底座及节间采用钢板进行焊接；

多个所述拱架之间采用钢筋拉结，并通过双锚杆固定于岩石壁上；

在所述拱架外侧设置钢筋网，并回填浆砌块石或混凝土；

喷射混凝土，以使洞顶与所述拱架内表面相齐平。

进一步地，所述步骤202包括：

在距溶洞上游掌子面预设距离处设置袋装土重力式挡渣墙进行防护；

采用钢筋焊接钢筋笼，外包钢丝网，并内置潜水泵排除溶洞上游掌子面渗水。

进一步地，所述步骤203包括：

在开挖面处设置挡渣墙，所述挡渣墙分为两段式结构，下部为袋装土挡墙，上部为钢骨架防护网；

所述袋装土挡墙为梯形断面，采用袋装土堆码形成；

所述钢骨架防护网采用双钢管按平洞衬砌断面加工成弧形钢骨架，并铺设双层菱形钢板网进行封闭形成，所述钢骨架防护网周边采用膨胀螺栓固定在衬砌混凝土面上，底部固定在所述袋装土挡墙内；

在开挖过程中，每次爆破后即时检查所述挡渣墙的挡渣性及所述钢骨架防护网的稳定性和受损程度，发现损坏及时加固或修复。

进一步地，所述步骤301包括：

结合基岩面清理、钢筋制作安装、模板制作安装，对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

对于基岩面清理，采取调整施工顺序的方法，先直接进行两侧衬砌边壁基础的清理，待边壁顶板衬砌形成安全封闭体后，再进行底板清理浇筑。

进一步地，所述步骤302包括：

沿施工支洞方向浇筑混凝土边墙，顶部浇筑混凝土顶板；

在所述混凝土顶板埋设工字钢梁，在所述工字钢梁上部铺设钢模板；

在两边墙过右岸下层灌浆平洞顶部处设暗梁，两边墙均直接与溶洞上游掌子面相抵；

在所述混凝土顶板底部设置单层双向钢筋；

将施工支洞临近右岸下层灌浆平洞端的设计轴线由弧型调整为折线型；

在临近溶洞上游掌子面处预先设置由型钢和竹架排护栏形成的围挡，对两边墙进行基础清理时，先行完成大面积立模后，局部打开所述围挡，清理后即刻立模浇筑。

下面以一个具体的实施例对本发明方法进行详细的阐述。

工程概况如图2所示，为右岸K6溶洞典型剖面图，隘口水库枢纽工程挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，坝高86.2m，坝肩右岸发育的K6溶洞从坝顶贯穿至坝基以下456.27m高程，穿过右岸上、中、下三层灌浆平洞，并顺垂直与坝轴线的方向，由上游至下游贯穿右坝肩，形成一个分离面，与下游施工支洞口的溶槽及上游岩溶系统均存在联系，是一个相互贯穿的岩溶系统。K6溶洞在右岸下层灌浆平洞A处充填粘土、溶蚀残留岩体体积巨大(一般块径1～3m)，开挖过程中发生过多次坍塌，卵、砾石磨圆度、磨光度好，直径一般小于5cm，成分与河床一致，充填物厚6～9m。

右岸K6溶洞空腔部分主要集中在右岸中层灌浆平洞与下层平洞之间，开挖揭示的空腔宽度约6～8m，长度约18～20m，高度约15～20m，为典型的高狭型溶洞空腔，施工过程中，洞顶及掌子面多次出现掉块及坍塌现象，严重威胁到处理施工的安全，必须采取合理有效的安全防护措施才能保证溶洞内的作业安全。

K6溶洞空腔危险因素分析：

从揭示的溶洞空腔情况看，施工大体上应为在溶蚀宽缝中进行，经分析其主要危险因素如下：

(1)由于K6溶洞为自上而下贯穿三层灌浆平洞，右岸下层平洞空腔顶部溶缝变窄，但仍存在溶蚀剥落、掉块现象，溶洞继续向上游探挖及空腔回填、下层平洞廊道形成的施工时段较长，必保证洞内施工人员长时间施工过程中头顶上方的安全；

(2)由于施工支洞(为探挖K6溶洞空腔而专设的支洞)的探挖方向基本沿溶洞走向向上游进行开挖，其坝轴线下游洞段岩石相对较好，溶蚀高度较低，而溶洞空腔部分及上游掌子面多为溶蚀岩块、卵砾石、黄泥等充填，易坍塌，必须采取有效的安全处理手段才能保证施工人员安全；

(3)由于K6溶洞走向及所开挖的施工支洞与右岸下层灌浆平洞大体上接近正交，溶洞空腔清挖后，需进行下层平洞穿越溶洞的掘进，需保证溶洞内平洞开洞口的安全及右下平洞已完成开挖衬砌洞段内灌浆作业的安全。

因而，对于K6溶空腔处理过程中的安全防护需从上述几方面进行综合考虑。

K6溶洞空腔安全防护措施规划：

根据K6溶洞空腔处理的设计要求及施工顺序，对溶洞空腔的安全防护措施按不同施工阶段进行规划：

(1)溶洞空腔开挖揭示前期，利用初揭示时的爆渣及塌落堆积物距洞顶相对较低的条件，先期对溶洞顶部进行喷射素混凝土进行封闭，防止洞顶掉块；

(2)溶洞空腔内清渣时，在顶拱喷素混凝土封闭后，对爆渣及塌落堆积物部分清理后，在距洞顶不超过2.5m高处架设型钢防护棚，保护下部开挖施工人员及清挖设备的安全；同时选用合适型号的反铲挖掘机，以探挖的方式先行集渣后撤出洞外，再由装载机出渣，并照此循环直至清除全部堆渣；

(3)溶洞充填物向上游清挖至大块残留岩块出露时，采取人工在型钢防护棚顶部采用高压水自上而下冲洗岩块缝隙及边缘，促使岩块滑落的方法，对空腔上游掌子面进行危石清除；

(4)在右岸下层灌浆平洞穿越K6溶洞新洞口及后续洞段掘进时，由于K6溶洞上游掌子面上有成片水流外渗，无法进行喷射混凝土封闭，首先在距上游掌子面约1.5m处采用袋装土堆码形成防护墙，以阻挡掌子面因渗水而滑落的泥块及石子；其次在已完成衬砌的右下平洞内距新开洞口约20m处增设挡渣墙及挡渣网，保护已成洞内的灌浆作业；

(5)在右岸下层灌浆平洞与K6溶洞贯通后，由于后续的混凝土施工衬砌耗时长，K6溶洞与下层平洞交叉段钢筋、模板施工工艺复杂，施工人员需长时期经过或处在K6溶洞空腔内作业，采取对K6溶洞进行混凝土分期浇筑的方案，一期先采取直立墙壁架设钢梁浇筑防护顶板的方式完成结构衬砌混凝土边线以外部分的防护，二期在周边混凝土防护下进行结构衬砌形成灌浆廊道断面。

本发明实施例的K6溶洞空腔清挖阶段安全防护包括以下步骤：

步骤一，空腔岩面喷射混凝土封闭：

(1)为探挖溶洞空腔开设施工支洞，施工支洞开挖揭示K6溶洞下层平洞空腔后，先采用装载机对坍塌堆积入支洞内的泥渣进行清理，清出可进入溶洞空腔作业的洞口；

(2)利用堆渣距溶洞空腔顶部较低的有利条件，采用高压风自施工支洞向溶洞空腔内对洞内岩面稍作清理，以洞顶无明显掉块为准；

(3)对已开挖揭示的溶洞顶板，自施工支洞向溶洞空腔内部逐步进占的方式，先喷射一层5～8cm厚C20混凝土，对岩面进行封闭；

(4)检查溶洞空腔内上部岩体稳定情况，局部根据需要增设L＝3m～4.5m、φ25随机锚杆，基本间排距为1.5m×1.5m；

(5)对岩面状况较差的，在喷射混凝土后，局部进行挂网二次喷射混凝土，挂网钢筋为φ6@200×200mm，网喷混凝土总厚度为10～12cm。

步骤二，溶洞空腔内架设安全防护钢棚：

为切实保障后续施工人员、设备的安全，在对溶洞空腔岩面进行必要的锚喷支护后，利用溶洞两侧边壁架设安全防护钢棚，以使溶洞的清挖及后续作业在安全防护钢棚的保护下进行作业，安全防护钢棚的架设距洞顶高差需加以控制，一方面需考虑掉落石块的冲击毁坏，另一方面可保证人员能适时攀爬至棚顶进行洞顶安全巡查与作业。

施工中按距溶洞顶板约不超过2.5m设置，并向施工支洞较好围岩方向倾斜，也可便于对洞顶掉块的清除；空腔岩面喷射混凝土封闭后，利用装载机及反铲对溶洞内堆渣进行部分清理及平整后，在堆渣上搭设施工脚手架架设防护钢棚，安全防护钢棚架设具体参数如下；

(1)安全防护钢棚随溶洞发育形状架设，长约18m，棚顶设成约15％的纵向坡，距洞顶约1.5m～2.5m，钢棚两端固定在溶洞两侧壁上，悬空架设；

(2)安全防护钢棚的骨架全部采用I14工字钢焊接拼装形成，单榀主梁跨度约10～12m，下部焊接型钢八字型斜撑，支点分别位于梁两端各约三分之一处，各榀钢骨架纵向榀间距设为1m，并采用φ22@60cm的钢筋进行纵向连接；

(3)钢棚骨架两端的主梁支座主要采用带弯钩的上下双锚杆抱紧I14工字钢的形式，将型钢固定在岩壁上形成，锚杆主要采用L＝2.5m、φ25钢筋加工制作，入岩2m，每对锚杆纵向间距60～80cm，现场依照溶洞岩壁发育情况调整；对于骨架下部斜撑的支座，则主要φ25锚杆进行固定；

(4)对于沿施工支洞向右侧岩壁，因其溶蚀发育较严重，部分洞段岩壁不适于安装锚杆，则依溶洞内地形，在洞壁偏上部的岩石小平台上竖向安装锚杆，固定焊接纵向钢桁架的形式形成支座，桁架柱间距1m，与型钢骨架梁相对应，柱高依实际地形确定，柱间设型钢斜撑；

(5)由于洞壁两侧极不规则，部分区域工字钢梁与岩壁间距离较大，致使固定锚杆悬空部分过长，则在其下方随机增设I14工字钢立柱，I14工字钢立柱上部与纵向支座梁焊接，下方采用φ25锚杆固定在突出的岩体上；

(6)钢棚骨架顶部铺设双层竹架排及单层胶合板，为便于安全防护钢棚的维护，I14工字钢、双层竹架排和单层胶合板彼此之间采用12#铅丝+φ14钢筋双股绑扎，利用钢筋形成竹胶板上的防滑条；

(7)安全防护钢棚随溶洞空腔清挖掌子面的掘进向前延伸；

(8)空腔清挖过程中现场安排专职安全巡查人员，不间断全方位的巡查、排查，包括适时至防护棚顶监控、巡查，如发现整体裂缝、滑动和其他不安全迹象时，应立即停止施工，并迅速撤离所有施工人员，以有监控地在溶洞内进行施工处理。

作为一种具体的实施方式，参考图3和图4，安全防护钢棚主要由连接筋1、I14工字钢横梁2、I14工字钢斜撑3、第一钢板4、由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架5、位于骨架5上的双层竹架排和单层胶合板(未标出)、第二钢板6、第一双排固定锚杆7、I14工字钢支座8、固定锚杆9、第二双排固定锚杆10组成；

连接筋1通过第一双排固定锚杆7连接I14工字钢横梁2，I14工字钢横梁2设置在连接筋1的两侧，I14工字钢支座8设置在I14工字钢横梁2的下面，由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架5、双层竹架排和单层胶合板设置在连接筋1的上面，I14工字钢斜撑3设置在I14工字钢横梁2之间，并通过第一钢板4连接连接筋1，固定锚杆9设置在I14工字钢支座8上，第二双排固定锚杆10设置在I14工字钢斜撑3上，第二钢板6设置在第二双排固定锚杆10和I14工字钢斜撑3之间。

步骤三，高压水冲洗掌子面、冲洗充填泥渣：

在防护钢棚保护下，将溶洞空腔内充填物大面积清挖后，呈现的掌子面高达18m，大块残留岩块出露，岩块间夹泥，对岩块形状、体积、滑动方向难以确定，采取高压水冲洗的方式促使不稳定岩块滑落；

(1)人工架设钢爬梯至安全防护钢棚顶部，将高压水引至棚顶；

(2)在棚顶利用高压水自上而下沿残留岩块缝隙及边缘对夹泥层进行冲洗切割，使泥渣顺开挖面自由滑落，并直至不稳定岩块滑动塌落，及上部无松动块体，采用高压水枪冲洗时，冲洗人员应远离挖掌子面，做好个人安全防护；

(3)在安全防护钢棚的保护下，利用反铲挖掘机探挖的方式对下部可控范围内松动岩块进行清挖，过程中设专人全程跟踪监控；

(4)若下部清挖出现倒悬，继续采用高压水冲洗的方式清除上部倒悬体；

(5)高压水冲洗与反铲探挖循环进行，直至掌子面大面积岩块出露，且无松动岩块，并经设计确认可不再清挖为止；

(6)在溶洞空腔临近施工支洞较好围岩处设集水坑，架设泥浆泵通过管道将冲洗泥水自施工支洞排出洞外。

本发明实施例的右岸下层灌浆平洞穿越K6溶洞新开洞口阶段的安全防护方法包括以下步骤：

由于K6溶洞空腔贯穿右岸下层灌浆平洞，溶洞清挖后，需同时完成右下平洞在溶洞内新开洞口及部分洞段的掘进，其安全防护的重点在于新开洞口的锁口、平洞钻爆过程中溶洞上游掌子面泥渣掉块的防护、右下平洞已完洞段内灌浆作业的保护等。

步骤一，溶洞内新开洞口的锁口：

(1)新开洞口前，在洞顶范围内距开口线50cm外设置两排锁口锚杆，锚杆按L＝4.5m、φ25@0.5m×0.5m设置；

(2)平洞开挖进尺达1.5m时，先在平洞口支立不少于3榀钢拱架支撑；拱架采用I14型钢加工制作，拱架底座及节间连接采用150mm×150mm的-10mm钢板，拱架接头必须焊接牢固；

(3)拱架间采用φ22钢筋拉结，拉结筋环向间距为1m，拱架的固定根据实际情况采用L＝1m～1.5m、φ22双锚杆抱紧固定于岩石壁上，锚杆环向间距1m；

(4)拱架外侧设φ6@200×200mm的钢筋网，拱架外侧回填浆砌块石或混凝土；

(5)喷射15cm厚C20混凝土使洞顶与拱架内表面相齐平。

步骤二，溶洞上游掌子面防护：

(1)在距掌子面1.5m处设2m高袋装土重力式挡渣墙防护，挡渣墙上顶宽0.5m，下底宽1.5m，背坡1：0.5；

(2)提前采用φ16钢筋焊接钢筋笼，外包钢丝网，内置潜水泵排除溶洞上游掌子面渗水。

步骤三，右岸下层灌浆平洞已成洞段灌浆作业防护：

(1)为防止右岸下层灌浆平洞开挖期间石渣飞入已成洞段，影响廊道内的灌浆作业，在距开挖面约20m下灌右0+060处设置挡渣墙，通过对爆破效应的分析，挡渣墙分为两段式设计，即下部为袋装土挡墙以阻挡爆渣，上部为钢骨架防护网设计，以过滤爆破冲击破阻挡飞石；

(2)袋装土挡墙为2.5m高的梯形断面，采用袋装土堆码形成，顶宽1m，断面两侧按1：0.5放坡；

(3)钢骨架防护网采用双φ50钢管按平洞衬砌断面加工成弧形钢骨架，并铺设双层菱形钢板网进行封闭形成，钢骨架防护网周边采用膨胀螺栓固定在衬砌混凝土面上，底部固定在袋装土挡墙内；

(4)右岸下层灌浆平洞开挖过程中，每次爆破后即时检查挡渣性及钢骨架防护网的稳定性以及受损程度，发现损坏及时加固或修复。

本发明实施例的右岸下层灌浆平洞及溶洞空腔衬砌阶段的安全防护方法包括以下步骤：

由于衬砌施工需要人员较多且作业时长，如不采取有效的安全防护措施，在溶洞空腔内的施工存在造成群体性伤亡事故的可能，为此，经充分讨论分析，确定了对溶洞空腔进行先期快速衬砌封闭、二期再进行结构性衬砌的分期浇筑方案。

步骤一，对K6溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭：

对先期的混凝土衬砌封闭，其施工特点主要体现在“快速、便捷”上，通过对混凝土工序的分解，影响其施工速度的主要在于基岩面清理、钢筋制安、模板制安三方面；

对于基岩面清理，采取调整施工顺序的方法，先直接进行两侧衬砌边壁基础的清理，待边壁顶板衬砌形成安全封闭体后，再进行底板清理浇筑，这样将清理分为两部分的方案，可大大缩短混凝土先期的清基时间；

对于钢筋制安，因该衬砌为结构外的混凝土充填部分，确定方案时仅考虑必要的少量钢筋制安，使其对施工速度的影响几可忽略；

对于模板制安，在方案制定时尽可能选取简化浇筑断面，减少辅助作业的脚手架搭设量，简化模板支立形式，即采取方形洞衬砌断面，引入预设钢梁，在两侧直立边墙浇筑后通过架设钢梁、上铺钢模的方式浇筑顶板混凝土，以避免搭设满堂承重脚手架，缩减施工时间。

同样，上述施工均在前期已搭设的安全防护钢棚的保护下进行。

步骤二，K6溶洞空腔结构性衬砌封闭：

(1)沿施工支洞方向先浇筑一宽×高为5m×6m的方形隧洞，其两侧为70cm厚混凝土边墙，顶部为1m厚混凝土顶板，该部分作为K6溶洞的前期支护；

(2)混凝土顶板浇筑埋设工字钢梁，I28b工字钢梁间距750mm，沿右岸下层灌浆平洞轴线方向设置，上部铺设小型钢模板，浇筑后，为保证上部能够继续施工，工字钢梁及钢模板均不作拆除，用于后期衬砌工程中；

(3)两边墙过右岸下层灌浆平洞顶部处设暗梁，暗梁采用混凝土内埋设I28b型钢的方式，不再考虑配筋，两边墙均直接与空腔上游掌子面相抵；

(4)衬砌顶板混凝土底部设置Φ25＠200×200mm单层双向钢筋，钢筋保护层为5cm，钢筋锚固长度满足40d；

(5)将施工支洞临近右岸下层灌浆平洞端的原设计弧型轴线D—E—F段调整为折线型D—G—H段，以便于快速立模施工；

(6)混凝土浇筑前，在临近溶洞上游掌子面处预先设置型钢和竹架排护栏，采用I14工字钢作立柱，间距1m，立柱长4.5m，插入下部1.5m外露3m，横向采用∟100×10角钢拉结，型钢骨架内密排竹架排护栏形成围挡，以防止掌子面掉块、流泥涌入作业区，对两边墙进行基础清理时，先行完成大面积立模后，局部打开围挡，清理后即刻立模浇筑。

本发明通过分阶段采取的有效安全防护措施，在为期四个月的K6溶洞空腔处理期间，未发生一例安全事故，特别是，在溶洞空腔清挖期间，安全防护钢棚有效地阻挡了洞顶约1m块径岩块的掉落，保障了施工人员的安全作业。溶洞空腔内衬砌分期进行的方案，在保障施工在安全的环境下作业的同时，也将K6溶洞空腔处理分为上下两部分作业面，使上部空腔回填得以及时完成，为中层平洞至下层平洞间溶洞深孔固结灌浆处理施工及早开始创造了条件，赢得了后续施工的时间。通过对右岸K6溶洞这种高狭型空腔处理安全防护方案的探索，可总结出对溶洞空腔处理安全防护措施为：合理引入型钢在安全防护中的应用，从缩小溶洞空腔断面方面入手，采取多种防护措施并举的方案，能够解决溶洞空腔施工中的安全防护问题。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在溶洞空腔清挖阶段：

步骤101、对空腔岩面喷射混凝土进行封闭；

步骤102、在溶洞空腔内架设安全防护钢棚；

步骤103、利用高压水冲洗清挖后的掌子面；

在右岸下层灌浆平洞穿越溶洞新开洞口阶段：

步骤201、对溶洞内新开洞口进行锁口；

步骤202、对溶洞上游掌子面进行防护；

步骤203、对右岸下层灌浆平洞已成洞段进行灌浆作业防护；

在右岸下层灌浆平洞及溶洞空腔衬砌阶段：

步骤301、对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

步骤302、对溶洞空腔进行结构性衬砌封闭。

2.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤101包括：

为探挖溶洞空腔开设施工支洞，开挖施工支洞揭示溶洞空腔后，先采用装载机对坍塌堆积入施工支洞内的泥渣进行清理，清出能够进入溶洞空腔作业的洞口；

采用高压风自施工支洞向溶洞空腔内对洞内岩面的堆渣进行清理；

从施工支洞向溶洞空腔内部方向，对已开挖的溶洞空腔顶板逐步喷射混凝土，对岩面进行封闭；

检查溶洞空腔内顶部岩体稳定情况，根据需要局部增设随机锚杆；

对于岩面状况不能进行施工的，在喷射混凝土后，局部进行挂网二次喷射混凝土。

3.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤102包括：

随溶洞发育形状在溶洞顶部架设安全防护钢棚，所述钢棚两端固定在溶洞两侧壁上，悬空架设；

采用I14工字钢焊接拼装形成所述钢棚的骨架，所述骨架的下部设置有八字型斜撑，所述八字型斜撑的支点分别位于所述骨架两端各三分之一处；

通过双锚杆将所述骨架和所述八字型斜撑固定在岩壁上，所述双锚杆的间距根据溶洞岩壁发育情况进行调整；

对于不适合安装锚杆的岩壁，依据溶洞内地形，在洞壁上部的岩石平台上竖向安装锚杆；

在所述骨架顶部铺设双层竹架排和单层胶合板，所述I14工字钢、所述双层竹架排和所述单层胶合板之间采用铅丝和钢筋双股绑扎，利用钢筋形成防滑条；

所述钢棚随溶洞空腔清挖掌子面的掘进向前延伸；

溶洞空腔清挖过程中现场实时进行巡查和排查。

4.根据权利要求3所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，溶洞空腔内架设的所述钢棚包括：连接筋，I14工字钢横梁，I14工字钢斜撑，第一钢板，由纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架、位于所述纵向I14工字钢和横向I14工字钢形成的骨架上的双层竹架排和单层胶合板、第二钢板，第一双排固定锚杆，I14工字钢支座，固定锚杆，第二双排固定锚杆；

所述连接筋通过所述第一双排固定锚杆连接所述I14工字钢横梁，所述I14工字钢横梁设置在所述连接筋的两侧，所述I14工字钢支座设置在所述I14工字钢横梁的下面，骨架、所述双层竹架排和所述单层胶合板设置在所述连接筋的上面，所述I14工字钢斜撑设置在所述I14工字钢横梁之间，并通过所述第一钢板连接所述连接筋，所述固定锚杆设置在所述I14工字钢支座上，所述第二双排固定锚杆设置在所述I14工字钢斜撑上，所述第二钢板设置在所述第二双排固定锚杆和所述I14工字钢斜撑之间。

5.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤103包括：

将高压水引至所述钢棚的棚顶；

在所述棚顶利用高压水自上而下沿残留岩块缝隙及边缘对夹泥层进行冲洗切割，使泥渣顺开挖面自由滑落，直至不稳定岩块滑动塌落及上部无松动块体；

在所述钢棚的保护下，利用反铲挖掘机探挖的方式对下部可控范围内松动岩块进行清挖；

在溶洞空腔临近施工支洞的围岩处设集水坑，利用泥浆泵通过管道将冲洗泥水自施工支洞排出洞外。

6.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤201包括：

新开洞口前，在洞顶预设范围内设置两排锁口锚杆；

右岸下层灌浆平洞开挖时，先在右岸下层灌浆平洞口支立多个拱架进行支撑；所述拱架采用I14型钢加工制作，所述拱架的底座及节间采用钢板进行焊接；

多个所述拱架之间采用钢筋拉结，并通过双锚杆固定于岩石壁上；

在所述拱架外侧设置钢筋网，并回填浆砌块石或混凝土；

喷射混凝土，以使洞顶与所述拱架内表面相齐平。

7.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤202包括：

在距溶洞上游掌子面预设距离处设置袋装土重力式挡渣墙进行防护；

采用钢筋焊接钢筋笼，外包钢丝网，并内置潜水泵排除溶洞上游掌子面渗水。

8.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤203包括：

在开挖面处设置挡渣墙，所述挡渣墙分为两段式结构，下部为袋装土挡墙，上部为钢骨架防护网；

所述袋装土挡墙为梯形断面，采用袋装土堆码形成；

所述钢骨架防护网采用双钢管按右岸下层灌浆平洞衬砌断面加工成弧形钢骨架，并铺设双层菱形钢板网进行封闭形成，所述钢骨架防护网周边采用膨胀螺栓固定在衬砌混凝土面上，底部固定在所述袋装土挡墙内；

在开挖过程中，每次爆破后及时检查所述挡渣墙的挡渣性及所述钢骨架防护网的稳定性和受损程度，发现损坏及时加固或修复。

9.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤301包括：

结合基岩面清理、钢筋制作安装、模板制作安装，对溶洞空腔进行初步混凝土衬砌封闭；

对于基岩面清理，采取调整施工顺序的方法，先直接进行两侧衬砌边壁基础的清理，待边壁顶板衬砌形成安全封闭体后，再进行底板清理浇筑。

10.根据权利要求1所述的高狭型大型溶洞空腔处理安全防护的方法，其特征在于，所述步骤302包括：

沿施工支洞方向浇筑混凝土边墙，顶部浇筑混凝土顶板；

在所述混凝土顶板埋设工字钢梁，在所述工字钢梁上部铺设钢模板；

在两边墙过右岸下层灌浆平洞顶部处设暗梁，两边墙均直接与溶洞上游掌子面相抵；

在所述混凝土顶板底部设置单层双向钢筋；

将施工支洞临近右岸下层灌浆平洞端的设计轴线由弧型调整为折线型；

在临近溶洞上游掌子面处预先设置由型钢和竹架排护栏形成的围挡，对两边墙进行基础清理时，先行完成大面积立模后，局部打开所述围挡，清理后即刻立模浇筑。