具体实施方式

为便于本申请实施例提供的开挖方法的描述，本申请实施例中以最大开挖直径53m的乌东德水电站右岸尾调室为例进行描述。

本申请实施例提供一种地下球冠型穹顶的开挖方法，该开挖方法包括：球冠型穹顶由上而下划分为Ⅰ-Ⅴ层；其中，Ⅰ层依次开挖环形导洞区、中心岩柱区、拉槽区、环形扩挖区以及周边保护层；Ⅱ-Ⅴ层均采取中间梯段爆破、两侧预留保护层的方式开挖。

为确保开挖质量和安全，在地下球冠型穹顶开挖前还包括：

S01：采用数值模拟分析技术，结合施工通道、相邻洞室的空间位置因素模拟所述地下球冠型穹顶的开挖；

本申请实施例中，根据尾水调压室的结构特点和施工机械的性能，采用数值模拟分析技术，结合施工通道、相邻洞室的空间位置等因素对尾水调压室竖井群的全过程开挖进行模拟，形成多项开挖方案。

S02：根据围岩变形、应力和稳定的对比分析，确定将球冠型穹顶由上而下划分为Ⅰ-Ⅴ层的开挖方式。

根据对尾水调压室竖井群的开挖模拟，通过对不同开挖方案导致的围岩变形、应力和稳定性进行分析，确定出将球冠型穹顶由上而下划分为Ⅰ-Ⅴ层的开挖方式，其中，Ⅰ层依次开挖环形导洞区、中心岩柱区、拉槽区、环形扩挖区以及周边保护层；Ⅱ-Ⅴ层均采取中间梯段爆破、两侧预留保护层的方式开挖。也就是，先挖环形导洞、预留中间岩柱支撑、周边环形扩挖的穹顶开挖方法。该方法充分利用球形体水平剖切面为标准圆的规律特点，围绕穹顶中心轴线按不同半径圆周水平钻孔的方法进行开挖，控制爆破规模和单段药量，实现“以圆削球”目的，解决了超大跨度球冠穹顶的开挖成型质量和围岩稳定难题。球冠型穹顶开挖的过程中实时监测反馈、动态控制，能够有效控制尾水调压室开挖变形与稳定。

进一步，由于乌东德水电站右岸尾调室由多个尾水调压室组成，为降低施工过程中相邻洞室爆破对球冠穹顶稳定的不利影响，多个地下球冠型穹顶按照间隔开挖施工，如：6#尾水调压室→4#尾水调压室→5#尾水调压室。

请参考附图3、4，其中，附图3示出了Ⅰ层开挖分区图，附图4示出了单个尾水调压室的球冠型穹顶的开挖过程三维模拟图。由附图3、4可见，单个尾水调压室的球冠型穹顶的开挖过程具体包括：

将球冠型穹顶由上而下划分为Ⅰ-Ⅴ层分别进行施工，开挖分层图如附图2所示。其中，Ⅰ层的最大开挖高度10.9m，其余各层分层高度为5-7m。Ⅰ层依次按照环形导洞区、中心岩柱区、拉槽区、环形扩挖区以及周边保护层五个区域进行开挖，其中，环形导洞区环绕中心岩柱区，拉槽区位于环形导洞区和中心岩柱区的下方，环形扩挖区位于环形导洞区和拉槽区的外侧，周边保护层位于环形扩挖区的外侧。

进一步，Ⅰ层各区的开挖过程具体为：

S11：以球冠状穹顶中心为基点预留中心岩柱，形成中心岩柱区。

以球冠状穹顶中心为基点预留直径为10m的中心岩柱，形成中心岩柱区。

S12：沿所述中心岩柱区外侧开挖形成环形导洞区，支护所述环形导洞区的顶拱。

沿中心岩柱区的外侧先进行底部掏槽，然后进行上部保护层的开挖，形成环形导洞区，如附图5所示。其中，环形导洞区的开挖宽度为8.0m，高度为7.49m-10.42m。

环形导洞区在开挖时，采用人工持YT-28手风钻配合钻爆台车进行钻孔，然后进行人工装药、爆破。具体的，钻孔前，必须通过测量放线，并根据爆破设计图和实际开挖边线确定出每个爆破孔的点位、尾线点及每个爆破孔的造孔深度。开挖钻孔采用同心圆切线方向水平钻孔，即手风钻沿圆弧切线方向钻水平孔，其中，环形导洞区的爆破孔孔距为80-90cm，排距为70-80cm；靠近中心岩柱区的光爆孔孔距为50cm；靠近球冠穹顶轮廓线的光爆孔间距为40cm，如附图6所示。

本申请实施例中，环形导洞区钻设的爆破孔的孔深是渐变的，如最外弧最大孔深为1.5m，最内弧最小孔深为0.6m。为最大限度控制球冠穹顶边线超欠挖，每循环对环形导洞标准开挖断面的爆破孔深、孔位及装药参数进行编程计算，以确保最佳的爆破数据。每排爆破孔钻设完成后，由现场质检人员用钢卷尺测量炮孔深度。若爆破孔的深度超过设计要求，则用炮泥堵塞至符合要求后装药、爆破，进而形成环形导洞区。环形导洞区开挖完成后，及时支护环形导洞区的顶拱。

S13：开挖所述中心岩柱区，支护所述中心岩柱区的穹顶。

环形导洞区开挖完成同时环形导洞区的顶拱支护完成后，开始对中心岩柱区进行挖掘。中心岩柱区开挖完成后，对中心岩柱区的穹顶进行支护。本申请实施例中对中心岩柱区分为上下两部分进行挖掘，其中，上部分为上部预留保护层，下部分为下部导洞。具体的，先对中心岩柱的下部导洞进行开挖，开挖尺寸为10*7.9m，分左右半幅进行开挖。下部导洞开挖完成后，对厚度为2.5-3m的上部预留保护层进行开挖。其中，上部预留保护层以球冠状穹顶中心为轴线，辐射状钻孔，由环形导洞区向球冠状穹顶中心逐层开挖。

中心岩柱区在开挖时，采用人工持YT-28手风钻配合钻爆台车进行钻孔，然后进行人工装药、爆破。具体的，钻孔前，必须通过测量放线，并根据爆破设计图和实际开挖边线确定出每个爆破孔的点位、尾线点及每个爆破孔的造孔深度。手风钻沿圆弧切线方向钻水平孔，其中，中心岩柱区开挖时的炮孔分布为：排距为70-80cm、孔距为80-90cm、穹顶处的孔间距为40cm，孔深超深20cm为1.5m，具体的爆破参数如表1所示，炮孔分布图如附图7、8所示。每排爆破孔钻设完成后，由现场质检人员用钢卷尺测量炮孔深度。若爆破孔的深度超过设计要求，则用炮泥堵塞至符合要求后装药、爆破，进而形成中心岩柱区。

表1：中心岩柱区爆破设计主要技术参数

S14：开挖所述环形导洞区与所述中心岩柱区的下方，形成拉槽区。

本申请实施例中为满足环形导洞区防止顶拱9m长锚杆施工空间需求以及钻爆台车尺寸需求，中心岩柱区开挖完成且中心岩柱区的穹顶支护完成之后开挖环形导洞区与中心岩柱区的下方，形成槽深为3.5m的拉槽区。拉槽区的钻孔均采用D7液压钻进行钻孔，并进行钻孔梯段爆破。

S15：沿所述环形导洞区和所述拉槽区的外侧开挖，形成环形扩挖区，支护所述环形扩挖区的顶拱。

拉槽区开挖施工完成后，沿环形导洞区和拉槽区的外侧开挖，形成环形扩挖区，同时对环形扩挖区的顶拱进行支护。环形扩挖区的开挖宽度为5.4m，高度6.56～10.84m。环形扩挖区在开挖时，采用人工持YT-28手风钻配合钻爆台车进行钻孔，然后进行人工装药、爆破。环形扩挖区的爆破钻孔及装药参数控制同环形导洞区的相一致。

S16：所述环形扩挖区外侧的周边保护层与所述Ⅱ层一起开挖。

环形扩挖区外侧的周边保护层为穹顶外缘的狭小区域。由于该空间狭小，因而不能满足钻机钻孔所需要的最小空间，因此，本申请实施例中将穹顶边缘预留一定厚度的保护层随下一层一同开挖，即周边保护层放到下一层中同下一层一起开挖，也就是随Ⅱ层一起开挖。若周边保护层外侧还有穹顶结构，则该部分结构随Ⅲ层一起开挖，如附图3所示。由于中心岩柱区、环形导洞区、拉槽区以及环形扩挖区均已开挖完成，因而穹顶具有足够的空间来布置钻机进行钻孔和支护施工。由此，下层开挖时能够同时开挖周边保护层及边缘部分，以避免因空间高度问题引起的钻孔精度不易控制、初期支护锚杆无法实施的问题，进而避免外缘爆破孔过多侵入设计断面造成超挖，以及因初期支护无法及时实施造成危岩松弛深度过大，最终确保穹顶成型和围岩稳定。

对于球冠型穹顶Ⅱ-Ⅴ层以及Ⅰ层中周边保护层的开挖，本申请实施例中均采用中间梯段爆破、两侧预留保护层的方式。具体的，在中间段的设计边线预留5.5m厚保护层，本申请实施例中为保证设计结构线开挖成型质量，保护层分两次进行开挖，即保护层包括内层保护层和外层保护层。中间梯段爆破后，开挖靠近中间3m范围内的内层保护层及Ⅰ层中周边保护层，剩余2.5m的外层保护层随下层一同开挖，也就是随Ⅲ层一起开挖。Ⅱ-Ⅴ层在开挖时，中间段采用ROC-D7型液压钻垂直进行钻孔，装药后梯段爆破。内层保护层采用手风钻钻设水平孔，环向开挖。Ⅱ-Ⅴ层的爆破钻孔及装药参数控制同环形导洞的相一致。

本申请实施例提供的地下球冠型穹顶的开挖方法中，Ⅰ层采用先挖环形导洞、预留中间岩柱支撑、周边环形扩挖的穹顶开挖方法进行挖掘，充分利用球形体水平剖切面为标准圆的规律特点，围绕穹顶中心轴线按不同半径圆周水平钻孔的方法进行开挖，控制爆破规模和单段药量，实现“以圆削球”目的，解决了超大跨度球冠穹顶的开挖成型质量和围岩稳定难题。同时，周边保护层随下层开挖的方法能够解决因空间高度问题难以进行钻孔精度控制和初期支护锚杆无法实施问题，进而避免外缘爆破孔过多侵入设计断面造成超挖，以及因初期支护无法及时实施造成危岩松弛深度过大，最终确保穹顶成型和围岩稳定。本申请提供的方法具有精度高、成型质量好、轮廓面规整、超欠挖小的优点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。